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液體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗
閱讀：631發(fā)布時間：2024-5-16
【模塊描述】本模塊介紹液體電介質(zhì)極化、電導(dǎo)和損耗特性，固體電介質(zhì)極化、電導(dǎo)和損耗特性。通過原理講解、要點分析，了解常用介質(zhì)的總體絕緣性能。
【正文】
一、液體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗
1.液體電介質(zhì)的極化
相對介電系數(shù)εr是綜合反映電介質(zhì)極化特性的物理量。常見液體介質(zhì)的相對介電系數(shù)見表TYBZ01403001-1。
表TYBZ01403001-1 常用液體介質(zhì)的相對介電系數(shù)
液體介質(zhì) | 名稱 | 相對介電系數(shù)εr (工頻，20℃) |
弱極性 | 變壓器油 | 2.2~2.5 |
硅有機液體 | 2.2~2.8 | |
極性 | 蓖麻油 | 4.5 |
氯化聯(lián)苯 | 4.6~5.2 | |
強極性 | 丙酮 | 22 |
酒精 | 33 | |
水 | 81 |
液體介質(zhì)可分為弱極性、極性、強極性三種。弱極性的液體介質(zhì)的相對介電系數(shù)為1.8～2.8內(nèi)，主要有石油、苯、四氯化碳、硅油、變壓器油等介質(zhì)。極性液體介質(zhì)的相對介電系數(shù)在3～6，如蓖麻油、氯化聯(lián)苯，若它們作為電容器的浸漬劑，可使電容器的電容量增大，由于在交流電場中的介質(zhì)損耗較大，不適合用作高壓電氣設(shè)備絕緣材料。強極性液體介質(zhì)的相對介電系數(shù)很大(εr＞10)，由于其電導(dǎo)很大，故不適合用作絕緣材料。
2.液體電介質(zhì)的電導(dǎo)
任何電介質(zhì)都不同程度地具有一定的導(dǎo)電性，構(gòu)成液體電介質(zhì)電導(dǎo)的因素主要有兩種：離子電導(dǎo)和電泳電導(dǎo)。
離子電導(dǎo)是由液體本身或雜質(zhì)的分子解離的離子決定，離子電導(dǎo)的大小和分子極性及液體的純凈程度有關(guān)。
電泳電導(dǎo)是由固體或液體雜質(zhì)以高度分散狀態(tài)懸浮于液體中形成的膠體質(zhì)點吸附離子而帶電造成的，變壓器油中懸浮的小水滴就構(gòu)成電泳電導(dǎo)。
表征電介質(zhì)導(dǎo)電性能的要物理量為電導(dǎo)率γ或其倒數(shù)電阻率ρ。純凈的非極性液體電介質(zhì)的電阻率ρ可達(dá)1018Ω·cm，弱極性電介質(zhì)的電阻率ρ可達(dá)1015Ω·cm。強極性液體如水、乙醇等實際上已是離子性導(dǎo)電液了，不能用作絕緣材料。表TYBZ01403001-2列出了某些液體的電導(dǎo)率。
表TYBZ01403001-2 液體電介質(zhì)的電導(dǎo)率γ
液休種類 | 液休名稱 | 溫度（℃） | 電導(dǎo)率（S/cm） | 純凈程度 |
中 性 | 變壓器油 | 80 | 0.5×10-12 | 未凈化的 |
80 | 2×10-15 | 凈化的 | ||
80 | 10-15 | 兩次凈化的 | ||
80 | 0.5×10-12 | 高度凈化的 | ||
極 性 | 三氯聯(lián)苯 | 80 | 10-11 | 工程上應(yīng)用 |
蓖麻油 | 20 | 10-12 | 工程上應(yīng)用 | |
強極性 | 水 | 20 | 10-7 | 高度凈化的 |
乙醇 | 20 | 10-8 | 凈化的 |
溫度升高，液體的電導(dǎo)率會迅速增加。液體電介質(zhì)電導(dǎo)率與溫度的關(guān)系為
式中A、B——常數(shù)；
T——絕對溫度。
雜質(zhì)和水分對液體電介質(zhì)的絕緣性能影響較大，電氣設(shè)備在運行中應(yīng)采取措施去除雜質(zhì)和水分。
3.液體電介質(zhì)的損耗
中性液體(如氯化碳、苯等)以及弱極性液體(如純凈的變壓器油)的損耗要來源于電導(dǎo)，其損耗較小，約10-4數(shù)量級，其損耗與溫度的關(guān)系也和電導(dǎo)相似，
極性液體(如蓖麻油、氯化聯(lián)苯等)以及極性與中性液體的混合物(如電纜膠是松香和變壓器油的混合物)都具有電導(dǎo)和極化兩種損耗，其損耗和溫度有較復(fù)雜的關(guān)系，如圖TYBZ01403001-1所示。在低溫時，極化損耗和電導(dǎo)損耗都較小；隨著溫度的升高，液體的黏度減小，偶極子轉(zhuǎn)向極化增強，電導(dǎo)損耗也在增大，所以總的tanδ亦上升，并在T=T1時達(dá)到極大值；在T1<T<T2的范圍內(nèi)，由于分子熱運動的增強妨礙了偶極子沿電場方向的有序排列，極化強度反而隨溫度的上升而減弱，由于極化損耗的減小超過了電導(dǎo)損耗的增加，所以總的曲線隨T的升高而下降，并在T=T2時達(dá)到極小值。在T＞T2以后，由于電導(dǎo)損耗隨溫度急劇上升、極化損耗不斷減小而退居次要地位，因而曲線就隨時間T的上升而持續(xù)增大。
在實踐中，tanδ與溫度T的關(guān)系經(jīng)常用到(見表TYBZ01403001-3)，例如，配制黏性浸漬電纜的復(fù)合膠時，要適當(dāng)選擇松香和變壓器油的比例，使tanδ的極大值不要出現(xiàn)在電纜工作的溫度范圍內(nèi)。
表TYBZ01403001-3 工頻電壓下20℃時，某些常用的液體的tanδ值
電介質(zhì) | Tanδ（%） |
變壓器油 | 0.05~0.5 |
蓖麻油 | 1-3 |
二、固體電介質(zhì)的極化、電導(dǎo)和損耗
1.固體電介質(zhì)的極化
常見的固體介質(zhì)的介電系數(shù)見表TYBZ0143001-4。中性或弱極性介質(zhì)相對介電系數(shù)范圍通常在2.0～2.7，主要有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、石蠟、石棉、無機玻璃。極性介質(zhì)的相對介電系數(shù)一般為3～6，甚至更大，主要有樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機玻璃、聚氯乙烯和滌綸。離子性介質(zhì)的相對介電系數(shù)一般在5～8，主要有陶瓷、云母等。
表TYBZ01403001-4 常用液體介質(zhì)的介電系數(shù)
介質(zhì)種類 | 名 稱 | 相對介電系數(shù)εr (工頻，20℃) |
中性或弱極性 | 石蠟 | 2.0~2.5 |
聚苯乙烯 | 2.5～2.6 | |
聚四氦乙烯 | 2.0～2.2 | |
松香 | 2.5~2.6 | |
瀝青 | 2.6-2.7 | |
極性 | 纖維素 | 6.5 |
膠木 | 4.5 | |
聚氯乙烯 | 3.0~3.5 | |
瀝青 | 2.6~2.7 | |
離子性 | 云母 | 5~7 |
陶瓷 | 5.5~6.5 |
2.固體電介質(zhì)的電導(dǎo)
固休介質(zhì)具有體積電導(dǎo)和表面電導(dǎo)。休積電導(dǎo)是由固體介質(zhì)本身的離了和雜質(zhì)離子構(gòu)成，且雜質(zhì)電導(dǎo)起主要作用。表面電導(dǎo)主要是附著于介質(zhì)表面的水分和污物引起的，其電導(dǎo)的大小受外界因素和介質(zhì)吸附水分的能力有關(guān)。按水滴在介質(zhì)表面的浸潤情況分為憎水性和親水性兩大類，石蠟、硅橡膠、氟塑料、硅樹脂等都屬于憎水性材料，云母、陶瓷屬于親水性材料。采用使介質(zhì)表面潔凈、干燥或涂數(shù)石蠟、有機硅、絕緣漆等材料，可減小表面電導(dǎo)。
對于固體電介質(zhì)，常用絕緣電阻的大小來反映絕緣性能的優(yōu)劣。由于表面電阻會受表面臟污或受潮的影響而減小，從而影響電介質(zhì)內(nèi)在絕緣性能好壞的判斷，所以在測量中要采取擦拭試品、加屏蔽環(huán)等措施消除表面電阻對絕緣電阻測量值的影響。
3.固體電介質(zhì)的損耗
固體介質(zhì)種類較多，它們的損耗情況也比較復(fù)雜，現(xiàn)分別介紹如下。
(1)無機絕緣材料。在電氣設(shè)備中常用的這一類材料有云母、陶瓷、玻璃等，它們都是離子式結(jié)構(gòu)晶體材料，但又可分為結(jié)晶態(tài)(云母、陶瓷等)和無定形態(tài)(玻璃等）兩大類。
云母主要是電導(dǎo)引起的損耗，故介質(zhì)損耗值較小，絕緣性能優(yōu)良、耐高溫性能好，是理想的電機絕緣材料。其缺點是機械性能差，需先用黏合劑和增強材料加工成云母制品，然后才能付諸使用。
電工陶瓷(簡稱電瓷)既有電導(dǎo)損耗，也有極化損耗。20℃和50Hz下電瓷的tanδ=2%～5%。不同成分的陶瓷，其值也相差懸殊。含有大量玻璃相的普通電瓷的tanδ較大，而以結(jié)晶相為主的超高頻電瓷的tanδ很小。
玻璃也具有電導(dǎo)損耗和極化損耗，總的介質(zhì)損耗大小與玻璃的成分有關(guān)，含堿金屬氧化物(Na2O、K2O等)的玻璃損耗較大，加入重金屬氧化物(BaO、PbO等)能使堿玻璃的損耗下降一些。
(2)有機絕緣材料，它們又可分為非極性和極性兩大類。
1)石蠟、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯等都是非極性有機電介質(zhì)，其損耗主要由電導(dǎo)引起，而其電導(dǎo)極小，所以介質(zhì)損耗也較小，它們的“tanδ一溫度"特性由“電導(dǎo)率一溫度特性來決定，tanδ與頻率的關(guān)系很小，例如，在-80～+100℃的溫度范圍內(nèi)，聚乙烯的tanδ變化范圍只有0.01%～0.02%。這種優(yōu)良的絕緣特性可保持到高頻的情況，再加上它具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性，具有彈性、不吸潮、機械加工簡便等優(yōu)點，使它成為很好的固體介質(zhì)，可用來制造高頻電纜、海底電纜、高頻電容器等。聚乙烯的缺點是耐熱性能較差，溫度較高時會軟化變形。沖擊測量用的電纜就是用聚乙烯絕緣的。
2)聚氯乙烯、纖維板、酚醛樹脂、有機玻璃、膠木、絕緣紙等均屬于極性有機電介質(zhì)，顯著的極化損耗使這一類電介質(zhì)具有較大的介質(zhì)損耗，它們的tanδ約為0.1%～1.0%，甚至更大。其“tanδ一溫度"及“tanδ一頻率"關(guān)系均與前面介紹過的極性液體介質(zhì)相似。
油浸紙絕緣等，它們的損耗取決于其中各成分的性能和數(shù)量間的比例。在表TYBZ01403001-5中列出了某些常用固體電介質(zhì)在工頻電壓下20℃時的tanδ值。
表TYBZ01403001-5 工頻電壓下20℃時常用固體電介質(zhì)的tanδ值
電介質(zhì) | Tanδ（%） | 電介質(zhì) | Tanδ（%） |
新青云母帶 | 0.2~1 | 交聯(lián)聚乙烯 | 0.02~0.05 |
電瓷 | 2~5 | 集苯乙烯 | 0.01~0.03 |
油浸電續(xù)紙 | 0.5~8 | 聚四氟乙烯 | ＜0.02 |
環(huán)氧樹脂 | 0.2~1 | 聚氯乙烯 | 5~10 |
聚乙烯 | 0.01~0.02 | 酚醛樹脂 | 1~10 |
【思考與練習(xí)】
1.為什么強極性液體介質(zhì)不適合做絕緣材料？
2.電介質(zhì)的介電性能表現(xiàn)在哪些方面？反映什么物理特性？有什么實際意義？
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