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介紹液體電介質極化、電導和損耗特性，固體電介質極化、電導和損耗特性
閱讀：2254發(fā)布時間：2024-4-6
一、液體電介質的極化、電導和損耗
1.液體電介質的極化
相對介電系數(shù)εr是綜合反映電介質極化特性的物理量。常見液體介質的相對介電系數(shù)見表TYBZ01403001-1。
表TYBZ01403001-1 常用液體介質的相對介電系數(shù)
液體介質 | 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 |
液體介質可分為弱極性、極性、強極性三種。弱極性的液體介質的相對介電系數(shù)為1.8～2.8內，主要有石油、苯、四氯化碳、硅油、變壓器油等介質。極性液體介質的相對介電系數(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損耗較大，不適合用作高壓電氣設備絕緣材料。強極性液體介質的相對介電系數(shù)很大(εr＞10)，由于其電導很大，故不適合用作絕緣材料。
2.液體電介質的電導
任何電介質都不同程度地具有一定的導電性，構成液體電介質電導的因素主要有兩種：離子電導和電泳電導。
離子電導是由液體本身或雜質的分子解離的離子決定，離子電導的大小和分子極性及液體的純凈程度有關。
電泳電導是由固體或液體雜質以高度分散狀態(tài)懸浮于液體中形成的膠體質點吸附離子而帶電造成的，變壓器油中懸浮的小水滴就構成電泳電導。
表征電介質導電性能的要物理量為電導率γ或其倒數(shù)電阻率ρ。純凈的非極性液體電介質的電阻率ρ可達1018Ω·cm，弱極性電介質的電阻率ρ可達1015Ω·cm。強極性液體如水、乙醇等實際上已是離子性導電液了，不能用作絕緣材料。表TYBZ01403001-2列出了某些液體的電導率。
表TYBZ01403001-2 液體電介質的電導率γ
液休種類 | 液休名稱 | 溫度（℃） | 電導率（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 | 工程上應用 |
蓖麻油 | 20 | 10-12 | 工程上應用 | |
強極性 | 水 | 20 | 10-7 | 高度凈化的 |
乙醇 | 20 | 10-8 | 凈化的 |
溫度升高，液體的電導率會迅速增加。液體電介質電導率與溫度的關系為
（TYBZ01403001-1）
式中A、B——常數(shù)；
T——絕對溫度。
雜質和水分對液體電介質的絕緣性能影響較大，電氣設備在運行中應采取措施去除雜質和水分。
3.液體電介質的損耗
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，其損耗較小，約10-4數(shù)量級，其損耗與溫度的關系也和電導相似，
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)都具有電導和極化兩種損耗，其損耗和溫度有較復雜的關系，如圖TYBZ01403001-1所示。在低溫時，極化損耗和電導損耗都較??；隨著溫度的升高，液體的黏度減小，偶極子轉向極化增強，電導損耗也在增大，所以總的tanδ亦上升，并在T=T1時達到極大值；在T1<T<T2的范圍內，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時達到極小值。在T＞T2以后，由于電導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的關系經(jīng)常用到(見表TYBZ01403001-3)，例如，配制黏性浸漬電纜的復合膠時，要適當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。
表TYBZ01403001-3 工頻電壓下20℃時，某些常用的液體的tanδ值
電介質 | Tanδ（%） |
變壓器油 | 0.05~0.5 |
蓖麻油 | 1-3 |
二、固體電介質的極化、電導和損耗
1.固體電介質的極化
常見的固體介質的介電系數(shù)見表TYBZ0143001-4。中性或弱極性介質相對介電系數(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 常用液體介質的介電系數(shù)
介質種類 | 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.固體電介質的電導
固休介質具有體積電導和表面電導。休積電導是由固體介質本身的離了和雜質離子構成，且雜質電導起主要作用。表面電導主要是附著于介質表面的水分和污物引起的，其電導的大小受外界因素和介質吸附水分的能力有關。按水滴在介質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。
對于固體電介質，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，從而影響電介質內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.固體電介質的損耗
固體介質種類較多，它們的損耗情況也比較復雜，現(xiàn)分別介紹如下。
(1)無機絕緣材料。在電氣設備中常用的這一類材料有云母、陶瓷、玻璃等，它們都是離子式結構晶體材料，但又可分為結晶態(tài)(云母、陶瓷等)和無定形態(tài)(玻璃等）兩大類。
云母主要是電導引起的損耗，故介質損耗值較小，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，而以結晶相為主的超高頻電瓷的tanδ很小。
玻璃也具有電導損耗和極化損耗，總的介質損耗大小與玻璃的成分有關，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，其損耗主要由電導引起，而其電導極小，所以介質損耗也較小，它們的“tanδ一溫度"特性由“電導率一溫度特性來決定，tanδ與頻率的關系很小，例如，在-80～+100℃的溫度范圍內，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，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，顯著的極化損耗使這一類電介質具有較大的介質損耗，它們的tanδ約為0.1%～1.0%，甚至更大。其“tanδ一溫度"及“tanδ一頻率"關系均與前面介紹過的極性液體介質相似。
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℃時常用固體電介質的tanδ值
電介質 | Tanδ（%） | 電介質 | 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 |
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