介电常数、电阻率、介质损耗角正切、击穿电压等电气性能介绍

1、电介质的基本概念
具备无传导电子绝缘体的物理特性，在电场中可发生极化的固体、液体和气体，总称为电介质。作为材料，电介质与导体、半导体和磁性材料一样，在电气电子学科领域占有重要的地位。电介质不仅包括绝缘材料，还包括各种功能材料，如压电、热释电、光电和铁电材料等。工程上，高绝缘电阻作为电介质的主要特性，被广泛应用于电气绝缘材料领域，高介电常数则主要用于储能领域。因而电介质的知识主要包括电介质基础理论、绝缘材料、绝缘测试和绝缘设计和结构、工艺问题。
物质的性质与其微观结构有直接的关系，为掌握电介质在电场中的现象和本质，必须了解其微观结构。
2、形成分子和聚集态的各种键
分子由原子或离子组成；气体、液体和固体三种聚集态由原子、离子或分子组成。键代表质点间的结合方式，分子及三种聚集态的性质与键的形式密切相关。分子内相邻原子间的结合力称为化学键，化学键有离子键和共价键两大类。分子与分子间的结合力称为分子键。下面从电介质的角度分别讨论各类键的性质。
（1）离子键
电负性相差很大的原子相遇，原子间发生电子转移，电负性小的原子要失去电子而成为正离子，电负性大的原子要获得电子而成为负离子。正、负离子由静电库仑力结合成分子，即为离子键。离子键的键能很高，很多正、负离子通过离子键结合起来，形成离子性固体，如NaCl晶体。大多数无机电介质都是靠离子键结合起来的，如玻璃、云母等。排列不规则的称为无定形体，排列规则的称为晶体。
（2）共价键
由电负性相等或相差不大的两个或几个原子通过共有电子对结合起来，达到稳定的电子层结构，称为共价键。共价键分非极性键和极性键。
非极性键的电子对称分布，分子正、负电荷中心重合。非极性键构成非极性分子，如H2、CCl4CH4等。极性键的电子分布不对称，分子的正、负电荷中心不重合。有机电介质都是由共价键结合而成，某些无机晶体如金刚石也是共价键。
（3）分子键
分子以相互间的吸引力结合在一起，称为分子键。
3．电介质的分类
根据化学结构可将电介质分为3类。
（1）非极性及弱极性电介质
分子由共价键结合，由非极性分子组成的电介质称为非极性电介质，如氮气、聚四氟乙烯等。有些电介质由于存在分子异构或支链，多少有些极性，称为弱极性电介质，如聚苯乙烯等。
（2）极性电介质
极性电介质是由极性分子组成的电介质，如聚氯乙烯、有机玻璃、蓖麻油、胶木、纤维素等。
（3）离子性电介质
离子性电介质只有固体形式，它没有个别的分子，总体上分为晶体和无定形体两大类。晶体的排列规则，强度、硬度、熔点都较高；无定形体的排列不规则，弹性、塑性较好。云母是晶体结构；石英是无定形体结构；电瓷的结构既有晶体，又有无定形体。
一般无机材料以离子键结合；有机材料以分子键结合，分子内部以共价键结合。

3、电介质电气性能的划分
电介质在电气、电子工程上多用作绝缘材料。绝缘材料必定是绝缘体。作为电工设备，其中的导体必须要考虑绝缘，即在有一定电位差的两导体间进行隔离，使电流按一定电路流动，以确保安全运行。因此，绝缘材料是电工设备中的材料。
根据使用目的和使用条件，要求电介质具备电气、热、机械等多方面的性能。从电工绝缘物理性能来看，其基本电气性能可概括成如下4个方面：
（1）介电特性（dielectric property）：指电介质的极化及其损耗特性；
（2）电气传导特性（electrical conduction property）：如载流子移动、高场强下的电气传导等；
（3）电气击穿特性（electrical breakdown property）：包括劣化、击穿、伏秒特性等；
（4）二次效应（secondary effect）：如空间电荷、陷阱、局域态中心、界面、化学结构、形态、杂质、环境因素等对上述特性的影响。
绝缘材料的应用，需要正确理解电介质在电场作用下这些性能的物理本质、电气性能与微观物质结构的内在联系以及与周围环境各种变化因素的关系。工程上通常把电介质的介电常数e、电导、电介质损耗角正切（也称电介质损耗因数）tano和击穿电压（或电气强度）作为电介质绝缘材料的主要电气性能参数并加以利用。

4、常见液体和固体电介质的电气性能参数

液体、固体电介质电气性能受到电压波形和温度等因素的影响,进行电介质电气性能测试时应记录试验电压类型、频率和温度等,一般测量是在20℃、1atm下完成的。表4-1和表4-2分别给出常见的液体和固体电介质的电气性能参数。

表1常见液体电介质的电气性能参数

注:击穿电压的间隙距离为2.5mm。未作说明的参数为20℃、工频电压下的测量结果。

表2常见固体电介质的电气性能参数

注：未作说明的参数为常温、工频电压下的测量结果。电气强度与试品厚度密切相关，表中电气强度数据来自不同厚度。工频电气强度均为有效值。
＊注：硅橡胶本身是弱极性材料，这里给出的是作为内绝缘用的硅橡胶制品的参数。

4.1 液体、固体电介质的极化、电导与损耗
4.1.1 电介质的极化及相对介电常数
1．极化的基本概念
电介质在电场作用下，正、负电荷作微小位移而在电场方向上产生偶极矩，或在电介质表面出现感应束缚电荷的现象称为电介质极化。
2．极化的基本类型
一个平行平板电容器在真空中的电容量为，如果在平行平板间插入一种固体电介质，则此电容器的电容量将变为E,Co,Er，为此电介质的相对介电常数，也称电容率，其值大于1。电容量增大的原因在于电介质的极化现象。
电介质的极化有5种基本形式：电子位移极化、离子位移极化、转向极化、空间电荷极化和夹层电介质界面极化。
（1）电子位移极化
电介质中的原子、分子或离子中的电子在外电场的作用下电子轨道相对于原子核发生位移，从而在电场方向产生偶极矩的过程称为电子位移极化。
此种极化的特点是存在于一切电介质之中。由于电子质量很小，所以建立极化时间极短，为10^-15~10^-14s。极化程度取决于电场强度E，与电源频率f无关，与温度的关系也不大，因为温度不足以引起质点内部电子能量状态的变化。此种极化是弹性的，无能量损耗，去掉外电场，极化现象可立即消失。
（2）离子位移极化
在由离子结合成的电介质内，外电场的作用使正、负离子产生微小位移，平均地具有了电场方向的偶极矩，这种极化形式称为离子位移极化。
这种极化形式存在于离子结构的电介质中。建立此种极化的时间极短，为10^-13~10^-12s，极化程度与电源频率f无关。但随温度升高，离子位移极化略有增加，即εr一般有正的温度系数。由于离子间距离增加、离子间作用力减少，因而离子较易极化。离子位移极化也是弹性的，无能量损失。去掉外电场，极化现象也可立即消失。

（3）转向极化

转向极化又称偶极弛豫极化。在极性电介质中，分子中正、负电荷作用中心不重合，就单个分子而言，就已具有偶极矩，称为极性分子。无外电场作用时，极性分子处于热运动状态，对外平均不具有偶极矩。在外电场作用下极性分子在电场方向的取向概率增加，对外平均具有了电场方向的偶极矩，称此种极化方式为转向极化。
转向极化存在于极性电介质中。偶极子转向极化是非弹性的，转向需克服相互间的作用而做功，消耗的能量在复原时不可能收回。极化需时较长，为10-6~10-2s；极化程度和电源频率f有关，在频率较高时极性分子来不及随电场的变化而转向，从而使极化程度减小。
转向极化与温度的关系复杂，随温度增加转向极化程度先增加后降低。在低温段固体与液体电介质的分子间联系紧，难以转向，不易极化。温度提高，极化程度增加。但在温度较高时分子热运动加剧，妨碍偶极子沿电场方向取向，使极化程度又降低。
在结构不紧密的离子性电介质中存在离子弛豫极化，这种极化的特性和偶极弛豫极化相似，可归为转向极化一类。
（4）空间电荷极化
上述三种极化是带电质点的弹性位移或转向形成的，而空间电荷极化则与上述三种极化不同，它是由带电质点的移动形成的。
电介质内的自由正、负离子在电场的作用下移动，改变分布状况，在电极附近或电介质内部形成空间电荷，因而称这种极化形式为空间电荷极化。
这种极化形式存在于不均匀电介质中，伴随有能量损失，高压绝缘电介质的电导通常都很小，极化建立需时很长，这种性质的极化只有在低频时才可能发生。
（5）夹层电介质界面极化
在实际电气设备中有不少都是多层电介质的绝缘结构，现以双层电介质模型来分析电介质界面极化。图4-1中，在合闸瞬间两层电介质的初始电压比由电容决定，稳态时电压比由电导决定：t=0时，U1/U2=C2/C1;t→时，U1/U2=G2/G1。

图1 双层电介质极化模型

如果C2/C1=G2/G1，则双层电介质的表面电荷不重新分配，初始电压比等于稳态电压比。但实际上很难满足上述条件，电荷要重新分配，这样在两层电介质的交界面处会积累电荷，故称为夹层电介质界面极化。夹层界面上电荷的堆积是通过电介质电导G完成的，它的特性和空间电荷极化相似。
3．电介质的介电常数
在真空中，有关系式

D=ε0E

式中，E为电场矢量，V/mm；D为电通密度矢量，C/㎡。D与E是同方向的，比例常数ε0为真空的介电常数，其值约为8．854x10^-12F/m在电介质中，则有关系式

D=εE
03'3=3

式中，D与E仍是同方向的，比例常数ε为电介质的介电常数，εr为相对介电常数。

应该说电介质的ε并不是常数，ε不仅随温度、频率而变化，在深入研究时ε甚至分实数与虚数两部分，但在通常情况下，仅用ε的实数部分，所以在电工术语上称ε为介电常数；实数部分的εr称为相对介电常数，该常数大于1，没有量纲和单位。

（1）气体电介质的介电常数

气体分子间的距离很大，密度很小，气体的极化程度很小，一切气体的相对介电常数都接近1，表1列出了几种气体的相对介电常数值。

表1部分气体的相对介电常数（20℃，1atm时）

注：1atm（标准大气压）＝1.01325x105Pa。

气体的介电常数随温度的升高略有减小，随压力的增大略有增加，但变化很小。

（2）液体电介质的介电常数

①非极性和弱极性电介质。属于这类的液体电介质有很多，如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它们的相对介电常数都不大，其值不超过2.8。相对介电常数与温度的关系和单位体积中的分子数与温度的关系相似。

②极性电介质。这类电介质的相对介电常数较大，其值在3～80之间，能用作绝缘电介质的εr值为3～6。此类液体电介质用作电容器浸渍剂，可使电容器的比电容增大，但通常损耗都较大，蓖麻油和几种合成液体电介质有实际应用。相对介电常数与温度及频率的关系如图1所示。

θ/℃

图1氯化联苯的相对介电常数与温度的关系

（频率

（3）固体电介质的介电常数

①非极性和弱极性固体电介质。此类固体电介质的种类很多，聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、云母、石蜡、石棉、硫磺、无机玻璃等都属此类。其中云母、石棉等是晶体型离子结构；无机玻璃则是无定形离子结构。这类电介质只有电子式极化和离子式极化，介电常数不大，通常为2.0～2.7。相对介电常数与温度的关系也与单位体积内的分子数与温度的关系相近。

②极性固体电介质。属于此类的固体电介质有树脂、纤维、橡胶、虫胶、有机玻璃、聚氯乙烯和涤纶等。这类电介质的相对介电常数较大，一般为3～6，还可能更大。相对介电常数与温度及频率的关系类似于极性液体电介质。

根据转向极化的特点，可对介电常数随温度及频率变化的趋势作出解释。

③离子性电介质。此类固体电介质有陶瓷、云母等，其相对介电常数εr一般为5～8。

5．讨论极化的意义

（1）选择绝缘

在实际选择绝缘时，除应考虑电气强度外，还应考虑介电常数εr。对于电容器，若追求同体积条件有较大电容量，要选择ε，较大的电介质。对于电缆，为减少电容电流，要选择ε较小的电介质。

（2）多层电介质的合理配合

对于多层电介质，在交流及冲击电压下，各层电压分布与其ε，成反比，要注意选择使各层电介质的电场分布较均匀。

（3）研究电介质损耗的理论依据

电介质损耗和极化形式有关，要掌握不同极化类型对电介质损耗的影响。

（4）绝缘试验的理论依据

为确立电气设备预防性试验项目提供理论根据。

6、电介质的电导、电阻及电导率、电阻率

1．电介质中的漏导电流和位移电流

按照电阻率，物质可划分为导体、半导体和绝缘体（电介质），如图4-3所示。

图1物质常温、常压下电阻率值与导体、半导体和绝缘体（电介质）的划分

漏导电流是由电介质中自由的或联系弱的带电质点在电场作用下运动造成的。电介质电导主要由离子造成，电阻率ρ在范围内。随温度升高，电阻率下降。

金属电导主要由电子造成，电阻率ρ在范围内。随温度升高，金属的电阻率增加。电阻率ρ在二者之间的属半导体范畴。

电介质中除了漏导电流外，还存在位移电流。位移电流是指由电介质极化造成的吸收电流。理论上，漏导电流构成电介质的电导，位移电流则是极化引起的过渡过程电流。下面用试验曲线来说明位移电流和漏导电流的区别和联系。

把厚度为h的电介质试样放在图4-4所示的三电极结构间。图中3是被试电介质；1和4分别表示上下电极，它们为圆形电极，上电极外径为d1；2是辅助电极，它为环形电极，内径为d2。再接成如图4-5所示的测量体积电流的电路，加辅助电极是为了将流过电介质

表面的电流与电介质内部的电流分开，使得高灵敏度电流表A测得的仅是流过电介质内部的电流。

S1合闸后流过电介质内部的电流随时间变化的规律如图4-6上半部曲线所示。图中i。部分是由快速极化造成的位移电流；ia是由前述空间电荷极化等缓慢极化所造成，又称为吸收电流。代表漏导电流，又称泄漏电流。为避免S1刚合闸时电极间的瞬时充电电流igi。损坏电流表，可先用S3将电流表短接，经很短的时间又将S₃打开。

图1固体电介质中的电流与时间的关系

吸收电流衰减至一恒定电流值ig往往需要数分钟乃至更长的时间，如聚乙烯在温度为20℃时，在其电流与时间的对数坐标中随时间增加电流呈直线下降的趋势，电流很难趋向漏导电流值。因此，通常测绝缘电阻是以施加电压1min或10min（如大型电机）后的电流来求出的，不是物理意义上的漏导电阻。

在图1中施加电压后断开，再合上，则流过电流表A的电流如图4-6下部曲线所示。有随时间的变化正好与吸收电流ia相反形状的电流（注意避开瞬时放电电流i），也称为吸收电流。

气体中无吸收电流，液体中极化发展快，吸收电流衰减快，固体电介质的比较明显，尤其当结构不均匀时。

7．体积电导和表面电导

GB／T1410-2006规定了表面电阻率与体积电阻率的测量方法。体积电阻率测量原理如图4-4和图4-5所示。被测电介质的体积电阻率pv为

式中，A为测量电极的面积；h为电介质厚度；体积电阻R、由电流及电压U决定，。

电介质的体积电导率γ、和电阻率pv互为倒数关系：

只要改变一下图1所示电路的接线，设法测量上电极与辅助电极间的表面电流，屏蔽上下电极间的体积电流，就可以用图4-4的三电极结构来测量电介质的表面电阻率或表面电导率，如图4-7所示。在国家标准推荐的电极尺寸中，d1与d2比较接近，即两电极间距离g很小，电介质的表面电阻率ps为

电介质的表面电阻率γs为

8．气体电介质的电导

由外电离因素造成的气体中离子的浓度为500-1000，在外电场作用下，这些带电）～1000对粒子在电场中运动构成气体电介质的电导。气体电介质的电流与电压的关系曲线见图1-3，在电场强度很小时，电流随U的增加而增加，如图OA段所示；当U进一步增大，外界因素造成的电离接近全部趋向电极时，i趋向饱和，如图AB段所示。在该两段内气体的电导是极微小的，电阻率约1022Ω·cm量级。A点和B点的场强值分别为当场强超过，气体电介质将发生碰撞电离，从而使气体电介质的电导急剧增大。

9．液体电介质的电导

构成液体电介质电导的因素主要有离子电导和电泳电导。离子电导由液体本身或杂质的分子解离的离子所决定。电泳电导是由固体或液体杂质以高度分散状态悬浮于液体中形成的胶体质点吸附离子而带电造成的。例如变压器油中悬浮的小水滴就构成电泳电导。极纯净液体电介质的电流与电压的关系曲线与气体电介质相似（图1-3）。工程用液体电介质的电流与电压关系曲线则更接近于图2。

离子电导的大小和分子极性及液体的纯净程度有关，如表4-1所示。通常情况下，纯净的非极性液体电介质的电阻率可达，弱极性电介质ρ可达。对于极性液体，极性越大，分子的解离度越大，为。在高频下实际上不使用极性液体电介质，因为损耗太大。强极性液体如水、乙醇等实际上已是离子性导电液了，不能用作绝缘材料。

离子电导随温度的升高而增加，因为温度升高，一方面分子的解离度加大；另一方面离子也较易克服周围位垒而成为自由离子，从而造成液体的电导率迅速增加。

液体电介质电导率γ与温度的关系为

式中，A、B为常数；T为绝对温度。

杂质和水分对液体电介质的绝缘有很大危害，电气设备在运行中一定要注意防潮，可以采用过滤、吸附、干燥等措施除去液体电介质中的水分和杂质。

10．固体电介质的电导

固体电介质产生电导的机理和规律与工程液体电介质类似（见图2），只是固体电介质没有电泳电导。

对于离子型电介质，电导的大小和离子本身的性质有关，单价小离子束缚弱，易形成电流，因而含单价小离子的固体电介质的电导较大。例如在石英玻璃中若加入碱金属氧化物，则电导率增加较大，若加入碱土金属氧化物，则电导率增加很小。结构紧密、洁净的离子性电介质，电阻率为；结构不紧密且含单价小离子的离子性电介质的电阻率仅达

对于非极性或弱极性电介质，电导主要是由杂质离子引起的。纯净电介质的电阻率ρ可达

对于极性电介质，因本身能解离，此外还有杂质离子共同决定电导，故电阻率较小，较佳者可达

固体电介质的电导除和微观结构有关外，还和材料的宏观结构有关。纤维性材料或多孔性材料因易吸水，一般电阻率较小。

温度对固体介质电导率的影响与对液体电介质电导率的影响相似，式（4-8）也同样适用于固体电介质。需要注意的是聚合物的电阻率与温度的关系，往往只能在不大的温度范围内符合式（4-8）的变化规律，因为其结构随温度的变化较大，从而导致离子电导势垒发生变化。

11．固体电介质的表面电导

固体电介质除了体积电导以外，还存在表面电导。干燥清洁的固体电介质的表面电导很小，表面电导主要由表面吸附的水分和污物引起。电介质吸附水分的能力与自身结构有关，所以电介质的表面电导也是电介质本身固有的性质。

固体电介质可按水滴在电介质表面的浸润情况分为憎水性和亲水性两大类，如图3所示。如果水滴的内聚力大于水和电介质的表面亲和力，则表现为水滴的接触角大于90°，即该固体材料为憎水性在Ω数量级，且表面电导受环境湿度的影响较小。非极性和弱极性电介质材料如石蜡、硅橡胶、

氟塑料、硅树脂等都属于憎水性材料。如果水滴的内聚力小于水和电介质表面的亲和力，则表现为水滴的接触角小于90°，即该固体材料为亲水性材料。亲水性电介质的表面电导大，且受湿度的影响大，表面电阻率在量级。极性和离子性电介质材料都属于亲水性材料。

采取使电介质表面洁净、干燥或涂敷石蜡、有机硅、绝缘漆等措施，可以降低电介质表面电导。

12．讨论电导的意义

（1）绝缘试验的理论依据

电导是绝缘预防性试验的理论依据，在做预防性试验时，可利用绝缘电阻、泄漏电流及吸收比判断设备的绝缘状况。

（2）直流电压下分层绝缘设计的依据

直流电压作用下，分层绝缘时，各层电压分布与电阻成正比，选择合适的电阻率，可实现各层之间的合理分压。

（3）防水处理的依据

注意环境湿度对固体电介质表面电阻的影响，注意亲水性材料的表面防水处理。

12.1电介质中的能量损耗及电介质损耗角正切

1．电介质损耗角正切

在直流电压作用下电介质的损耗仅有漏导损耗，可用或来表征。

在交流电压作用下电介质的损耗除漏导损耗外，还有极化损耗，仅有或就不够了，需要另外的特征量来表示电介质在交流电压作用下的能量损耗。

3．气体电介质的损耗

气体电介质的相对介电系数εr接近1，极化程度极小，气体电介质的损耗就是电导损耗。当电场强度小于使气体分子电离所需值时，气体电介质的电导也是极小的，所以气体电介质的损耗也是极小的。正因为如此，常用气体电介质的电容器作标准电容器。

在强电场下气体易电离，如不均匀电场中出现局部放电时，气体的电介质损耗将明显增加。若固体电介质中含有气泡，气泡内的局部放电也会使电介质损耗增加。

4．液体和固体电介质的损耗

非极性或弱极性的液体或固体，以及结构较紧密的离子性电介质，它们的极化形式主要是电子位移极化和离子位移极化，它们没有能量损耗，这类电介质的损耗主要由漏导决定。电介质损耗和温度以及电场强度等因素的关系也就取决于电导和这些因素的关系。这类电介质的tanδ是较小的，约10^-4数量级。聚乙烯、聚苯乙烯、硅橡胶、云母等都属这类电介质，是优良的绝缘材料，可用于高频或精密的设备中。

极性固体和液体电介质以及结构不紧密的离子性固体电介质除具有漏导损耗外，还有极化损耗。这类电介质的损耗和温度、频率等因素有较复杂的关系。

图4-13所示为松香油的tanδ与温度的关系，在温度较低时电导损耗和极化损耗都很小，随温度的升高因偶极子转向容易，从而使极化损耗显著增加，电导损耗略有增加。在某一温度下总的电介质损耗达到极大值。当温度继续升高时分子热运动妨碍偶极子在电场作用下作规则排列，极化损耗减小。在此阶段虽然电导损耗仍是增加的，但增加的程度比极化损耗减少的程度小，所以总的效果是减小的。随着温度进一步升高电导损耗急剧增大，总的损耗此时以电导损耗为主，也随之急剧增大。此种情况tanδ随温度的变化趋势和电介质损失率p随温度的变化趋势是一致的。

图4-14显示了极性电介质中损耗和频率的关系。低频下单位时间内偶极子转向次数少，极化过程中克服阻力造成的电介质损耗率p也小，随频率增加p增加。当频率很高时，偶极子转向已跟不上频率变化，电介质损耗率趋于恒定。

图4-13松香油的tanδ与温度的关系图4-14极性液体电介质中的损耗与频率的关系

在低频时弛豫极化得以充分发展，介电常数ε数值较大；当频率很高时弛豫极化跟不上电场变化，ε仅由位移极化决定，所以数值较小。

tano相当电场变动一个周期内的能量损失，即

由式（4-17）可得tanδ与p及f的关系，在频率极低时虽然p很小，但由于f极小，所以tanδ较大，但此时tanδ大并不意味电介质损耗大；以后随f的增加p急剧增加，p的增加比f的增加来得显著，所以tanδ是增加的；频率进一步增加，由于弛豫极化不易发展，p趋于恒定，由式（4-17）可看出，tanδ随f增加而下降。

5．讨论tanδ的意义

（1）选择绝缘材料

tanδ过大会引起绝缘电介质严重发热，甚至导致热击穿。例如用蓖麻油制造的电容器就因为tanδ大，而仅限于直流或脉冲电压下使用，不能用于交流电压下。

（2）在预防性试验中判断绝缘状况

如果绝缘材料受潮或劣化，tanδ将急剧上升，在预防性试验中可通过tanδ与U的关系曲线来判断是否发生局部放电。

（3）均匀加热

当tanδ大的材料需加热时，可对材料加交流（工频或高频）电压，利用材料本身电介质功率损耗的发热，这种方法加热非常均匀，如电瓷生产中对泥坯加热即用这种方法。