电气设备中，除了某些地方(如GIS设备)有采用气体作为绝缘外，广泛采用的是固体和液体电介质。这是因为固体、液体电介质的绝缘强度要比气体大许多，用它们作电气设备的内绝缘可以缩小结构尺寸；载流导体的支承需要固体电介质；液体电介质可兼作冷却与灭弧介质。然而，液体和固体电介质的击穿有各自的特点，与气体的击穿有很大的不同。本章讨论液体和固体电介质在电场强度较高时的击穿特性，以及在电场强度相对不是很高时，电介质中所发生的极化、电导和损耗物理过程，以及液体、固体电介质的老化问题。

第一节 电介质的极化

一、极化的概念与介质的相对介电系数

极化是电介质(气体、液体、固体绝缘介质)在电场作用(加上电压后)下发生物理过程的一种。虽此物理过程在介质内部进行，但我们可以通过此物理过程的外观表现来证实极化过程的存在。图2-1为两个平板电容器，它们的结构尺寸相同。图2-1(a)中的电容器极板间为真空，而图2-1(b)中的电容器极板间为固体电介质。我们知道，由于极间介质的不同，电容量是不同的，而且尺寸结构相同电容器，真空电容器的电容量是最小的，所以图2-1(b)电容器的电容量要大于图2-1(a)电容器的电容量，为什么电容量大呢？这就是用于固体电介质在电场作用下发生极化所致。

图2-1(a)中，在极板上施加直流电压U后，两极板上分别充有电荷量Q=Q₀的正、负电荷。此时

式中ε₀——真空的介电系数；

A——金属极板的面积；

d——极间距离；

C₀——极板间为真空时的电容量。

然后，在极间放入一块厚度与极间距离相等的固体电介质，就成为图2-1(b)所示的电容器，此时电容器的电容量变为C

式中 ε——固体电介质的介电系数。

放入固体电介质后，极板上的电荷量变成Q

Q=CU

由于C＞C₀，而U不变，所以Q＞Q₀。这表明放入固体电介质后，极板上的电荷量有所增加。通过下面的分析可看出这是由于固体电介质在极板之间的电场作用下发生了极化所导致。

电介质放入极板间，就要受到电场的作用，介质原子或分子结构中的正、负电荷在电场力的作用下产生位移，向两极分化，但仍束缚于原子或分子结构中而不能成为自由电荷。结果，在介质靠近极板的两表面呈现出与极板上电荷相反的电的性来，即靠近正极板的表面呈现负的电极性，靠近负极板的表面呈现正的电极性，这些仍保持在电介质内部的电荷称为束缚电荷。正由于靠近极板两表面出现了束缚电荷，根据异极性电荷相吸的规律，要从电源再吸取等量异极性电荷Q´到极板上，这就导致了Q=Q₀+ Q´＞Q₀。现在可以对电介质的极化下一定义：电介质中的带电质点在电场作用下沿电场方向作有限位移的现象称为极化。

对于上述平板电容器，放入的电介质不同，介质极化的强弱程度也不同，极板上的电荷量Q也不同，因此Q/ Q₀就表征在相同情况下不同介质极化的不同程度

ε_r称为电介质的相对介电系数，简称介电系数。它是表征电介质在电场作用下极化程度的物理量，其物理意义表示金属极板间放入电介质后电容量(或极板上的电荷量)比极板间为真空时的电容量(或极板上的电荷量)增大的倍数。

ε_r值山电介质的材料所决定。气体分子间的间距很大，密度很小，因此各种气体的ε_r均接近于1。常用的液体、固体介质的ε_r大多在2~6之间。不同电介质的ε_r值随温度、电源频率的变化规律一般是不同的。在工频电压下为20℃时，一些常用介质的ε_r如表2-1所示。

表2-1                常用电介质的介电系数和电导率

二、极化的基本形式

由于电介质分子结构的不同，极化过程所表现的形式也不同，极化的基本形式有以下四种。

1.电子式极化

图2-2为电子式化示意图，其中图2-2 (a)为极化前电介质的中性原子(假设只有一个电子)，图2-2(b)为极化后的原子，从图中可看出电子的运动轨道发生了变形，并相对于正电荷的原子核产生了位移。这样，负电荷的作用中心(椭圆的中心)与正出荷的作用中心不再重合，这种由电子位移所形成的极化就称为电子式极化。

这种极化的特点为：

(1)极化所需的时间极短，约为10^-15～10^-14s，这是由于电子质量极小的缘故。因此，这种极化在各种频率的外电场作用下均能产生，也就是说ε_r不随频率的改变而变化。

(2)极化时没有能量损耗，这种极化具有弹性，即在外电场去掉后，由于正、负电荷的相互吸引而自动恢复到原来的状态，所以极化过程中无能量损耗。

(3)温度对极化的影响极小。

2. 离子式极化

固体无机化合物(如云母、玻璃、陶瓷等)的分子结构多数展于离子式结构，其分子由正、负离子构成。在无外电场作用时，每个分子中正离子的作用中心(将所有正离子集中于此点时作用效果相同)与负离子的作用中心是重合的，故每个分子不呈现电的极件，如图2-3(a)所示。在外电场E作用下，正、负离子作有限的位移，使两者的作用中心不再重合，如图2-3(b)所示。这样，每个分子呈现电的正负极性。这种由正、负离子相对位移所形成的极化就称为离子式极化。

离子式极化的特点为：

(1)极化过程极短。约为10^-13~10^-12s，故极化(或ε_r值)不随频率的不同而变化。

(2)极化过程中无能量损耗，这是因这种极化也具有弹性性质。

(33温度对极化有影响。温度升高时，离子间的结合力减弱，使极化程度增加；而离子的密度则随温度的升高而减小，使极化程度降低。综合起来，前者影响大于后者，所以这种极化随温度升高而增强，即ε_r具有正的温度系数(ε_r值随温度升高而增大)。

3.偶极子式极化

有些电介质的分了，如蓖麻油、氯化联苯、松香、橡胶、胶木等等，在无外电场作用时，其正负电荷作用中心是不重合的，这些电介质称为极性电介质。组成这些极性介质的每一个分子成为一个偶极子（两个电荷极）。在没有外电场作用时，由于极子不停的热运动，拼列混乱，如图2-4(a)所示，故介质靠电极的两表面不呈现电的极性。在外电场作用下，偶极子受到电场力的作用而发生转向，顺电场方向作有规则的排列，如图2-4(b)所示，靠电极两表面呈现出电的极性。这种由于极性电介质偶极子分子的转向所形成的极化就称为偶极子式极化。

偶极子式极化的特点为：

(1)极化所时间较长。约为10^-10~10^-2s，故极化与频率有较大关系。频率很高时，由于偶极子的转向跟不上电场方向的改变，因而极化减弱。

(2)极化过程中有能量损耗。这种极化属非弹性，偶极了在转向时要克服分子间的吸引力和摩摩力而要消耗能量。

(3)温度对偶极子极化的影很大。温度高时，分子热运动妨碍偶极子顺电场方向排列的作用明显，极化减弱；温度很低时，分子间联系紧密，偶极了转向困难，极化也减弱。以氯化联苯为例，其ε_r、f、t三者的关系如图2-5所示。

4.空间电荷极化

在实际中，高压电气设备的绝缘采用几种不同电介质组成复合绝缘。即便是采用单一电介质，由于不均勾，也可以看成是由几种不同电介质组成，所以讨论这种夹层情况下的空间电荷极化更具现实意义。

下面以平行平板电极的双层电介质为例来说明夹层式极化的过程。如图2-6(a)所示，当开关S合上，两电介质在电场作用下都要发生极化。根据电压的极性，在两电介质交界面的介质Ⅰ侧，积聚正束缚电荷，交界面的介质Ⅱ侧积聚负束缚电荷。由于两电介质的不同，极化程度也不同，故交界面处积聚的异号电荷不相等，例如介质Ⅰ下部边缘处积聚的正电荷比介质Ⅱ上部边缘处积聚的负电荷多的话，则在两介质交界面处显示出正的电极性来。我们将这种使夹层电介质分界面上出现电荷积聚的过程称为夹层式极化。夹层式极化过程是很缓慢的，也就是说经过一缓慢过程后，夹层介质的分界面上才呈现出某种电荷的极性来。

夹层式极化的具体过程可用图2-6(b)所示的等值电路来解释。在等值电路中，C₁、C₂、G₁、G₂分别为介质Ⅰ和介质Ⅱ的等值电容和电导，为了说明的简便，全部参数只标数值，略去单位.设

C₁=1，C₂=2，G₁=2，G₂=1，U=3

开关S在t=0时合上，电压突然从零升至U作用在两电介质上，这相当于施加一很高率的电压，故此时两电介质上的电压按电容成反比分配(由于容抗远小于电阻)，即

由于u₁+u₂=U=3，所以

此时两等值电容上电荷分别为

总等值电容为

这表明加压瞬间，两电介质分界面上的正、负电荷相当，并不呈现电的极性。

之后，出现夹层极化过程。当夹层极化过程结束，即图2-6(b)的等值电路合闸后达到稳态(理论上为t→∞)，此时两介质上的电压按电导反比分压(由于电流全流过电导)，即

由于u₁+u₂=U=3，所以

此时两等值电容上电荷分别为

总等值电容为

由此可见，由于夹层式极化，使两电介质分界面上的正、负电荷不相等(在此例中夹层分界面上呈现+3电的极性)以及等值电容的增大。

对于这个例子，夹层式极化过程就是C₁上电压从2降至1，C₂上电压从1升至2的过程。而这种电压的升降都是通过G₁、G₂进行的。由于电介质的电导非常小(电阻非常大)，则对应的时间常数(RC)非常大，这就是为什么夹层极化过程非常缓慢的缘故，一般为几秒到几十分钟，甚至有长达几小时的，因此这种极化只有在频率不高时才有意义。显然，夹层极化过程中有能量损耗。

既然分界面上电荷的积聚过程是缓慢的，那么此电荷的释放过程也将是缓慢的，为此，具有夹层绝缘的设备断开电源后，应短接进行放电以免危及人身安全，大容量电容器不加电压时要短接即为此原因。

了解电介质的极化，在工程上是很有意义的。例如，选择电容器中的绝缘材料时，选ε_r大的材料，这样电容器单位电容量的体积和质量都可减小。而选择其他电气设备绝缘材料时，一般希望ε_r小一些，例加选用ε_r小一些的材料作交流电力电缆的绝缘可减小电缆工作时的充电电流以及因极化引起的发热损耗。由于多种电介质串联时，各电介质中的电场强度与它们的介电系数ε_r成反比，因此在几种绝缘材料组合使用时，要注意各绝缘介员ε_r值的合理分配，以使各绝缘介质层中的电场强度尽均匀分布。