电介质的损耗

一、电介质的损耗

介质损耗是指绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。介质损耗也叫介质损失，简称介损。表征某种绝缘材料的介质损耗，一般不用W或J等单位来表示，而是用电介质中流过电流的有功分量和无功分量的比值来表示，即tanδ。tanδ与绝缘材料的性质有关，而与其结构、形状、几何尺寸等无关。介质损耗的功率P与外加电压的平方和电源频率成正比。介质损耗有电导损耗、游离损耗、极化损耗等形式。

1、电导损耗

电导损耗是指在电场作用下，电导电流使电介质发热产生的损耗。气体的电导损耗很小，液体、 固体中的电导损耗则与它们的结构有关。非极性的液体电介质、无机晶体和非极性有机电介质的介质损耗主要是电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，则主要由极化损耗和电导损耗组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰值。电导损耗实质上相当于交流、直流电流流过电阻做功。绝缘好时，液、 固电介质在工作电压下的电导损耗是很小的，与电导一样是随温度的增加而急剧增加的。

2、游离损耗

气体间隙中的电晕损耗和液、 固绝缘体中局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。电介质中局部电场集中处，当电场强度高于某一值时，就会产生游离放电，又称局部放电。电晕是在空气间隙中或固体绝缘体表面气体的局部放电现象。但这种放电现象不同于液、固体介质内部发生的局部放电。游离损耗只有在外加电压超过一定值时才会出现，且随电压升高而急剧增加。

3、极化损耗

发生缓慢极化，如松弛极化、空间电荷极化时，带电粒子在电场力的影响下因克服热运动而引起的能量损耗叫极化损耗。对于偶极子的电介质，在交变电场中偶极子随电场变化来回扭动，在电介质内部发生的摩擦损耗，也是极化损耗的一种形式。极化损耗与温度、 电场频率有关。

二、电介质的击穿

当施加在电介质上的电压超过某临界值时，则使通过电介质的电流剧增。电介质发生破坏或分解，直至电介质丧失固有的绝缘功能，这种现象叫做介质击穿。电介质发生击穿的临界电压称为击穿电压，击穿时的电场强度称为击穿场强。

1、气体电介质的击穿

加在气体电介质的电压超过气体饱和电流阶段之后，即进入电子碰撞游离阶段，带电质点在电场中获得巨大能量，使气体分子碰裂游离成正离子和电子。新形成的电子又在电场中积累能量去碰撞其他分子，使其游离，如此连锁反应，便形成电子崩。电子崩向阳极发展，形成一个具有高电导的通道，导致气体击穿。气体电介质击穿电压与气压、温度、电极形状及气隙距离等有关。

2、液体电介质的击穿

纯净的液体电介质击穿也是由于游离所引起。工程用的液体电介质多少总会有杂质，如工程用的变压器油击穿完全是由杂质所造成的。在电场作用下变压器油中的杂质如水泡、纤维等，聚集到两电极之间，被吸向电场较集中的区域，顺电场方向构成桥路，较大的电导电流使桥路发热，形成油和水分局部气化，生成的气泡也沿着电力线排列形成击穿。

3、固体电介质的击穿

固体电介质的击穿可分为电击穿、热击穿和电化学击穿三种形式。

1）电击穿

在强电场作用下，当电介质的带电质点剧烈运动发生碰撞游离的连锁反应时，就产生电子崩。当电场强度足够高时，电介质就会失去绝缘性能发生电击穿。电击穿的击穿电压随着电介质的厚度呈线性增加，与加压时的温度无关。电击穿的时间很短，一般以微秒计，其击穿电压较高，而击穿场强与电场均匀程度关系很大。

2）热击穿

在强电场作用下，由于电介质内部介质损耗而产生的热量，如果来不及散发出去，将使电介质内部温度升高，电阻变小，使电导电流进一步增大，介质损耗发热进一步增大，导致温度不断上升，引起电介质分解、炭化等。因此导致的电介质分子结构被破坏而发生的击穿称为热击穿。热击穿电压随着温度升高而下降。

3）电化学击穿

在强电场作用下，电介质内部包含的气泡首先发生碰撞游离而放电，杂质如水分也因受电场加热而汽化并产生气泡，于是气泡放电进一步发展，电介质发生化学变化，逐渐变质和劣化，最终丧失绝缘能力导致整个电介质击穿。电化学击穿与介质的电压作用时间、温度、电场均匀程度、累积效应、受潮、机械负荷等多种因素有关。电化学击穿强度低而且分散性较大。

4）固体电介质击穿往往是上述三种形式同时存在的。固体电介质的化学变化通常使其电导增加 ， 这会使介质的温度上升，因而电化学击穿的最终形式是热击穿。温度和电压作用时间对电击穿的影响小，对热击穿和电化学击穿的影响大；电场局部不均匀性对热击穿的影响小，对其他两种影响大。