电介质的基础知识

为了保证电气设备的安全可靠运行,定期进行设备绝缘的预防性试验是十分必要的。通过测量绝缘电阻、泄漏电流、介质损耗因素等非破坏性试验，以及必要时的交流耐压试验，能够及时发现和检查出设备绝缘的缺陷，进行检修处理，预防事故的发生。因此我们需要了解电气设备绝缘（电介质）的极化、电导、损耗和击穿等特性，以便提高、保证检修试验的水平和质量。

图1 直流电压下电介质中电流随时间变化规律示意图

由图可见，当直流电压加于电解质两端时，电路中的电流将随时间的增长而衰减，最后趋于一个稳定的数值。
当电气设备绝缘没有受潮，且表面又很清洁时，泄漏电流很小，吸收电流衰减较慢，总电流为图中曲线1 所示.如果电介质受、潮、脏污，有局部缺陷或变质劣化，那么泄漏电流将会显著增大，吸收电流加速衰减，使总电流变化平缓，如图中1'所示。利用电介质的这些特性，可以采用合适的试验方法来判断绝缘状况。
1. 电介质的电导。
    电导指物质的导电能力。对于纯电阻线路，电导与电阻的关系方程为G=1/R， 其中G为物体电导，导体的电阻越小，电导就越大，数值上等于电阻的倒数。单位是西门子，简称西，符号s。电导率的物理意义：电导率是物质传送电流的能力，是电阻率的倒数。电导率越大则导电性能越强，反之越小。实际的绝缘材料不可能绝对不导电。在外电场作用下，电介质中总是有一些带电质点（主要是离子）沿着电场方向 运动而形成电流，这就是泄漏电流。因此，电介质的绝缘电阻与泄漏电流的关系是R=U/IR。在绝缘材料中，气体电介质和液体电介质的电导不是主要问题，因此我们只介绍固体电介质（如云母、电瓷、纸）的电导。
固体电介质在外电场作用下，绝缘体本身和外表面都有泄漏电流流过，所以任何固体绝缘体都有一定的电导，可以分为体积电导和表面电导。
固体电介质的特性：固体电介质的电导分为离子电导和电子电导；电导率与温度成指数关系变化,因此对同一电气设备的绝缘电阻值进行比较时，应当注意温度的影响；吸收现象可以反映绝缘是否良好，如果绝缘中有杂质或者受潮严重，吸收电流衰减得快，吸收比小，绝缘干燥、良好，则吸收电流衰减得慢，吸收比就大。
  2. 电介质的极化。
    电介质的极化就是在电场作用下，电介质中的束缚电荷在相应于电场方向产生有限弹性位移的现象；或者极性分子沿电场方向作较有规律排列的现象。
电介质的极化有多种形式，按照极化过程是否消耗能量引起电介质发热分类，可以分为无损极化和有损极化两大类，无损极化有电子式极化和离子式极化，有损极化主要有偶极式极化和夹层式极化。夹层式极化过程很缓慢，并且伴随有能量损耗。在绝缘预防性试验中，经常利用夹层式极化现象，来判断绝缘是否良好。例如，水分浸入电介质后，使材料的介电系数增大，由于水的介电常数很大，同时水分能增强夹层式极化作用，因此，通过测量相对介电系数εr,就能判断电介质受潮程度。
3. 电介质的损耗。
    电介质在直流电压的作用下，由于没有周期性的极化过程，因此损耗只是由电介质的电导引起，用体积电阻率和表面电阻率两个物理量就可以反映这种损耗的大小。但是，在交流电场作用下，带点质点（电子、离子）的移动或极性分子的转向，必须从电场中吸收能量，除了电导损耗外，还有周期性的极化所引起的能量损耗。这些损耗是将电能不可逆转地转化为热能，引起电介质的发热。上述现象称为电介质的损耗。因此，电介质损耗可分为三种：电导损耗、极化损耗、游离损耗（在强电场作用下，如果固体电介质中含有气泡，当电场强度超过气泡的起始游离电场强度时，将产生因气泡的局部游离现象而造成的损耗，称为游离损耗。）当介质损耗超过正常的允许数值时，将会导致绝缘内部严重发热，引起电介质的热老化，甚至发生绝缘的热击穿。因此，电气设备绝缘的介质损耗应尽可能地保持最小数值。
用P来直接衡量介质损耗的大小是不方便的，这是因为P值与试验电压、试品尺寸等许多因数有关，对不同的试品难以进行比较，如果测量介质损耗时，采用一定数值的工频电压，则介质损耗P与试品的物理电容C_P及tgσ成正比。对一定结构的试品而言，电容C_P为定值，所以对于同类型的电气设备绝缘，其介质损耗的大小可以直接由tgσ决定，为此，称σ为介质损失角，tgσ为介质损失角正切值，称为介质损耗因数。
在电气设备绝缘结构中，经常采用不均匀结构的电介质。如电机绝缘中的云母制品，变压器、互感器、电容器等设备中广泛使用的油浸纸和胶纸绝缘。这些不均匀介质，通常由二种、三种或更多种成分组成。并联的不均匀电介质总的tgσ由电容量比较大的电介质的tgσ₁决定，而对电容量小的部分反映不灵敏。例如变压器本体与其套管绝缘就是这种情况，测量变压器本体的介损时，套管也包含在内，但主要反应了本体的介损。因此，在进行变压器介损试验时，对变压器本体及套管应分别单独测量。串联的不均匀电介质，总的tgσ由电容量比较小的电介质的tgσ₂决定，而对电容量大的部分反映不灵敏。如变压器绕组绝缘与变压器油即属此例，绕组绝缘的电容量比油的电容量小，所以测得的变压器介损主要反映绕组绝缘的介质损耗，如果绕组绝缘受潮，其介质损耗增大，可以通过测量变压器总体tgσ明显反映出来，对变压器油则需另外单独取油进行试验。
4. 测量tgσ的意义。
    (1) 电气设备中使用的电介质，要求它的tgσ愈小愈好。如果tgσ过大，会引起严重发热，使绝缘材料劣化，甚至导致热击穿。
(2) 在电气设备的交接和预防性试验中，测量tgσ是一个基本的试验项目。通过测量tgσ可以检查绝缘是否受潮、劣化、变质或有无杂质侵入。绝缘受潮后，tgσ将增大，介质损耗与温度的关系按指数规律变化，测试不同温度下的介损，可以非常灵敏地检测出绝缘受潮的程度；当绝缘劣化变质时，电导损耗和偶极损耗会急剧增大；水分、灰尘、导电性物质等杂质侵入后，也会使电介质的tgσ增大。
(3) 测量tgσ与电压U的关系，求出tgσ=f(U)的游离曲线，或者在不同电压下测量介质损耗因数的增量Δtgσ，可以用来判断设备绝缘内部是否含有空气隙，是否存在局部放电。