1、一、电介质的极化现象将平行平板电容器放在密闭容器中，极间抽成真空，然后在极板上施加直流电压 U，这时极板上聚积有正、负电荷，其电荷量为 Q0，然后把一块固体介质(厚度与极间距离相等) 放在极间，施加同样的电压，就可以发现极板上的电荷增加到 Q0Q 。这是由电介质极化现象造成的：即在外施电场作用下，此固体介质中原来彼此中和的正、负电荷产生了位移，形成电矩，使介质表面出现束缚电荷，相应地便在极板上另外吸住了一部分电荷 Q，所以极板上电荷增多，并造成电容量的增加。平行平板电容器在真空中的电容量为：dAUC二、电介质的极化类型1、电子式极化 如图 1 所示，当物质原子里的电子轨道受到外电场的作用时，它
2、相对于原子核发生位移而形成极化，这就是电子极化。电子极化存在于一切气体、液体及固体介质中。其特点为：(1)形成极化所需时间极短，故 r不受频率变化影响。(2)具有弹性，当外加电场去掉后，依靠正、负电荷间的吸引力，作用中心又马上会重合在一起而整个呈现非极性，所以这种极化没有损耗。dE图 1 电子式极化2、离子式极化 固体无机化合物多数属于离子式结构。无外电场时，大量离子对的偶极距相互抵消，故平均偶极距为零，如图 2(a)所示。在外电场作用下，正、负离子发生偏移，使平均偶极距不在为零，介质呈现极化，如图 2(b)所示。离子式极化也属于弹性极化，几乎没有损耗；形成极化所需时间也很短，所以在一般使用的
3、频率范围内，可以认为 r 与频率无关。温度对离子式极化的影响，存在着相反的两种因素：即离子间结合力随温度上升而降低，使极化程度增加；另一方面，离子密度随着温度升高而减少，使极化程度降低。通常前一种因素影响较大，所以其 r 一般具有正温度系数。介 质电 极电 极UU图 2 离子式极化示意图(a) 无外电场时图 2 离子式极化示意图(b) 有外电场时3、偶极子极化 偶极子是一种特殊的分子，它的正、负电荷的作用中心不相重合，好像分子的一端带正电荷、另一端带负电荷似的，因而形成一个永久性的偶极距。具有这种永久性偶极子的电介质称为极性电介质。当没有外电场时，单个的偶极子虽然具有极性，但各个偶极子均处在不
4、停的热运动中，分布非常混乱，对外作用相互抵消，因此整个介质对外并不呈现极性，如图 3(a)。在外电场作用下，原来混乱分布的极性分子顺电场方向定向排列，如图 3(b)，因而显示出极性。介质（极性 分 子）电 极电 极UU图 3 离子式极化示意图(a) 无外电场时图 3 离子式极化示意图(b) 无外电场时偶极子极化是非弹性的，极性时消耗的电场能量在复原时不可能收回；极化所需时间也较长。因此极性介质的 r 与频率有较大关系，频率很高时偶极子来不及转动，因而其 r 减小。温度对极性介质的 r 有很大影响。温度高时，分子热运动加剧，妨碍它们沿电场方向取向，这使极化减弱，所以极性气体介质常具有负温度系数。
5、但对于固体、液体介质则情况有所不同，温度过低时，由于分子联系紧，分子难以转向，所以 r 也变小。所以极性固体、液体介质的 r 在低温下先随温度的升高而增加，以后当热运动变的较强烈时， r 又随温度上升而减小。4、夹层介质界面极化 上面介绍的均是单一均匀介质的情况。实际上高压设备绝缘往往由几种不同的材料组成，或介质是不均匀的，这种情况下会产生“夹层介质界面极化”现象。这种极化特别慢，而且伴随有能量的损失。U1U2C1C2G2G1图 4 夹层介质界面极化现象在 S1 刚合闸的瞬间，两层之间的电压分配与各层的电容成反比，即12021CUt达到稳态时，各层上分到的电压与电导成反比，即1221Gt如果是
6、单一均匀介质，即介电常数 1 2，电导率 1 2，则ttU2102如果介质不均匀，则tt21021所以 S1 合闸以后，两介质之间有一个电压重新分配的过程，也就是说，C 1、C 2上的电荷要重新分配，设 C1 C2 而 G1 U2。这样。在 t0 后，随着时间 t 的增加， U2 逐渐下降，因为U1 U2U 为一定值，故 U1 逐渐增大。C 2 上一部分电荷要通过 G2 放掉，而 C1则要从电源再吸收一部分电荷，称为吸收电荷。由于有夹层的存在使整个介质的等值电容增大，损耗也增大。5、空间电荷极化 介质内的正、负自由离子在电场作用下改变分布状况时，将在电极附近形成空间电荷，称为空间电荷极化。它和
7、夹层界面极化一样都是缓慢进行的，所以在交流电场中，在低频至超低频阶段这种现象存在，而在高频时因空间电荷来不及移动，就没有这种现象。三、讨论电介质极化的意义1、材料的介质损耗与极化类型有关，而介质损耗是影响绝缘劣化和热击穿的一个重要因素。2、夹层介质界面极化现象在绝缘预防性试验中可用来判断绝缘受潮情况。四、电介质损耗及介质损耗角正切从前面介绍的电介质的极化和电导可以看出，介质在电压作用下有能量的损耗。一种是由电导引起的损耗；另一种是由某种极化引起的损耗，如夹层介质界面极化、极性介质中的偶极子转向极化等。电介质的能量损耗称为介质损耗。在交流电压下，介质两端施加电压 U，由于介质中有损耗，所以电流
8、I 不是纯粹的电容电流，而是包含有功和无功两个分量 Ir 及 Ic，即crI所以电源供给的视在功率为 ，由功率三角形可crjjQPS知，介质损耗 。用介质损耗来表示介质品质的好Ctgt2坏是不方便的，因为 P 值和试验电压、试品尺寸等因素有关，不同试品间难以相互比较。所以改用介质损耗角正切tg 来判断介质的品质。它仅取决于材料的特性而与材料尺寸无关。有损失介质可以用图 5 所示的串联等值电路或并联等值电路表示，对与图 5(a)的并联等值电路，从相量图中可以看出RCUtgpp1/tgCURPp22对于图 5(b)的串联电路，从相量图中也可以看出rItgSS/222222 1)/(tgCrPSSI
9、UCpRUIRICIIUCSrUcIUUr图 5 有损介质的等值电路和向量图(a) 并联等值电路图 5 有损介质的等值电路和向量图(b) 串联等值电路如果损耗主要是由电导引起的，则应用并联等值电路，如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻等引起的，则应用串联等值电路。实际上电导损耗和极化损耗都是存在的，可用三个并联支路的等值回路来表示，如图 6 所示。图 6 不均匀介质的等值电路五、改变频率法测量介质损耗 这种方法是采用与本地区电网频率不同的另一种频率的电源作为试验电源，测量强电场干扰下电力设备的介质损耗因数，其原理如图 7 所示，采用测量电路分别测量和提取试品以及标准电容的电流 Ix 和IN，然后比较试品电流 Ix 和标准电流 IN 之间的相位差，通过幅值计算和角差计算得到电容量和介质损耗因素。UIUIIxINCN指示 器CxR图 7 变频法测量介损原理
