電介質(zhì)的損耗

1、第二節(jié) 電介質(zhì)的損耗 作用下的能量損耗，由電能轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问降哪?，如熱能、光能等，統(tǒng)稱為介質(zhì)損耗。它是導(dǎo)致電介質(zhì)發(fā)生熱擊穿的根源。電介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)消耗的能量稱為電介質(zhì)損耗功率，簡稱電介質(zhì)損耗。 1 損耗的形式 電導(dǎo)損耗 ： 在電場作用下，介質(zhì)中會(huì)有泄漏電流流過，引起電導(dǎo)損耗。氣體的電導(dǎo)損耗很小，而液體、固體中的電導(dǎo)損耗則與它們的結(jié)構(gòu)有關(guān)。非極性的液體電介質(zhì)、無機(jī)晶體和非極性有機(jī)電介質(zhì)的介質(zhì)損耗主要是電導(dǎo)損耗。而在極性電介質(zhì)及結(jié)構(gòu)不緊密的離子固體電介質(zhì)中，則主要由極化損耗和電導(dǎo)損耗組成。它們的介質(zhì)損耗較大，并在一定溫度和頻率上出現(xiàn)峰值。 電導(dǎo)損耗，實(shí)質(zhì)是相當(dāng)于交流、直流電流流過電阻做功，故在這

2、兩種條件下都有電導(dǎo)損耗。絕緣好時(shí)，液、固電介質(zhì)在工作電壓下的電導(dǎo)損耗是很小的，與電導(dǎo)一樣，是隨溫度的增加而急劇增加的。 極化損耗 ： 只有緩慢極化過程才會(huì)引起能量損耗，如偶極子的極化損耗。它與溫度有關(guān)，也與電場的頻率有關(guān)。極化損耗與溫度、電場頻率有關(guān)。在某種溫度或某種頻率下，損耗都有最大值。用 tg 來表征電介質(zhì)在交流電場下的損耗特征。 游離損耗 ： 氣體間隙中的電暈損耗和液、固絕緣體中局部放電引起的功率損耗稱為游離損耗。電暈是在空氣間隙中或固體絕緣體表面氣體的局部放電現(xiàn)象。但這種放電現(xiàn)象不同于液、固體介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生的局部放電。即局部放電是指液、固體絕緣間隙中，導(dǎo)體間的絕緣材料局部形成“橋路”的

3、一種電氣放電，這種局部放電可能與導(dǎo)體接觸或不接觸。這種損耗稱為電暈損耗。 2 介質(zhì)損耗的表示方法 在理想電容器中，電壓與電流強(qiáng)度成 90o ，在真實(shí)電介質(zhì)中，由于 GU 分量，而不是 90o 。此時(shí)，合成電流為： ； 故定義： 為復(fù)電導(dǎo)率 復(fù)介電常數(shù) 損耗角的定義： 只要電導(dǎo) ( 或損耗 ) 不完全由自由電荷產(chǎn)生，那么電導(dǎo)率本身就是一個(gè)依賴于頻率的復(fù)量，故實(shí)部 * 不是精確地等于，虛部也不是精確地等于 。復(fù)介電常數(shù)最普通的表示方式是： 、 都是領(lǐng)帶依賴于頻率的量，所以： 3 介質(zhì)損耗和頻率、溫度、濕度的關(guān)系 1) 頻率的影響 （ 1 ）當(dāng)外加電場頻率很低，即 0 時(shí)，介質(zhì)的各種極化都能跟上外加

4、電場的變化，此時(shí)不存在極化損耗，介電常數(shù)達(dá)最大值。介電損耗主要由漏導(dǎo)引起， P W 和頻率無關(guān)。 tg=/ ，則當(dāng) 0 時(shí)， tg 。隨著 的升高， tg 減小。 （ 2 ）當(dāng)外加電場頻率逐漸升高時(shí)，松弛極化在某一頻率開始跟不上外電場的變化，松弛極化對介電常數(shù)的貢獻(xiàn)逐漸減小，因而 r 隨 升高而減少。在這一頻率范圍內(nèi)，由于 1 ，故 tg 隨 升高而增大，同時(shí) Pw 也增大。 (3) 當(dāng) 很高時(shí)， r ，介電常數(shù)僅由位移極化決定， r 趨于最小值。此時(shí)由于 1 ，此時(shí) tg 隨 升高而減小。 時(shí)， tg0 。 從圖可看出，在 m 下， tg 達(dá)最大值， m 可由下式求出： tg 的最大值主要由

5、松弛過程決定。如果介質(zhì)電導(dǎo)顯著變大，則 tg 的最大值變得平坦，最后在很大的電導(dǎo)下， tg 無最大值，主要表現(xiàn)為電導(dǎo)損耗特征： tg 與 成反比，如圖 2 ）溫度的影響 溫度對松弛極化產(chǎn)生影響，因而 P ， 和 tg 與溫度關(guān)系很大。松弛極化隨溫度升高而增加，此時(shí)，離子間易發(fā)生移動(dòng)，松弛時(shí)間常數(shù) 減小。 （ 1 ）當(dāng)溫度很低時(shí) , 較大，由德拜關(guān)系式可知， r 較小， tg 也較小。此時(shí)，由于 ， ， ，故在此溫度范圍內(nèi)，隨溫度上升， 減小， r 、 tg 和 P W 上升。 （ 2 ）當(dāng)溫度較高時(shí)， 較小，此時(shí) ，因而 在此溫度范圍內(nèi)，隨溫度上升， 減小， tg 減小。這時(shí)電導(dǎo)上升并不明顯，

6、所以 P W 主要決定于極化過程， P W 也隨溫度上升而減小。 由此看出，在某一溫度 T m 下， P W 和 tg 有極大值，如左圖。 （ 3 ）當(dāng)溫度繼續(xù)升高，達(dá)到很大值時(shí)，離子熱運(yùn)動(dòng)能量很大，離子在電場作用下的定向遷移受到熱運(yùn)動(dòng)的阻礙，因而極化減弱， r 下降。此時(shí)電導(dǎo)損耗劇烈上升， tg 也隨溫度上升急劇上升。 比較不同頻率下的 tg 與溫度的關(guān)系，可以看出，高頻下， T m 點(diǎn)向高溫方向移動(dòng)。 根據(jù)以上分析可以看出，如果介質(zhì)的貫穿電導(dǎo)很小，則松弛極化介質(zhì)損耗的特征是： tg 在與頻率、溫度的關(guān)系曲線中出現(xiàn)極大值。 3 ）濕度的影響 介質(zhì)吸潮后，介電常數(shù)會(huì)增加，但比電導(dǎo)的增加要慢，由

7、于電導(dǎo)損耗增大以及松馳極化損耗增加，而使 tg 增大。對于極性電介質(zhì)或多孔材料來說，這種影響特別突出，如，紙內(nèi)水分含量從 4 增加到 10 時(shí)，其 tg 可增加 100 倍。 4 無機(jī)介質(zhì)的損耗 1) 無機(jī)材料還有兩種損耗形式：電離損耗和結(jié)構(gòu)損耗。 a) 電離損耗 主要發(fā)生在含有氣相的材料中。它們在外電場強(qiáng)度超過了氣孔內(nèi)氣體電離所需要的電場強(qiáng)度時(shí)，由于氣體電離而吸收能量，造成損耗，即電離損耗。其損耗功率可以用下式近似計(jì)算： 式中 A 為常數(shù)， 為頻率， U 為外施電壓。 U 0 為氣體的電離電壓。該式只有在 U U 0 時(shí)才適用，此時(shí)，當(dāng) UU 0 ， tg 劇烈增大。 固體電介質(zhì)內(nèi)氣孔引起的

8、電離損耗，可能導(dǎo)致整個(gè)介質(zhì)的熱破壞和化學(xué)破壞，應(yīng)盡量避免。 b) 結(jié)構(gòu)損耗 是在高頻、低溫下，與介質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗。結(jié)構(gòu)損耗與溫度的關(guān)系很小，損耗功率隨頻率升高而增大，但 tg 則和頻率無關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，結(jié)構(gòu)緊密的晶體或玻璃體的結(jié)構(gòu)損耗都是很小的，但是當(dāng)某些原因（如雜質(zhì)的摻入，試樣經(jīng)淬火急冷的熱處理等）使它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)變松散了，會(huì)使結(jié)構(gòu)損耗大為提高。 一般材料，在高溫、低頻下，主要為電導(dǎo)損耗，在常溫、高頻下，主要為松弛極化損耗，在高頻、低溫下主要為結(jié)構(gòu)損耗。 2) 離子晶體的損耗 根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的緊密程度，離子晶體可以分為結(jié)構(gòu)緊密的晶體和結(jié)構(gòu)不緊密的離子晶體。 前者離子都堆積得

9、十分緊密，排列很有規(guī)則，離子鍵強(qiáng)度比較大，如 -Al 2 O 3 、鎂橄欖石晶體，在外電場作用下很難發(fā)生離子松弛極化（除非有嚴(yán)重的點(diǎn)缺陷存在），只有電子式和離子式的彈性位移極化，所以無極化損耗，僅有的一點(diǎn)損耗是由漏導(dǎo)引起（包括本征電導(dǎo)和少量雜質(zhì)引起的雜質(zhì)電導(dǎo)）。在常溫下熱缺陷很少，因而損耗也很小。這類晶體的介質(zhì)損耗功率與頻率無關(guān)。 tg 隨頻率的升高而降低。因此以這類晶體為主晶相的陶瓷往往用在高頻的場合。如剛玉瓷、滑石瓷、金紅石瓷、鎂橄欖石瓷等，它們的 tg 隨溫度的變化呈現(xiàn)出電導(dǎo)損耗的特征。 后者如電瓷中的莫來石（ 3Al 2 O 3 .2SiO 2 ) 、耐熱性瓷中的堇青石（ 2MgO2A

10、l 2 O 3 5SiO 2 ）等，這類晶體的內(nèi)部有較大的空隙或晶格畸變，含有缺陷或較多的雜質(zhì)，離子的活動(dòng)范圍擴(kuò)大。在外電場作用下，晶體中的弱聯(lián)系離子有可能貫穿電極運(yùn)動(dòng)（包括接力式的運(yùn)動(dòng)） , 產(chǎn)生電導(dǎo)損耗。弱聯(lián)系離子也可能在一定范圍內(nèi)來回運(yùn)動(dòng)，形成熱離子松弛，出現(xiàn)極化損耗。所以這類晶體的損耗較大，由這類晶體作主晶相的陶瓷材料不適用于高頻，只能應(yīng)用于低頻。 另外，如果兩種晶體生成固溶體，則因或多或少帶來各種點(diǎn)陣畸變和結(jié)構(gòu)缺陷，通常有較大的損耗，并且有可能在某一比例時(shí)達(dá)到很大的數(shù)值，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過兩種原始組分的損耗。例如 ZrO 2 和 MgO 的原始性能都很好，但將兩者混合燒結(jié)， MgO 溶進(jìn) Zr

11、O 2 中生成氧離子不足的缺位固溶體后，使損耗大大增加，當(dāng) MgO 含量約為 25mol 時(shí)，損耗有極大值。 3) 玻璃的損耗 復(fù)雜玻璃中的介質(zhì)損耗主要包括三個(gè)部分：電導(dǎo)損耗、松弛損耗和結(jié)構(gòu)損耗。哪一種損耗占優(yōu)勢，決定于外界因素 溫度和外加電壓的頻率。高頻和高溫下，電導(dǎo)損耗占優(yōu)勢；在高頻下，主要的是由聯(lián)系弱的離子在有限范圍內(nèi)的移動(dòng)造成的松弛損耗；在高頻和低溫下，主要是結(jié)構(gòu)損耗，其損耗機(jī)理目前還不清楚，大概與結(jié)構(gòu)的緊密程度有關(guān)。 一般簡單純玻璃的損耗都是很小的，這是因?yàn)楹唵尾Ａе械摹胺肿印苯咏?guī)則的排列，結(jié)構(gòu)緊密，沒有聯(lián)系弱的松弛離子。在純玻璃中加入堿金屬氧化物后，介質(zhì)損耗大大增加，并且損耗隨堿

12、性氧化物濃度的增大按指數(shù)增大。這是因?yàn)閴A性氧化物進(jìn)入玻璃的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)后，使離子所在處點(diǎn)陣受到破壞。因此，玻璃中堿性氧化物濃度愈大，玻璃結(jié)構(gòu)就愈疏松，離子就有可能發(fā)生移動(dòng)，造成電導(dǎo)損耗和松弛損耗，使總的損耗增大。 在玻璃電導(dǎo)中出現(xiàn)的 “ 雙堿效應(yīng) ” （中和效應(yīng)）和 “ 壓堿效應(yīng) ” （壓抑效應(yīng)）在玻璃的介質(zhì)損耗方面也同樣存在，即當(dāng)堿離子的總濃度不變時(shí)，由兩種堿性氧化物組成的玻璃， tg 大大降低，而且有一最佳的比值。 左圖表示 Na 2 O K 2 O B 2 O 3 系玻璃的 tg 與組成的關(guān)系，其中 B 2 O3 數(shù)量為 100 ， N 離子和 K 離子的總量為 60 。當(dāng)兩種堿同時(shí)存在時(shí)，

13、 tg 總是降低，而最佳比值約為等分子比。這可能是兩種堿性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶結(jié)構(gòu)，玻璃由不同結(jié)構(gòu)的微晶所組成?？梢栽O(shè)想，在堿性氧化物的一定比值下，形成的化合物中，離子與主體結(jié)構(gòu)較強(qiáng)地固定著，實(shí)際上不參加引起介質(zhì)損耗的過程；在離開最佳比值的情況下，一部分堿金屬離子位于微晶的外面，即在結(jié)構(gòu)的不緊密處，使介質(zhì)損耗增大。 在含堿玻璃中加入二價(jià)金屬氧化物，特別是重金屬氧化物時(shí)，壓抑效應(yīng)特別明顯。因?yàn)槎r(jià)離子有二個(gè)鍵能使松弛的堿玻璃的結(jié)構(gòu)網(wǎng)鞏固起來，減少松弛極化作用，因而使 tg 降低。例如含有大量 PbO 及 BaO ，少量堿的電容器玻璃，在 110 6 赫時(shí)， tg 為 610 4 910

14、 4 。制造玻璃釉電容器的玻璃含有大量 PbO 和 BaO ， tg 可降低到 410 4 ，并且可使用到 250 的高溫。 4) 陶瓷材料的損耗 主要是電導(dǎo)損耗、松弛質(zhì)點(diǎn)的極化損耗及結(jié)構(gòu)損耗。此外，表面氣孔吸附水分、油污及灰塵等造成表面電導(dǎo)也會(huì)引起較大的損耗。 以結(jié)構(gòu)緊密的離子晶體為主晶相的陶瓷材料，損耗主要來源于玻璃相。為了改善某些陶瓷的工藝性能，往往在配方中引入一些易熔物質(zhì)（如粘土），形成玻璃相，這樣就使損耗增大。如滑石瓷、尖晶石瓷隨粘土含量的增大，其損耗也增大。因而一般高頻瓷，如氧化鋁瓷、金紅石等很少含有玻璃相。 大多數(shù)電工陶瓷的離子松弛極化損耗較大，主要原因是：主晶相結(jié)構(gòu)松散，生成了

15、缺陷固溶體，多晶形轉(zhuǎn)變等。 如果陶瓷材料中含有可變價(jià)離子，如含鈦陶瓷，往往具有顯著的電子松弛極化損耗。 因此，陶瓷材料的介質(zhì)損耗是不能只按照瓷料成分中純化合物的性能來推測的。在陶瓷燒結(jié)過程中，除了基本物理化學(xué)過程外，還會(huì)形成玻璃相和各種固溶體。固溶體的電性能可能不亞于，也可能不如各組成成分。這是在估計(jì)陶瓷材料的損耗時(shí)必須考慮的。 總之，介質(zhì)損耗是介質(zhì)的電導(dǎo)和松弛極化引起的電導(dǎo)和極化過程中帶電質(zhì)點(diǎn)（弱束縛電子和弱聯(lián)系離子，并包括空穴和缺位）移動(dòng)時(shí)，將它在電場中所吸收的能量部分地傳給周圍“分子”，使電磁場能量轉(zhuǎn)變?yōu)椤胺肿印钡臒嵴駝?dòng)，能量消耗在使電介質(zhì)發(fā)熱效應(yīng)上。 5) 降低材料的介質(zhì)損耗的方法 降

16、低材料的介質(zhì)損耗應(yīng)從考慮降低材料的電導(dǎo)損耗和極化損耗入手。 （ 1 ）選擇合適的主晶相：盡量選擇結(jié)構(gòu)緊密的晶體作為主晶相。 （ 2 ）改善主晶相性能時(shí)，盡量避免產(chǎn)生缺位固溶體或填隙固溶體，最好形成連續(xù)固溶體。這樣弱聯(lián)系離子少，可避免損耗顯著增大。 (3) 盡量減少玻璃相。有較多玻璃相時(shí)，應(yīng)采用 “ 中和效應(yīng) ” 和 “ 壓抑效應(yīng) ” ，以降低玻璃相的損耗。 (4 ）防止產(chǎn)生多晶轉(zhuǎn)變，因?yàn)槎嗑мD(zhuǎn)變時(shí)晶格缺陷多，電性能下降，損耗增加。如滑石轉(zhuǎn)變?yōu)樵B輝石時(shí)析出游離方石英 Mg 3 （ Si 4 O 10 ）（ OH ） 2 一 3 （ MgOSiO 2 ） SiO 2 十 H 2 O 游離方石英在高溫下會(huì)發(fā)生晶形轉(zhuǎn)變產(chǎn)生體積效應(yīng)，使材料不穩(wěn)