电介质的介质损耗及影响因素

电介质在交变电场作用下，一部分电能转化为热能的消耗称为介质损耗。

产生介质损耗的原因有，①聚合物中所含的引发剂、增塑剂、水分等杂质产生漏导电流，使部分电能转化为热能，称为欧姆损耗，这是引起非极性聚合物介质损耗的主要因素；②由于内摩擦阻力，偶极子转动取向滞后于交变电场的变化，偶极子受迫转动，吸收部分电能转化为热能，这是偶极损耗，它的大小决定于偶极极化的松弛特性，它是极性聚合物介质损耗的主要原因。

1.介质损耗表征

在一个没有介质损耗的理想真空电容器里（电容为C₀），电流I比电压U超前90°；在这样电容器里，电压升高，电容器充电，积累电能；当电压下降，电容器便将充入的电能全部释放出来。

如果将电介质引入这个电容器的两极板之间，当电介质有能量损耗，这时I与U之间相角差就为φ，低于90°，与理想状态时超前90°相差δ角，如图5-26所示。

图5-26 交变电场中电流与电压的向量图

将流过有电介质的电容电流I_介质分成两部分：一部分电流与电压同相位，相当于流过纯电阻的电流，用I_r表示；一部分电流与电压相位超前90°，相当于流过纯电容的电流，用I_C表示：

设有介质时电容C=ε^∗C₀，其中，ε^∗为复介电常数，在交变电场下，则流过有介质电容的电流：

定义ε^∗=ε′-iε″，ε′为复介电常数的实数部分，等于试验测得介电常数，ε″为复介电常数的虚数部分，则

与比较得

显然，I_C电流用于电容充电，能量储存在电容器内，I_r用于流过电容产生损耗。这表明有介质的电容器在电压升高时所积累的能量不能在电压降低时全部释放出来。有一部分被损耗掉了，这种损耗可用tgδ来表示。

δ称介质损耗角，也可用ε″来表示介质损耗的大小，称为介质损耗因数。且：

2.影响介质损耗的因素

1）分子结构的影响

决定高聚物介质损耗大小的内在原因，一个是高聚物极性的大小和极性基团的密度；另一个是极性基团的可动性。

高聚物分子极性越大，极性基团的密度越大，则介质损耗越大。非极性高聚物tgδ一般在10^-4数量级，而极性高聚物的tgδ一般在10^-2数量级。极性基团在分子链中位置不同影响也不同时，一般在侧链上的极性基团上较主链上的极性基团活动性大，影响也大些。部分高聚物的介质损耗见表5-10。

表5-10 部分高聚物的介质损耗

注：橡胶为10³Hz时的测定值，其余为50Hz时的测定值。

2）频率

在交变电场中，这种极化产生的介质损耗与频率关系相当复杂，理论分析得

从上式可见：

当ω→0时，也就是低频区域，ε′→ε₀（ε₀：直流电场中的介电常数），ε″→0。即一切极化都有充分时间，都跟得上电场的变化。因而介电常数达到最大值，介质损耗最小，几乎无损耗。(www.xing528.com)

当ω→∞，也就是在光频区域，则ε′→ε∞，ε″→0，由于频率太高，偶极子由于惯性，来不及随电场变化，只有电子极化和原子极化，因而ε′不大，损耗也很小。

在介电常数变化较快的频率范围区域，也称反常色散区域，对应ε′变化最快的一点（ωτ=1），ε″出现极大值：

温度升高时，ε″极大值移向高频，如图5-27所示。

关于介质在电场中极化讨论知道，不同的极化所需要的时间长短不同。随电场频率的增加，各种极化过程将在不同的频率范围内先后出现跟不上电场变化的情况，因而使ε″出现一个极值；相应地，由于各种极化过程先后不能完全进行而对介电常数不再有贡献，因而ε′出现一个阶梯形的降落（见图5-28）。

图5-27 频率对介电性能的影响t₁＜t₂＜t₃

图5-28 ε′（t），ε″（t）与ω的关系

图5-29 非极性高聚物的ε′（t）、ε″（t）与t的关系

1—聚丙烯 2—高密度聚乙烯 3—低密度聚乙烯 4—聚四氟乙烯

图5-30 EVA的ε′（t）、ε″（t）与t的关系

3）温度

对于非极性高聚物，介电常数随温度上升，略有下降，如图5-29所示。由于电子极化和原子极化均不受温度的影响。由于热膨胀，单位体积的极化减少。因此，随温度上升，介电常数ε略有下降。

对于极性高聚物，温度升高，高聚物的黏度随之改变，因而介质极化建立过程所需要的时间也起变化。对于一个固定频率，温度太低时，介质黏度过大，极化过程建立太慢，甚至偶极转向完全跟不上电场的变化，因此ε′小，ε″也小。随着温度的升高，介质的黏度减少，偶极可以随电场变化而转向，但又不完全跟得上，因此ε′增大，ε″也增大；当温度升高到足够高后，偶极转向已完全跟得上电场变化，因此ε′增至最大，而ε″变得小了。从图5-30可以看出，ε″在固定频率上与温度的关系，类似与在一定温度下ε″与频率的关系。

温度对取向极化有两种相反的作用，一方面温度升高，分子间相互作用减弱，黏度下降，偶极转向能够进行，使极化加强；另一方面，温度升高了，分子热运动加剧，对偶级取向干扰增大，反而不利于偶极取向，使极化减弱。因而极性高聚物的介电常数随温度的变化，要视这两个因素的消长而定。对一般高聚物来说，在温度不太高时，前者占主导地位，因而温度升高，介电常数升高，到一定温度后，后者影响超过前者，介电常数随温度升高，介电常数下降。

此外，造成介质损耗的另一个因素是漏导电流随温度上升按指数规律增加，因此当温度足够高时，它就可能成为主要的损耗了。

4）增塑剂

加入增塑剂，能使高聚物分子的活动性增强，使取向极化容易进行，相当于温度升高的效果。在频率不高时，增塑剂加入使介质损耗增加，如图5-31所示。

图5-31 增塑剂含量对PVC的ε′，ε″的影响

注：图中数值代表PVC中增塑剂的含量。

如果增塑剂是极性分子，它不但增加了高分子链的活动性，使原来取向速度加快，同时引入了新的偶极损耗，使得介质损耗增加更明显。

5）杂质

导电性杂质或极性杂质的存在，会增加高聚物的漏导电流和极化率，因而使介质损耗增大。特别是对于非极性高聚物来说，杂质成了引起介质损耗的主要原因。理论上说，纯净的非极性高聚物的介质损耗应该几乎是0的，但实际上几乎所有的高聚物tgδ都在10^-4以上。例如，低压聚乙烯，由于残存的引发剂，使介质损耗增大，当灰分含量从1.9%降至0.03%时，tgδ从14×10^-4降至3×10^-4。有报道说，质量浓度1×10^-3%的极性杂质，其tgδ已在10^-4左右。因此，为了得到介质损耗特别小的高聚物，必须谨慎选用各种添加剂，并在生产、加工和使用过程中，避免带入和注意消除杂质。

水是一种最常见，能明显增加介质损耗的极性杂质。它能以离子电导形式增加漏导电流，引起介质损耗；另一方面，它还可以以离子界面极化或偶极极化的形式增加介质损耗和介电常数。例如，聚乙酸乙烯酯与聚氯乙烯在干燥的条件下，介电性能相近，但由于聚乙酸乙烯酯吸湿性强，介质损耗增加，因此它不像聚氯乙烯那样广泛应用于电气工业。

在电力电缆的绝缘材料中，往往要求介质损耗尽量小，否则一方面会消耗较高的电能，另一方面还会引起材料发热，加速绝缘材料的老化，降低电缆使用寿命，所以在电力电缆中都使用介质损耗小的聚乙烯、聚氯乙烯、天然橡胶、丁苯橡胶、乙丙橡胶做绝缘材料。

但在高频焊接、高频加热方面，介质损耗就非常有意义了。