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1、第二节 电介质的损耗作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能，如热能、光能等，统称为介质损耗。它是导致电介质发 生热击穿的根源。电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损耗功率，简称电介质损耗。1 损耗的形式 电导损耗 ：在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。气体的电导损耗很小，而液体、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，实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这
2、两种条件下都有电导损耗。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。 极化损耗 ：只有缓慢极化过程才会引起能量损耗，如偶极子的极化损耗。它与温度有关，也与电场的频率有关。极化 损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。用tg 5来表征电介质在交流电 场下的损耗特征。 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。即局部 放电是指液、固体绝缘间隙中，导体间的绝缘材料局部形成“桥路
3、”的一种电气放电，这种局部放电可能与 导体接触或不接触。这种损耗称为电晕损耗。2 介质损耗的表示方法在理想电容器中，电压与电流强度成90o，在真实电介质中，由于GU分量，而不是90o。此时，合成1= +电流为：j = (ie + G)E _=icoEH.复介电常数只要电导（或损耗）不完全由自由电荷产生，那么电导率O本身就是一个依赖于频率的复量，故实部8 *HF 二 i*1不是精确地等于8,虚部也不是精确地等于。复介电常数最普通的表示方式是：tg8=.8 、8 ”都是领带依赖于频率的量，所以：3 介质损耗和频率、温度、湿度的关系1） 频率的影响（1 ）当外加电场频率很低，即3-0时，介质的各种极
4、化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化 损耗，介电常数达最大值。介电损耗主要由漏导引起，P W和频率无关。tg5=5/8，则当3-0时， tgg。随着3的升高，tg5减小。（ 2 ）当外加电场频率逐渐升高时，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数 的贡献逐渐减小，因而8 r随3升高而减少。在这一频率范围内，由于3T 1，此 时tg5随3升高而减小。3g时，tg50 。从图可看出，在3 m下，tg5达最大值，3 m可由下式求出: tg5的最大值主要由松弛过程决定。如果介质电导显著变大，则tg5的最大值变得平坦，最后在很大的电 导下，tg5无最大值，主要表现为电导损耗特征：
5、tg5与3成反比，如图2 ）温度的影响温度对松弛极化产生影响，因而P，8和tg5与温度关系很大。松弛极化随温度升高而增加，此时，离子间易发生移动，松弛时间常数T减小。(1 )当温度很低时,t较大，由德拜关系式可知，s r较小，tg5也较小。此时，由于，映讣/，故在此温度范围内，随温度上升，t减小，s r、tg5和P W上升。谨氏：嶷1(2 )当温度较高时，T较小，此时，因而,.s = 0)-pcOT =耳oQT呃+巳評吩U 0 ， tg5 剧烈增大。固体电介质内气孔引起的电离损耗，可能导致整个介质的热破坏和化学破坏，应尽量避免。b） 结构损耗是在高频、低温下，与介质内部结构的紧密程度密切相关的
6、介质损耗。结构损耗与温度的关系很小，损耗 功率随频率升高而增大，但tg5则和频率无关。实验表明，结构紧密的晶体或玻璃体的结构损耗都是很小 的，但是当某些原因（如杂质的掺入，试样经淬火急冷的热处理等）使它的内部结构变松散了，会使结构 损耗大为提高。一般材料，在高温、低频下，主要为电导损耗，在常温、高频下，主要为松弛极化损耗，在高频、低温下 主要为结构损耗。2）离子晶体的损耗根据内部结构的紧密程度，离子晶体可以分为结构紧密的晶体和结构不紧密的离子晶体。前者离子都堆积得十分紧密，排列很有规则，离子键强度比较大，如a-Al 2 O 3、镁橄榄石晶体，在外电 场作用下很难发生离子松弛极化（除非有严重的点
7、缺陷存在），只有电子式和离子式的弹性位移极化，所 以无极化损耗，仅有的一点损耗是由漏导引起（包括本征电导和少量杂质引起的杂质电导）。在常温下热 缺陷很少，因而损耗也很小。这类晶体的介质损耗功率与频率无关。tg5随频率的升高而降低。因此以这 类晶体为主晶相的陶瓷往往用在高频的场合。如刚玉瓷、滑石瓷、金红石瓷、镁橄榄石瓷等，它们的tg5随 温度的变化呈现出电导损耗的特征。后者如电瓷中的莫来石（3A1 2 O 3 .2SiO 2 ）、耐热性瓷中的堇青石（2MgO2Al 2 O 35SiO 2 ）等，这 类晶体的内部有较大的空隙或晶格畸变，含有缺陷或较多的杂质，离子的活动范围扩大。在外电场作用下， 晶
8、体中的弱联系离子有可能贯穿电极运动（包括接力式的运动） , 产生电导损耗。弱联系离子也可能在一 定范围内来回运动，形成热离子松弛，出现极化损耗。所以这类晶体的损耗较大，由这类晶体作主晶相的 陶瓷材料不适用于高频，只能应用于低频。另外，如果两种晶体生成固溶体，则因或多或少带来各种点阵畸变和结构缺陷，通常有较大的损耗，并且 有可能在某一比例时达到很大的数值，远远超过两种原始组分的损耗。例如 ZrO 2 和 MgO 的原始性能都 很好，但将两者混合烧结， MgO 溶进 ZrO 2 中生成氧离子不足的缺位固溶体后，使损耗大大增加，当 MgO 含量约为 25mol 时，损耗有极大值。3）玻璃的损耗复杂玻
9、璃中的介质损耗主要包括三个部分：电导损耗、松弛损耗和结构损耗。哪一种损耗占优势，决定于 外界因素 温度和外加电压的频率。高频和高温下，电导损耗占优势；在高频下，主要的是由联系弱 的离子在有限范围内的移动造成的松弛损耗；在高频和低温下，主要是结构损耗，其损耗机理目前还不清 楚，大概与结构的紧密程度有关。一般简单纯玻璃的损耗都是很小的，这是因为简单玻璃中的“分子”接近规则的排列，结构紧密，没有联系 弱的松弛离子。在纯玻璃中加入碱金属氧化物后，介质损耗大大增加，并且损耗随碱性氧化物浓度的增大 按指数增大。这是因为碱性氧化物进入玻璃的点阵结构后，使离子所在处点阵受到破坏。因此，玻璃中碱性氧化物浓度愈大
10、，玻璃结构就愈疏松，离子就有可能发生移动，造成电导损耗和松弛损耗，使总的损耗 增大。在玻璃电导中出现的 “ 双碱效应 ” （中和效应）和 “ 压碱效应 ” （压抑效应）在玻璃的介质损耗方面 也同样存在，即当碱离子的总浓度不变时，由两种碱性氧化物组成的玻璃，tg5大大降低，而且有一最佳 的比值。左图表示Na 2 O K 2 O B 2 O 3系玻璃的tg5与组成的关系，其中B 2 03数量为100， N + 离子和K +离子的总量为60。当两种碱同时存在时，tg5总是降低，而最佳比值约为等分子比。这可 能是两种碱性氧化物加入后，在玻璃中形成微晶结构，玻璃由不同结构的微晶所组成。可以设想，在碱性
11、氧化物的一定比值下，形成的化合物中，离子与主体结构较强地固定着，实际上不参加引起介质损耗的过 程；在离开最佳比值的情况下，一部分碱金属离子位于微晶的外面，即在结构的不紧密处，使介质损耗增 大。在含碱玻璃中加入二价金属氧化物，特别是重金属氧化物时，压抑效应特别明显。因为二价离子有二个键 能使松弛的碱玻璃的结构网巩固起来，减少松弛极化作用，因而使tg5降低。例如含有大量PbO及BaO， 少量碱的电容器玻璃，在1x10 6赫时，tg5为6x10 49x10 4。制造玻璃釉电容器的玻璃含 有大量PbO和BaO， tg5可降低到4x10 4，并且可使用到250C的高温。4）陶瓷材料的损耗主要是电导损耗、
12、松弛质点的极化损耗及结构损耗。此外，表面气孔吸附水分、油污及灰尘等造成表面电 导也会引起较大的损耗。以结构紧密的离子晶体为主晶相的陶瓷材料，损耗主要来源于玻璃相。为了改善某些陶瓷的工艺性能，往 往在配方中引入一些易熔物质（如粘土），形成玻璃相，这样就使损耗增大。如滑石瓷、尖晶石瓷随粘土 含量的增大，其损耗也增大。因而一般高频瓷，如氧化铝瓷、金红石等很少含有玻璃相。大多数电工陶瓷的离子松弛极化损耗较大，主要原因是：主晶相结构松散，生成了缺陷固溶体，多晶形转 变等。如果陶瓷材料中含有可变价离子，如含钛陶瓷，往往具有显著的电子松弛极化损耗。因此，陶瓷材料的介质损耗是不能只按照瓷料成分中纯化合物的性能
13、来推测的。在陶瓷烧结过程中，除了 基本物理化学过程外，还会形成玻璃相和各种固溶体。固溶体的电性能可能不亚于，也可能不如各组成成 分。这是在估计陶瓷材料的损耗时必须考虑的。总之，介质损耗是介质的电导和松弛极化引起的电导和极化过程中带电质点（弱束缚电子和弱联系离子， 并包括空穴和缺位）移动时，将它在电场中所吸收的能量部分地传给周围“分子”，使电磁场能量转变为“分 子”的热振动，能量消耗在使电介质发热效应上。5）降低材料的介质损耗的方法降低材料的介质损耗应从考虑降低材料的电导损耗和极化损耗入手。1 ）选择合适的主晶相：尽量选择结构紧密的晶体作为主晶相。(2 )改善主晶相性能时，尽量避免产生缺位固溶体或填隙固溶体，最好形成连续固溶体。这样弱联系离 子少，可避免损耗显著增大。(3) 尽量减少玻璃相。有较多玻璃相时，应采用 “ 中和效应 ” 和 “ 压抑效应 ” ，以降低玻璃相的损耗。(4 )防止产生多晶转变，因为多晶转变时晶格缺陷多，电性能下降，损耗增加。如滑石转变为原顽辉石时 析出游离方石英Mg 3( Si 4 O 10 )( OH )2 一 3( MgOSiO
