絕緣材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗

1.介電常數(shù)的定義
介電常數(shù)（K）可形象地描繪成極化出現(xiàn)時(shí)聚合物鏈內(nèi)原子層的反應(yīng) [把極化視作分子鏈對外加電場的“表觀"響應(yīng)（如移動或位移）]。K值與極化聚合物移動無關(guān)，但與其電容有關(guān)，它是絕緣材料存儲電能能力的一種測量量值。作為極性官能團(tuán)移動的結(jié)果之一，電能被存儲起來。介電常數(shù)是絕緣聚合物中存儲電能與（同尺寸）真空存儲電能的比例。

??介電常數(shù)與聚合物結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。聚合物絕緣材料（如聚乙烯）中少量的偶極子區(qū)域會存儲微小電能，K值也很小。當(dāng)聚合物中存在極性鍵（注：在化合物分子中，不同種原子形成的共價(jià)鍵，由于兩個原子吸引電子的能力不同，共用電子必然偏向吸引電子能力較強(qiáng)的原子一方，因而吸引電子能力較弱的原子一方相對的顯正電性，這樣的共價(jià)鍵叫做極性共價(jià)鍵，簡稱極性鍵。）時(shí)，K值會變大。包含偶極子（注：假若，一個分子內(nèi)的幾個原子的電負(fù)性差異很大，電負(fù)性較大的原子會吸引電子更接近自己，因而使得所占據(jù)區(qū)域變得更具負(fù)性；另外電負(fù)性較小的原子的區(qū)域會變得更具正性。這樣，就形成了電偶極子）的聚合物（如包含乙酸乙烯酯或丙烯酸乙酯的乙烯共聚物）比聚乙烯（或XLPE）可存儲更多的電能，介電常數(shù)值也更大。極性顯著的聚合物介電常數(shù)更高；例如聚酰胺類材料[尼龍或海帕倫（氯磺化聚乙烯）]。K值隨頻率變化，在頻率為50~60Hz時(shí)數(shù)值較小。介電常數(shù)是一個比例（聚合物與等尺寸真空存儲的電荷之比），沒有單位，只是一個無量綱數(shù)值。

??2.介電常數(shù)的測試程序和影響K值的因素

介電常數(shù)測試程序可參考ASTM-D150和IEC60260。本質(zhì)上，測試對象是一個置于兩個金屬平板電極之間的絕緣材料樣品，并施加一定電壓。樣品尺寸參見相關(guān)程序規(guī)定，樣品須平整[應(yīng)大于測量圓形電極的直徑50mm（2in）]。第二個電壓施加在不含樣品的兩個電極之間。上述兩個測量值之比即為介電常數(shù)。介電常數(shù)是介電材料電容與同尺寸空氣電容之比。由于絕緣材料的介電常數(shù)值大于真空，因此不管聚合物絕緣的種類，K值都大于1。室溫下聚合物的介電常數(shù)一般為2~10；數(shù)值越低，對應(yīng)的介質(zhì)損耗越小。介電常數(shù)與溫度有關(guān)，也與測試頻率（相關(guān)性弱于前者）有關(guān)。測試頻率一般在60~1000Hz之間。各種常見絕緣材料的介電常數(shù)見表6-1。不同密度（結(jié)晶度）聚乙烯的K值存在微小差異；密度增加，K值略有增大，但差異很小。

??基于上述原理，隨著聚烯烴絕緣電纜的老化和氧化（如形成水樹），其K值會略微增加。

??3.介質(zhì)損耗

??從上節(jié)的討論中可以看出，電纜絕緣類似電容。在交流電場下，多數(shù)電容會損失部分電能。每個周期內(nèi)，絕緣體消耗能量與存儲能量的比率稱為損耗因數(shù)，或者（絕緣系統(tǒng)承受正弦交變電場時(shí)的損耗角正切）。這種能量損耗轉(zhuǎn)化成熱量，因此損耗因數(shù)可作為衡量絕緣效率的參量。

??損耗也可用功率因數(shù)表示，它是損耗角的正弦值。功率因數(shù)與損耗因數(shù)不同，但＜0.1時(shí)，兩者的數(shù)值很接近。低損耗絕緣與此類似，一般總是小于0.1（因此兩個因數(shù)的數(shù)值差異可以忽略）。隨著損耗增加，和的差異變大。