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電纜絕緣材料的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗

來源:天津市電纜總廠橡塑電纜廠   2021年10月18日 17:20  

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,這樣的共價鍵叫做極性共價鍵,簡稱極性鍵。)時,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-D150IEC60260。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50mm2in]。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,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。


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