再認識絕緣材料的介電常數和介質損耗

2021-12-28 電力電纜工
本文節選自《電力電纜工程》(原書第三版)第六章 電纜絕緣材料電氣性能(有刪減和調整),進一步介紹了表徵高分子絕緣材料電氣性能的參數:介電常數、損耗因數。為了方便閱讀,變更了題目,調整了部分章節序號。完整部分,請閱讀原書。
我們可以了解到:1.介電常數的定義;2.介電常數的測試程序和影響K值的因素;3.介質損耗、損耗因素、功率因素。
本文約1450字,閱讀時間約10分鐘。介電常數(K)可形象地描繪成極化出現時聚合物鏈內原子層的反應 [把極化視作分子鏈對外加電場的「表觀」響應(如移動或位移)]。K值與極化聚合物移動無關,但與其電容有關,它絕緣材料存儲電能能力的一種測量量值作為極性官能團移動的結果之一,電能被存儲起來。介電常數是絕緣聚合物中存儲電能與(同尺寸)真空存儲電能的比例

  介電常數與聚合物結構密切相關。聚合物絕緣材料(如聚乙烯)中少量的偶極子區域會存儲微小電能,K值也很小。當聚合物中存在極性鍵(註:在化合物分子中,不同種原子形成的共價鍵,由於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。包含永久偶極子(註:假若,一個分子內的幾個原子的電負性差異很大,電負性較大的原子會吸引電子更接近自己,因而使得所佔據區域變得更具負性;另外電負性較小的原子的區域會變得更具正性。這樣,就形成了永久電偶極子)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,介電常數值也更大。極性顯著的聚合物介電常數更高;例如聚醯胺類材料[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時數值較小。介電常數是一個比例(聚合物與等尺寸真空存儲的電荷之比),沒有單位,只是一個無量綱數值。

  2.介電常數的測試程序和影響K值的因素

介電常數測試程序可參考ASTM-D150和IEC60260。本質上,測試對象是一個置於兩個金屬平板電極之間的絕緣材料樣品,並施加一定電壓。樣品尺寸參見相關程序規定,樣品須平整[應大於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。介電常數是介電材料電容與同尺寸空氣電容之比。由於絕緣材料的介電常數值大於真空,因此不管聚合物絕緣的種類,K值都大於1室溫下聚合物的介電常數一般為2~10數值越低,對應的介質損耗越小。介電常數與溫度有關,也與測試頻率(相關性弱於前者)有關。測試頻率一般在60~1000Hz之間。各種常見絕緣材料的介電常數見表6-1。不同密度(結晶度)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。

  基於上述原理,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.介質損耗

  從上節的討論中可以看出,電纜絕緣類似電容。在交流電場下,多數電容會損失部分電能。每個周期內絕緣體消耗能量與存儲能量的比率稱為損耗因數,或者。這種能量損耗轉化成熱量,因此損耗因數可作為衡量絕緣效率的參量

  損耗也可用功率因數表示,它是損耗角的正弦值。功率因數與損耗因數不同,但

  這裡談到的損耗由聚合物移動產生,相關機理參見《運行場強下絕緣材料的響應:極化》。對於K值,損耗與頻率和溫度有關。

[1] (美)WilliamA.Thue等著;孫建生,徐曉峰等譯. 電力電纜工程(原書第三版).北京:機械工業出版社,2014.

相關焦點

  • 高壓電橋介電常數測試儀功能特點
    在交變電場作用下,電位移D與電場強度E均變為複數矢量,此時介電常數也變成複數,其虛部就表示了電介質中能量損耗的大小。  損耗角正切表示為獲得給定的存儲電荷要消耗的能量的大小,是電介質作為絕緣材料使用時的重要評價參數。為了減少介質損耗,希望材料具有較小的介電常數和更小的損耗角正切。
  • 介電常數測量方法綜述
    並且還可通過對巖石介電常數的測量對地震進行預報[4]。上面說的是介電常數測量在民用方面的部分應用,其在工業上也有重要的應用。典型的例子有低介電常數材料在超大規模集成電路工藝中的應用以及高介電常數材料在半導體儲存器件中的應用。在集成電路工藝中,隨著電晶體密度的不斷增加和線寬的不斷減小,互聯中電容和電阻的寄生效應不斷增大,傳統的絕緣材料二氧化矽被低介電常數材料所代替是必然的。
  • 一文了解介電常數
    "介電常數" 在工具書中的解釋:1.又稱電容率或相對電容率是表徵電介質或絕緣材料電性能的一個重要數據,常用ε表示。它是指在同一電容器中用同一物質為電介質和真空時的電容的比值,表示電介質在電場中貯存靜電能的相對能力。對於介電材料,相對介電常數愈小絕緣性愈好。空氣和CS2的ε值分別為1.0006和2.6左右,而水的ε值特別大,10℃時為 83.83,與溫度有關。2.介電常數是物質相對於真空來說增加電容器電容能力的度量。介電常數隨分子偶極矩和可極化性的增大而增大。
  • 測量介電常數的常用方法與綜合比較
    並且還可通過對巖石介電常數的測量對地震進行預報[4]。上面說的是介電常數測量在民用方面的部分應用,其在工業上也有重要的應用。典型的例子有低介電常數材料在超大規模集成電路工藝中的應用以及高介電常數材料在半導體儲存器件中的應用。在集成電路工藝中,隨著電晶體密度的不斷增加和線寬的不斷減小,互聯中電容和電阻的寄生效應不斷增大,傳統的絕緣材料二氧化矽被低介電常數材料所代替是必然的。
  • 低介電常數微波介質陶瓷基覆銅板的研究
    微波介質陶瓷是指應用於微波(主要是300MHz~30GHz頻段)電路中作為介質材料並完成一種或多種功能的陶瓷、在現代通信中被用作諧振器、濾波器、介質基片、介質天線、介質波導迴路等,應用於微波電路的介質陶瓷除了必備的機械強度、化學穩定性之外,還應滿足如下介電特性,微波頻率下大的相對介電常數C^2高Q·f值以及接近零的頻率溫度係數微波介質陶瓷可以按照其組成系統
  • 介電常數定義是什麼_介電常數單位是什麼
    介電常數是相對介電常數與真空中絕對介電常數乘積。如果有高介電常數的材料放在電場中,電場的強度會在電介質內有可觀的下降。理想導體的相對介電常數為無窮大。 根據物質的介電常數可以判別高分子材料的極性大小。通常,相對介電常數大於3.6的物質為極性物質;相對介電常數在2.8~3.6範圍內的物質為弱極性物質;相對介電常數小於2.8為非極性物質。
  • 飄忽不定的介電常數
    相信大家已經看過了我的上篇謎一樣的電容之隔直通交的處女作,彈指一揮間,一周就過去了,小陳又和大家見面了(說到小陳,大家不要誤會,實在是前高速先生小陳名氣太大,大家叫我小小陳也可以)。作為新人,初來乍到,在此算是正式和大家打個招呼,以後還請大家多多關照。
  • SI-list【中國】介電常數測量方法大全
    上面說的是介電常數測量在民用方面的部分應用,其在工業上也有重要的應用。典型的例子有低介電常數材料在超大規模集成電路工藝中的應用以及高介電常數材料在半導體儲存器件中的應用。在集成電路工藝中,隨著電晶體密度的不斷增加和線寬的不斷減小,互聯中電容和電阻的寄生效應不斷增大,傳統的絕緣材料二氧化矽被低介電常數材料所代替是必然的。
  • 廣西高頻介電常數試驗儀規格對比
    廣西高頻介電常數試驗儀規格對比3.3.1A———試樣的橫截面積;3.3.2Ce—一規定的衝擊能量與試樣厚度之比;3.3.5d———凹坑深度;3.3.6E——衝擊頭下落前的勢能;3.3.7Ei一—力-時間曲線在力或斜率出現不連續時吸收的能量;3.3.8Ea—衝擊期間試樣吸收的能量;3.3.9Ei一實際的衝擊能量(入射動能)
  • 5G:80+常用高分子材料介電常數表!
    5G時代信號的傳輸速度也會遠快於4G信號,就要求材料對信號的幹擾小、介電常數小,保證大數據傳輸不受幹擾。當器件的特徵尺寸逐漸減小時即集成度不斷提高時,會引起電阻-電容(RC)延遲上升,從而出現信號傳輸延時、噪聲幹擾增強和功率損耗增大等一系列問題, 這將極大限制器件的高速性能。
  • 天線基礎知識:輻射模式,介電常數,方向性和增益
    >Michael Faraday注意到,當電介質(絕緣體)放置在平行板電容器的極板之間的間隙中時,電容會增加。這種現象是由於電介質介質內的電荷極化引起的。介電常數是這些電荷在電場存在下如何容易地自我對準(極化)的量度。較高的介電常數表示對形成電場的阻力較大,並且擾動通過介質的傳播較慢。圍繞低介電常數材料的高介電常數材料不會影響振蕩頻率,但高介電常數材料會降低波的傳播速度。
  • 空氣的介電常數是多少 常見物質的介電常數表查詢
    空氣的介電常數是多少?   空氣的相對介電常數為1,幹空氣是良好的電介質,並被用在可變電容器以及某些類型的傳輸線。   最小的,一般近似等於真空的介電常數,近似值為1,其他都大於1。   什麼是介電常數,介電常數單位是什麼?
  • 知識貼:高介電常數聚合物電介質—陶瓷填料篇
    介電材料按照介電常數的高低可分為高介電和低介電兩個方向。高介電材料具有良好儲存電能和均勻電場的作用,應用於電子、電機、電纜等行業。將高介電常數填料與高分子材料複合,是目前製備高介電常數聚合物電介質的主要手段。其中,填料可分為陶瓷、導電金屬顆粒及碳材料三類。
  • 絕緣材料的介電性能 (第三期)
    上一篇:絕緣材料的介電性能 (第二期)下面一部分,我介紹一下絕緣材料的介電性能,四大參數的一些具體意義,和它們的物理含義。 在這種情況下,我們把電介質放到了平板電容器的內部,用它來代替真空。由於電介質在電場作用下會產生極化,它的表面會產生與鄰近的電極極板極性相反的束縛電荷,束縛電荷產生的電場也和原來的電場方向是相反的。這樣就會產生一個電場強度下降的結果。所以在這種情況下面,介電常數就可以描述成介質內部電場強度下降的倍數。第二種方法我們用它來描述的時候,就是平板之間的電場強度是保持不變的。
  • 介質損耗因數(tanδ)測量和繞組對地和繞組間的電容測定
    一、 絕緣中的損耗油紙絕緣是有損耗的,在交變電場作用下產生極化損耗和電導損耗。因此,絕緣中通過的電流就不是超前電壓90°,而是比90°小了一個角度,亦即引起了損耗。當外施電壓為交流電壓時,絕緣中的視在功率UI可以分為兩個組成部分,有功功率P和無功功率Q,其比值稱為介質損耗因數,即tanδ=P/Q。
  • 光速與真空介電常數以及真空磁導率的關係
    我們先不分析,先接續介紹關於真空介電常數的概念。介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場,介質中的電場減小與原外加電場(真空中)的比值即為相對介電常數(relative permittivity或dielectric constant),又稱誘電率,與頻率相關。如果有高介電常數的材料放在電場中,電場的強度會在電介質內有可觀的下降。
  • 電容區別,關鍵在介質~
    區別在於介質的不同、性能不同、容量不同、結構不同致使用環境和用途也不同。反過來講,人們根據生產實踐需要,實驗製造了各種功能的電容器來滿足各種電器的正常運行和新設備的運轉。隨著科學技術的發展和新材料的發掘,更優質、多樣化的電容器會不斷湧現。
  • 絕緣材料的介電性能 (第二期)
    上一篇:絕緣材料的介電性能(第一期)下面進入到這樣一個主題,就是電場作用下面絕緣材料為什麼不能導電?不能導電的原因大概有兩點。第一個點就是材料內部面沒有電荷,因為電流就是電荷量ΔQ除以時間Δt。所以既然不能導電,沒有電流的話,一個可能的原因就是內部沒有電荷。但材料內部有分子、原子,原子裡面有原子核和核外電子,所以各種不同的電荷都是存在的。
  • 科學網—解決複合材料介電常數提升難題
    本報訊 (見習記者丁寧寧)近日,中國科學院深圳先進技術研究院汪正平、孫蓉帶領的先進材料研究中心團隊成功找到了一種可以大幅度提高複合材料介電常數的方法
  • 答題 | 飄忽不定的介電常數
    關於對策,主要是材料選擇、設計規避以及生產規避。材料選擇規避:1:使用空窗小的玻璃纖維布。也就是大家說的扁平玻璃布,開纖布等。從源頭避免由於玻璃纖維布空窗處有效介電常數波動的存在。例如:1067/1078/2116等。2:使用多張PP疊加,降低露窗概率。方法是可行的,除非介質較厚本來就需要多張PP疊加,否則個人看法不如第一種。