再认识绝缘材料的介电常数和介质损耗

本文节选自《电力电缆工程》（原书第三版）第六章 电缆绝缘材料电气性能（有删减和调整），进一步介绍了表征高分子绝缘材料电气性能的参数：介电常数、损耗因数。

为了方便阅读，变更了题目，调整了部分章节序号。完整部分，请阅读原书。

我们可以了解到：

1.介电常数的定义；

2.介电常数的测试程序和影响K值的因素；

3.介质损耗、损耗因素、功率因素。

本文约1450字，阅读时间约10分钟。

  绝缘材料的介电常数和介质损耗

1.介电常数的定义

介电常数（K）可形象地描绘成极化出现时聚合物链内原子层的反应 [把极化视作分子链对外加电场的“表观”响应（如移动或位移）]。

K值与极化聚合物移动无关，但与其电容有关，它是绝缘材料存储电能能力的一种测量量值。作为极性官能团移动的结果之一，电能被存储起来。介电常数是绝缘聚合物中存储电能与（同尺寸）真空存储电能的比例。

  介电常数与聚合物结构密切相关。聚合物绝缘材料（如聚乙烯）中少量的偶极子区域会存储微小电能，K值也很小。当聚合物中存在极性键（注：在化合物分子中，不同种原子形成的共价键，由于两个原子吸引电子的能力不同，共用电子必然偏向吸引电子能力较强的原子一方，因而吸引电子能力较弱的原子一方相对的显正电性，这样的共价键叫做极性共价键，简称极性键。）时，K值会变大。包含永久偶极子（注：假若，一个分子内的几个原子的电负性差异很大，电负性较大的原子会吸引电子更接近自己，因而使得所占据区域变得更具负性；另外电负性较小的原子的区域会变得更具正性。这样，就形成了永久电偶极子）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）可存储更多的电能，介电常数值也更大。极性显著的聚合物介电常数更高；例如聚酰胺类材料[尼龙或海帕伦（氯磺化聚乙烯）]。K值随频率变化，在频率为50~60Hz时数值较小。介电常数是一个比例（聚合物与等尺寸真空存储的电荷之比），没有单位，只是一个无量纲数值。

  2.介电常数的测试程序和影响K值的因素

介电常数测试程序可参考ASTM-D150和IEC60260。本质上，测试对象是一个置于两个金属平板电极之间的绝缘材料样品，并施加一定电压。样品尺寸参见相关程序规定，样品须平整[应大于测量圆形电极的直径50mm（2in）]。第二个电压施加在不含样品的两个电极之间。上述两个测量值之比即为介电常数。介电常数是介电材料电容与同尺寸空气电容之比。由于绝缘材料的介电常数值大于真空，因此不管聚合物绝缘的种类，K值都大于1。室温下聚合物的介电常数一般为2~10；数值越低，对应的介质损耗越小。介电常数与温度有关，也与测试频率（相关性弱于前者）有关。测试频率一般在60~1000Hz之间。各种常见绝缘材料的介电常数见表6-1。不同密度（结晶度）聚乙烯的K值存在微小差异；密度增加，K值略有增大，但差异很小。

  基于上述原理，随着聚烯烃绝缘电缆的老化和氧化（如形成水树），其K值会略微增加。

  3.介质损耗

  从上节的讨论中可以看出，电缆绝缘类似电容。在交流电场下，多数电容会损失部分电能。每个周期内，绝缘体消耗能量与存储能量的比率称为损耗因数，或者（绝缘系统承受正弦交变电场时的损耗角正切）。这种能量损耗转化成热量，因此损耗因数可作为衡量绝缘效率的参量。

  损耗也可用功率因数表示，它是损耗角的正弦值。功率因数与损耗因数不同，但＜0.1时，两者的数值很接近。低损耗绝缘与此类似，一般总是小于0.1（因此两个因数的数值差异可以忽略）。随着损耗增加，和的差异变大。

  这里谈到的损耗由聚合物移动产生，相关机理参见《运行场强下绝缘材料的响应：极化》。对于K值，损耗与频率和温度有关。

参考文献：

[1] (美)WilliamA.Thue等著;孙建生,徐晓峰等译. 电力电缆工程（原书第三版）.北京：机械工业出版社，2014.