69精品久久久久9999 介质损耗及介质损耗因数测试仪基本概念及影响因素

1.电介质的损耗

1.1电介质损耗的基本概念

任何电 介质 在 电压 作用下都会有能量损耗：一种是由电导引起的所谓电导损耗；另一种是由某种极化引起的所谓极化损耗。电 介质 的能量损耗简称为 介质 损耗。同一 介质 在不同类型的 电压 作用下，其损耗也不同。

在直流 电压 下，由于 介质 中没有周期性的极化过程，而一次性极化所损耗的能量可以忽略不计，所以电 介质 中的损耗就只有电导引起的损耗，这时用电 介质 的电导率即可表达其损耗特性。因此，在直流 电压 下没有 介质 损耗这一说法。

在交流 电压 下，除了电导损耗外，还存在由于周期性反复进行的极化而引起的不可忽略的极化损耗，所以需要引入一个新的物理量来反映电 介质 的能量损耗特性，即所谓电 介质 损耗。电 介质 损耗最终会引起电 介质 的发热，致使温度升高，温度升高又使 介质 的电导增大，泄漏电流增加，损耗进一步增大，如此形成恶性循坏。长期的高温作用会加速绝缘的老化过程，直至损坏绝缘。因此， 介质 的损耗特性对其绝缘性能影响极大。

由上述可见，绝缘在交流 电压 下的损耗远远大于在直流 电压 下的损耗，这也是绝缘在交流 电压 下比在直流 电压 下更容易劣化和损坏的重要原因之一。

1.2 介质 损耗因数(tan δ )

图 1-9所示的电 介质 三支路并联等效电路可以代表任何实际 介质 的等效电路，不但适用于直流 电压 ，也适用于交流 电压 。电路中的 电阻 R及 r 是引起有功功率损耗的元件。R代表电导引起的损耗，r代表有损极化过程中引起的损耗。在交流 电压 作用下，电 介质 等效电路中的电流(或 电压 )可以归并为有功和无功两个分量。因此，图1-9可进一步简化为 电阻 和电容两个元件并联或串联的等效电路，如图1-10、图1-11所示。

在等效电路所对应的相量图中， φ 为通过 介质 的电流与所加 电压 间的相位角，即电路的功率因数角； δ 为 φ 的余角，称之为 介质 损耗角。

需要指出，上述两个等效电路的结构和元件参数各不相同，但这并不影响电路中的 电压 、电流及其相位关系，这是因为它们是根据等效条件建立起来的。

对于图 1-10所示的并联等效电路，有

(1-11)

电路中的功率损耗为

(1-12)

对于图 1-11所示的串联等效电路，有

（1-13)

电路中的功率损耗为

(1-14)

因为上述两种等效电路是描述同一 介质 的不同等效电路，所以其功率损耗应相等。比较式 (1-12)和式(1-14)可得

（1-15)

此式说明，对同一 介质 用不同的等效电路表示时，其等效电容是不相同的。所以，当用高压电桥测量绝缘的 tan δ 时，电容量的计算公式则与采用哪一种等效电路有关。由于绝缘的tan δ 一般都很小，即1+tan ² δ ≈ 1，故C _p ≈ C _s ， 这时功率损耗在两种等效电路中就可用同一公式表示为

(1-16)

由此可见， 介质 损耗 P与外加 电压 U的平方成正比，与电源的角频率 ω 成正比，且与电容量成正比。所以，为了控制绝缘的损耗功率，减少其发热，延缓 介质 的老化，应避免绝缘长期在高于其额定 电压 及高于额定频率的电源下工作。通常，对于 电气设备 而言，额定工作 电压 及电源频率均为定值，由于绝缘结构一定，C也一定，因此P最后取决于tan δ ，即P与tan δ 成正比，所以tan δ 的大小将直接反映 介质 损耗功率的大小。因此，在高 电压 工程中常将tan δ 作为衡量电 介质 损耗特性的一个物理参数，称之为 介质 损耗因数或 介质 损耗角正切。

需要说明，用 tan δ 表示电 介质 的损耗特性要比直接用损耗功率P方便得多，这是因为：

(1)P值与试验 电压 、试品尺寸均密切相关，因此不能对不同尺寸的同样 绝缘材料 进行比较。

(2) 是一个比值，无量纲，它与材料的几何尺寸无关，只与材料的品质特性有关。因此，可以直接根据tan δ 的值对电 介质 的损耗特性作出评价。

在表 1-2中列出了一些常用液体和固体电 介质 在 工频电压 下20℃的tan δ 值。

表 1 -2 常用液体和固体电 介质 在 工频电压 下 20 ℃的t an δ 值

1.3影响电介质损耗的因素

(1)不同的电 介质 ，其损耗特性也不同。气体电 介质 的损耗仅由电导引起，损耗极小(tan δ ＜10 ^-8 )，所以常用气体(空气、N ₂ 等)作为标准电容器的 介质 。但当外加 电压 U超过气体的起始放电 电压 U ₀ 时，将发生局部放电，这时气体的损耗将急剧增加，这在高压输电线上是常见的，称为电晕损耗。此外，当固体电 介质 中含有气隙时，在一定的电场 强度 下，气隙中将产生局部放电，也会使损耗急剧增加，使固体绝缘逐渐劣化，因此常采用干燥、浸油或充胶等措施来消除气隙。对固体电 介质 和金属电极接触处的空气隙，经常采用短路的办法，使气隙内电场为零。例如，在35kV纯瓷套管的内壁上涂半导体釉或喷铝，并通过弹性铜片与导电杆相连。液体和固休电 介质 的损耗特性比较复杂，因为不同的物质结构只有不同的极化特性，不同的极化特性自然会影响到 介质 的损耗特性。

(2)中性或弱极性 介质 的损耗主要山电导引起，tan δ 较小。损耗与温度的关系和电导与温度的关系相似，即tan δ 随温度的升高也是按指数规律增大。例如，变压器油在20℃时的tan δ ≤ 0.5%，70℃时tan δ ≤ 2.5%。

(3)对于极性液体 介质 ，由于偶极子转向极化引起的极化损耗较 大 ，所以tan δ 较大，而且tan δ 与温度、频率均有关，如图1-12所示。以曲线1为例介绍，当温度t＜t ₁ ；时，由于温度较低，电导损耗和极化损耗都很小。随着温度的升高，材料的黏滞性减小，有利于偶极子的转向极化，使极化损耗显著增大，同时电导损耗也随温度的升高而有所增大，所以在这一范围内tan δ 随温度的升高而增大。当去 t ₁ ＜t＜ t ₂ 时，随着温度的升高，分子的热运动加快，从而又妨碍了偶极子在电场作用下进行有规则的排列，因此极化损耗随温度升高而减小。由于这一温度范围 内极化损耗的减小要比电导损耗的增加更快，所以总的 tan δ 曲线随温度的升高而减小。当t ＞ t ₂ 时，由于电导损耗随温度的升高而急剧增加，极化损耗相对来说已不占主要部分，因此tan δ 重新又随温度的升高而增大。

(4)对于油纸组合绝缘 介质 ，其tan δ 值的大小与油纸的老化程度和温度均有关。由于随着油纸绝缘老化程度的加深，绝缘纸内部含有的纤维素小分子链、水分、纤维素降解产物(低分子酸等)以及绝缘油老化生成的酸等弱极性或极性物质会增多，导致油纸绝缘单位体积内带电粒子数目增多。因此，在交变电场的作用下，老化的油纸绝缘极化损耗会增大，使得油纸绝缘的tan δ 值随着老化程度的加深而增大，且其tan δ 值与温度、频率的关系和极性液体相似，表现为tan δ 先随温度的升高而增大，当温度升高到一定程度时又随温度的升高而减小，如图1-13所示 。

(5)从图1-12还可以看出，当f ₂ ＞f ₁ ，即电源频率增高时，tan δ 的极大值出现在较高 的温度。这是因为电源频率增高时，偶极子的转向来不及充分进行，要使极化进行得充分，就必须减小黏滞性，也就是说要升高温度，所以使整个曲线往右移。 tan δ 与温度t的关系曲线在工程上具有重要实用意义。例如，配制 绝缘材料 时，应适当选择配方的比例，使所配制的 绝缘材料 在其工作温度范围之内tan δ 的值最小(如t ₂ 点)，而避开tan δ 的最大值(如 t ₁ 点)。

（ 6）电场对电 介质 的tan δ 有直接的影响。当电场 强度 较低 时，电 介质 的损耗仅有电导损耗和一定的极化损耗，且处于某一较为稳定的数值。当电场 强度 达到某一临界值后，会使电 介质 中产生局部放电，损耗急剧增加。在不同 电压 下测量绝缘的 tan δ ，作出的 tan δ 与 电压 的关系曲线，如图1-14所示。由图可见，当 外加 电压 U超过某一 电压 U ₀ 时tan δ 急剧上升。U ₀ 便是 介质 产 生局部放电的起始 电压 。工程上常以此来判断 介质 中是否存在局 部放电现象。