介質(zhì)損耗因子、介質(zhì)損耗角正切基本概念與影響因素

一、介質(zhì)損耗的基本概念

1.介質(zhì)損耗

電介質(zhì)在電場作用下(加電壓后)，要發(fā)生極化過程和電導(dǎo)過程。有損極化過程有能量損耗；電導(dǎo)過程中，電學(xué)性泄漏電流流過絕緣電阻當然也有能量損耗。損耗程度一般用單位時間內(nèi)損耗的能量，即損耗功率表示。這種電介質(zhì)出現(xiàn)功率損耗的過程稱為介質(zhì)損耗。顯然，介質(zhì)損耗過程隨極化過程和電導(dǎo)過程同時進行。介質(zhì)損耗掉的能量(電能)變成了熱能，使電介質(zhì)溫度升高。若介質(zhì)損耗過大，則電介質(zhì)溫度將升得過高，這將加速電介質(zhì)的熱分解與老化，最終可能導(dǎo)致絕緣性能的失去，所以研究介質(zhì)損耗有十分重要的意義。

2.介質(zhì)損耗的基本形式

(1)電導(dǎo)損耗。電導(dǎo)損耗為電場作用下由泄漏電流引起的那部分損耗。泄漏電流與電場頻率無關(guān)，故這部分損耗在直流交流下都存在。氣體電介質(zhì)以及絕緣良好的液、固體電介質(zhì)，電導(dǎo)損耗都不大。液、固體電介質(zhì)的電導(dǎo)損耗隨溫度升高而按指數(shù)規(guī)律增大。

(2)極化損耗。極化損耗為偶極子與空間電荷極化引起的損耗。在直流電壓作用下，由于極化過程僅在電壓施加后很短時間內(nèi)存在，與電導(dǎo)損耗相比可忽路。而在交流電壓作用下，由于電介質(zhì)隨交流電壓極性的周期性改變而作周期性的正向極化和反向極化，極化始終存在于整個加壓過程之中。極化損耗在頻率不太高時隨頻率升高而增大。但頻率過高時，極化過程反而減弱，損耗減小。極化損耗與溫度也有關(guān)，在某一溫度下極化損耗達最大。

(3)游離損耗，游離損耗主要是指氣體間隙的電暈放電以及液、固體介質(zhì)內(nèi)部氣泡中局部放電所造成的損耗。這是因為放電時，產(chǎn)生帶電粒子需要游離能，放電時出現(xiàn)光、聲、熱、化學(xué)效應(yīng)也要消耗能量。游離能隨電場強度的增大而增大。

二、介質(zhì)損失角正切tanδ

由上可見，在直流電壓作用下，介質(zhì)損耗主要為電導(dǎo)損耗，因此，電導(dǎo)率γ或電阻率ρ既表示介質(zhì)電導(dǎo)的特性，同時也表征了介質(zhì)損耗的特性。但在交流電壓作用下，三種形式的損耗都存在，為此需引入一個新的物理量來表征介質(zhì)損耗的特性，這個物理量就是tanδ。

1.并聯(lián)等值電路及損耗功率的計算公式

電介質(zhì)兩端施加一交流電壓時，就有電流I流過介質(zhì)。I有三個電流分量組成

式中 ——電導(dǎo)過程的電流，為阻性電流，與同相位；

——無損極化和有損極化時的電流。

對應(yīng)的等值電路如圖2-9(a)所示，此等值電路可進一步簡化成如圖2-9(b)所示的由R和C_p相并聯(lián)的等值電路。此并聯(lián)等值電路的相量圖如圖2-9(c)所示。我們定義功率因數(shù)角θ的余角為δ角。由相量圖可見，介質(zhì)損耗功率越大，I_R越大，δ角也越大，因此δ角稱為介質(zhì)損失角。

對此并聯(lián)等值電路，可寫出介質(zhì)損耗功率P的計算公式

當然，圖2-9(b)的電路也可以簡化成由r和C_s相串聯(lián)的等值電路，可以證明

當tanδ 很小時， C_s≈C

對于串聯(lián)等值電路，同樣可以推出損耗功率的計算公式

2.tanδ值的意義

從介質(zhì)損耗功率P的計算公式看，我們?nèi)粲肞來表征介質(zhì)損耗的程度是不方便的，因為P值與試驗電壓U的高低、試驗電壓的角頻率ω(ω=2Πf)、電介質(zhì)等值電容量C_p (或C_s)以及tanδ值有關(guān)。而若在試驗電壓、頻率、電介質(zhì)尺寸一定的情況下，那么介質(zhì)損耗功率僅取決于 tanδ，換句話說，也就是tanδ是與電壓、頻率、絕緣尺寸無關(guān)的量，它儀取決于電介質(zhì)的損耗特性。所以 tanδ是表征介質(zhì)損耗程度的物理量，與ε_r、γ相當。這樣,我們可以通過試驗測量電介質(zhì)的tanδ值，并以此來判斷介質(zhì)損耗的程度。各種結(jié)構(gòu)固體電介質(zhì)的tanδ如表2-2所示。

表2-2                各種結(jié)構(gòu)固體電介質(zhì)的tanδ值

(1MHz，20℃時)

三、影響 tanδ 的因素

影響tanδ 值的因素主要有溫度、頻率和電壓。

1.溫度對tanδ值的影響隨電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的不同有顯著的差異

中性或弱極性介質(zhì)的損耗主要由電導(dǎo)引起，故溫度對tanδ的影響與溫度對電導(dǎo)的影響相似，即tanδ隨溫度的升高而按指數(shù)規(guī)律增大，且tanδ較小。

極性介質(zhì)中，極化損耗不能忽略，tanδ值與溫度的關(guān)系如圖2-10所示。當溫度在t<t₁時，由于溫度較低，電導(dǎo)損耗與極化損耗都小，電導(dǎo)損耗隨溫度升高而略有增大，而極化損耗隨溫度升高也增大(黏滯性減小，偶極子轉(zhuǎn)向容易)，所以tanδ隨溫度升高而增大。當溫度在t₁＜t＜t₂時，溫度已不太低，此時分子的熱運動反而妨礙偶極子沿電場方向作有規(guī)則的排列，極化損耗隨溫度升高而降低，而且降低的程度又要超過電導(dǎo)損耗隨溫度升高的程度，因此tanδ隨溫度升高而減小。當溫度在t＞t₂時，溫度已很高，電導(dǎo)損耗已占主導(dǎo)地位，tanδ又隨溫度升高而增大。

2.頻率對tanδ的影響主要體現(xiàn)于頻率對極化損耗的影響

tanδ與頻率的關(guān)系如圖2-11所示。在頻率不太高的一定范圍內(nèi)，隨頻率的升高，偶極子往復(fù)轉(zhuǎn)向頻率加快，極化程度加強，介質(zhì)損耗增大，tanδ值增大。當頻率超過某一數(shù)值后，由于偶極子質(zhì)量的慣性及相互間的摩擦作用，來不及隨電壓極性的改變而轉(zhuǎn)向，極化作用減弱，極化損耗下降，tanδ值降低。

3.電壓對tanδ的影響主要表現(xiàn)為電場強度對tanδ值的影響

在電場強度不很高的一定范圍內(nèi)，電場強度增大(由于電壓升高)，介質(zhì)損耗功率變大，但tanδ幾乎不變。當電場強度達到某一較高數(shù)值時，隨著介質(zhì)內(nèi)部不可避免存在的弱點或

氣泡發(fā)生局部放電，tanδ隨電場強度升高而迅速增大。因此，在較高電壓下測tanδ值，可以檢查出介質(zhì)中夾雜的氣隙、分層、龜裂等缺陷來。

此外，濕度對暴露于空氣中電介質(zhì)的tanδ影響也很大。介質(zhì)受潮后，電導(dǎo)損耗增大，tanδ也增大，例如絕緣紙中水分含量從4%增加到10%，tanδ值可增大100倍。然而，假如tanδ值的測試是在溫度低于0～5℃時進行，含水量增加tanδ反而不會增大，這是因為此時介質(zhì)中的水分已凝結(jié)成冰，導(dǎo)電性又變差，電導(dǎo)損耗變小的緣故。為此，在進行絕緣試驗時規(guī)定被試品溫度不低于+5℃，這對tanδ的測試尤為重要，

在工程實際中，通過tanδ以及tanδ=f(u)曲線的測量及判斷，對監(jiān)督絕緣的工作狀況以及老化的進程有非常重要的意義。