介質損耗及介質損失角的基本概念

【模塊描述】本模塊介紹電介質的損耗及其等值電路。通過定義講解、理論分析，了解電介質損耗及介質損失角的基本概念，熟悉電介質的等值電路。

【正文】

一、電介質損耗的基本概念

1.電介質損耗的概念

從電介質的極化和電導的概念可以看出，電介質在電壓作用下有能量損耗，稱為介質損耗，簡稱介損。介質損耗由下列三部分組成：

(1)電導損耗。它由電導電流(泄漏電流)流過電介質產生。電導損耗在交流電壓和直流電壓作用下均存在。

(2)極化損耗。它由極性電介質中的偶極子式極化和多層電介質的夾層極化引起的損耗。極化損耗只在交流電壓作用下才存在。

(3)游離損耗。它是由液體及固體介質中的局部放電引起的損耗。游離損耗只在外施電壓超過一定值時才會出現，并且隨電壓開高而急劇增加。游離損耗在交流電壓和直流電壓作用下均會出現。

當外加電壓低于發生局部放所需的電壓時，在直流電壓作用下，因介質中沒有周期性的極化過程，所以介質中只有電導損耗：在交流電壓作用下，介質損耗包括電導損耗以及周期性極化引起的能量損耗。

2.電介質的等值電路

電介質的等值電路如圖TYBZ01401003-1所示，該等值電路適用于直流電壓和交流電壓、中路中C₀支路表示介質無能量損耗的極化，支路中流過的電流i_c稱為電容電流：r_g支路表示電導引起的損耗，支路中流過的電流i_g稱為電導電流或泄漏電流；r_a—C_a支圖表示有能量損耗的極化，支路中流過的電流i_a稱為吸收電流。并聯等值電路如圖TYBZ01401003-2所示或串聯等值電路如圖TYBZ01401003-3所示。

需要指出的是：等值電路只有計算上的意義，并不反映介質損耗的物理意義。

3.介質損耗角正切值tanδ

以并聯等值電路為例。當給電介質兩端施加交流電壓時，流過介質的電流包含有功分量I_R和無功分量I_C。把功率因數角φ的余角δ稱為介質損失角，則tanδ=I_R/I_C=1/ωCR。介質上所加電壓與流過介質電流的相量關系如圖TYBZ01401003-2所示，則介質損耗P為

P=U I_R =U I_C tanδ=U²ωC_ptanδ     (TYBZ01401003-1)

從式(TYBZ01401003-1)可知，P值與試驗電壓、試品電容量及電源頻率有關，不同試品間難以比較。如果外施電壓和電源頻率不變，則介質損耗與tanδ成正比，所以通常用介質損失角正切值tanδ來表示介質在交流電壓作用下的損耗。tanδ僅與介質本身的特性有關，與被試品的幾何尺寸無關，當絕緣受潮或絕緣中有大量氣泡、雜質的情況下，tanδ會增大。故對同類型被試品絕緣的優劣，可以通過tanδ值的大小來判斷。

需要說明的是介質損失角正切值tanδ即可反映介質本身的絕緣狀況，同時介質損耗本身也是導致絕緣老化和損壞的一個原因，因為介質損耗將引起絕緣內部發熱，溫度開高，從而使泄漏電流增大和有損極化加劇，導致介質損耗更大。所以，對于運行中的電氣設備，應監測其介質損耗的變化趨勢，這對判斷設備絕緣的品質具有重要意義。

二、影響介質損失角正切值tanδ的因素

影響tanδ值的因素主要有頻率、溫度和電壓。

(1)頻率對tanδ的影響很大，在進行試驗時，電源頻率變化很微小，可認為頻率對tanδ沒有影響。

(2)溫度對tanδ的影響與介質結構有關。中性或弱極性電介質的損耗主要是電導損耗，損耗較小，當溫度升高時，tanδ增大。極性電介質的tanδ與溫度的關系如圖TYBZ01401003-4所示。

(3)電壓較低(場強較小)時，tanδ與電壓無關當介質中含有氣泡時，外施電壓升高到氣泡的起始游離電壓后，將發生局部放電，tanδ值將隨電壓的升高明顯增大。所以在較高電壓下測量tanδ，可以檢查介質中是否含有氣隙，也可以發現介質老化分層、龜裂等缺陷。

三、電介質的介質損耗

1.氣體電介質中的損耗

當外施電壓小于氣體發生碰撞游離所需的電壓時，氣體中的損耗主要是電導損耗，損耗極小，可忽略不計。所以常用氣體作為標準電容器的介質。當外施電壓超過起始游離電壓U₀

時，損耗隨電壓的升高急劇增大。如圖TYBZ01401003-5所示。

2.液體電介質中的損耗

中性或弱極性液體電介質的損耗主要是電導損耗，損耗較小，tanδ與溫度及電場的關系和電導相似：溫度升高，tanδ增大。電場強度小于某定值時， tanδ接近為一常數，電場強度超過某定值時，tanδ隨電場強度的增大而增大。極性液休電介質的tanδ與溫度的關系如圖TYBZ01401003-4所示。

3.固體電介質中的損耗

固體電介質通常分為分子式結構介質、離子式結構介質、不均勻結構介質。分子結構中的中性電介質如石蠟、聚乙烯等，以及離子結構的電介質如云母等，其損耗主要由電導引起，因其電導很小，所以介質損耗也很小。分子結構中的極性電介質，如纖維、有機玻璃等，介質損耗較大，高頻下更嚴重。其值與溫度的關系同極性液體介質。

不均勻結構的介質，其損耗的大小取決于其中各成分的性能及數量間的比例。

四、介質損耗在工程實際中的意義

(1)選擇絕緣材料。tanδ過大會引起介質嚴重發熱，加速絕緣劣化。

(2)在電氣設備絕緣預防性試驗中，tanδ值的測量是基本的試驗項目，可根據tanδ值的變化判斷電氣設備的絕緣品質。通過測量tanδ與U的關系曲線還可判斷絕緣內都是否發生局部放電。