介質(zhì)損耗及介質(zhì)損失角的基本概念

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

【正文】

一、電介質(zhì)損耗的基本概念

1.電介質(zhì)損耗的概念

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

(1)電導(dǎo)損耗。它由電導(dǎo)電流(泄漏電流)流過電介質(zhì)產(chǎn)生。電導(dǎo)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(zhì)中的偶極子式極化和多層電介質(zhì)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(zhì)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(xiàn)，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(xiàn)。

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

2.電介質(zhì)的等值電路

電介質(zhì)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(zhì)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(dǎo)引起的損耗，支路中流過的電流i_g稱為電導(dǎo)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(lián)等值電路如圖TYBZ01401003-2所示或串聯(lián)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(zhì)損耗的物理意義。

3.介質(zhì)損耗角正切值tanδ

以并聯(lián)等值電路為例。當(dāng)給電介質(zhì)兩端施加交流電壓時，流過介質(zhì)的電流包含有功分量I_R和無功分量I_C。把功率因數(shù)角φ的余角δ稱為介質(zhì)損失角，則tanδ=I_R/I_C=1/ωCR。介質(zhì)上所加電壓與流過介質(zhì)電流的相量關(guān)系如圖TYBZ01401003-2所示，則介質(zhì)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(guān)，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(zhì)損耗與tanδ成正比，所以通常用介質(zhì)損失角正切值tanδ來表示介質(zhì)在交流電壓作用下的損耗。tanδ僅與介質(zhì)本身的特性有關(guān)，與被試品的幾何尺寸無關(guān)，當(dāng)絕緣受潮或絕緣中有大量氣泡、雜質(zhì)的情況下，tanδ會增大。故對同類型被試品絕緣的優(yōu)劣，可以通過tanδ值的大小來判斷。

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

二、影響介質(zhì)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(jìn)行試驗時，電源頻率變化很微小，可認(rèn)為頻率對tanδ沒有影響。

(2)溫度對tanδ的影響與介質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。中性或弱極性電介質(zhì)的損耗主要是電導(dǎo)損耗，損耗較小，當(dāng)溫度升高時，tanδ增大。極性電介質(zhì)的tanδ與溫度的關(guān)系如圖TYBZ01401003-4所示。

(3)電壓較低(場強較小)時，tanδ與電壓無關(guān)當(dāng)介質(zhì)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(fā)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(zhì)中是否含有氣隙，也可以發(fā)現(xiàn)介質(zhì)老化分層、龜裂等缺陷。

三、電介質(zhì)的介質(zhì)損耗

1.氣體電介質(zhì)中的損耗

當(dāng)外施電壓小于氣體發(fā)生碰撞游離所需的電壓時，氣體中的損耗主要是電導(dǎo)損耗，損耗極小，可忽略不計。所以常用氣體作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)。當(dāng)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(zhì)中的損耗

中性或弱極性液體電介質(zhì)的損耗主要是電導(dǎo)損耗，損耗較小，tanδ與溫度及電場的關(guān)系和電導(dǎo)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(shù)，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(zhì)的tanδ與溫度的關(guān)系如圖TYBZ01401003-4所示。

3.固體電介質(zhì)中的損耗

固體電介質(zhì)通常分為分子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)、離子式結(jié)構(gòu)介質(zhì)、不均勻結(jié)構(gòu)介質(zhì)。分子結(jié)構(gòu)中的中性電介質(zhì)如石蠟、聚乙烯等，以及離子結(jié)構(gòu)的電介質(zhì)如云母等，其損耗主要由電導(dǎo)引起，因其電導(dǎo)很小，所以介質(zhì)損耗也很小。分子結(jié)構(gòu)中的極性電介質(zhì)，如纖維、有機玻璃等，介質(zhì)損耗較大，高頻下更嚴(yán)重。其值與溫度的關(guān)系同極性液體介質(zhì)。

不均勻結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，其損耗的大小取決于其中各成分的性能及數(shù)量間的比例。

四、介質(zhì)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(zhì)嚴(yán)重發(fā)熱，加速絕緣劣化。

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