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介質損耗因子、介質損耗角正切基本概念與影響因素
閱讀：6044發布時間：2024-3-28
一、介質損耗的基本概念
1.介質損耗
電介質在電場作用下(加電壓后)，要發生極化過程和電導過程。有損極化過程有能量損耗；電導過程中，電學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損耗的能量，即損耗功率表示。這種電介質出現功率損耗的過程稱為介質損耗。顯然，介質損耗過程隨極化過程和電導過程同時進行。介質損耗掉的能量(電能)變成了熱能，使電介質溫度升高。若介質損耗過大，則電介質溫度將升得過高，這將加速電介質的熱分解與老化，最終可能導致絕緣性能的失去，所以研究介質損耗有十分重要的意義。
2.介質損耗的基本形式
(1)電導損耗。電導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，故這部分損耗在直流交流下都存在。氣體電介質以及絕緣良好的液、固體電介質，電導損耗都不大。液、固體電介質的電導損耗隨溫度升高而按指數規律增大。
(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存在，與電導損耗相比可忽路。而在交流電壓作用下，由于電介質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，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、固體介質內部氣泡中局部放電所造成的損耗。這是因為放電時，產生帶電粒子需要游離能，放電時出現光、聲、熱、化學效應也要消耗能量。游離能隨電場強度的增大而增大。
二、介質損失角正切tanδ
由上可見，在直流電壓作用下，介質損耗主要為電導損耗，因此，電導率γ或電阻率ρ既表示介質電導的特性，同時也表征了介質損耗的特性。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損耗的特性，這個物理量就是tanδ。
1.并聯等值電路及損耗功率的計算公式
電介質兩端施加一交流電壓
時，就有電流I流過介質。I有三個電流分量組成
式中 
——電導過程的電流，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Cp相并聯的等值電路。此并聯等值電路的相量圖如圖2-9(c)所示。我們定義功率因數角θ的余角為δ角。由相量圖可見，介質損耗功率越大，IR越大，δ角也越大，因此δ角稱為介質損失角。
對此并聯等值電路，可寫出介質損耗功率P的計算公式
當然，圖2-9(b)的電路也可以簡化成由r和Cs相串聯的等值電路，可以證明
當tanδ 很小時， Cs≈C
對于串聯等值電路，同樣可以推出損耗功率的計算公式
2.tanδ值的意義
從介質損耗功率P的計算公式看，我們若用P來表征介質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)、電介質等值電容量Cp (或Cs)以及tanδ值有關。而若在試驗電壓、頻率、電介質尺寸一定的情況下，那么介質損耗功率僅取決于 tanδ，換句話說，也就是tanδ是與電壓、頻率、絕緣尺寸無關的量，它儀取決于電介質的損耗特性。所以 tanδ是表征介質損耗程度的物理量，與εr、γ相當。這樣,我們可以通過試驗測量電介質的tanδ值，并以此來判斷介質損耗的程度。各種結構固體電介質的tanδ如表2-2所示。
表2-2 各種結構固體電介質的tanδ值
(1MHz，20℃時)
電介質結構 | 名稱 | tanδ | |
分子結構 | 非極性分子 | 石 蠟 聚苯乙烯 聚四氟乙烯 | 小于0.0002 |
極性分子 | 纖維素 有機玻璃 | 0.01~0.015 | |
離子結構 | 晶格結構緊密 | 巖 鹽 剛 玉 | 小于0.0002 小于0.0002 |
晶格結構不緊密 | 多鋁紅柱石 | 0.015 | |
晶格畸變的晶體 | 鋯英石 | 0.02 | |
無定形結構 | 硅酸鉛玻璃 硅堿玻璃 | 0.001 0.01 | |
不均勻結構 | 絕緣子瓷 浸漬紙絕緣 | 0.01 0.01 | |
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值的影響隨電介質分子結構的不同有顯著的差異
中性或弱極性介質的損耗主要由電導引起，故溫度對tanδ的影響與溫度對電導的影響相似，即tanδ隨溫度的升高而按指數規律增大，且tanδ較小。
極性介質中，極化損耗不能忽略，tanδ值與溫度的關系如圖2-10所示。當溫度在t<t1時，由于溫度較低，電導損耗與極化損耗都小，電導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，電導損耗已占主導地位，tanδ又隨溫度升高而增大。
2.頻率對tanδ的影響主要體現于頻率對極化損耗的影響
tanδ與頻率的關系如圖2-11所示。在頻率不太高的一定范圍內，隨頻率的升高，偶極子往復轉向頻率加快，極化程度加強，介質損耗增大，tanδ值增大。當頻率超過某一數值后，由于偶極子質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，電場強度增大(由于電壓升高)，介質損耗功率變大，但tanδ幾乎不變。當電場強度達到某一較高數值時，隨著介質內部不可避免存在的弱點或
氣泡發生局部放電，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的tanδ影響也很大。介質受潮后，電導損耗增大，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，這是因為此時介質中的水分已凝結成冰，導電性又變差，電導損耗變小的緣故。為此，在進行絕緣試驗時規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，對監督絕緣的工作狀況以及老化的進程有非常重要的意義。
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