絕緣油的介質損耗因數特性

一、有關名詞術語的定義

介質 dielectric:能把帶電的導體隔開的媒質。

介質損耗dielectric loss:絕緣材料在電場作用下，由于介質電導和介質極化的滯后效應，在其內部引起的能量損耗。

介質損耗角 dielectric loss angle:在交變電場作用下電介質內部流過的電流相量和電壓相量之間的夾角(功率因數角)的余角(δ)。

(介質)損耗因數 dielectric dissipation factor:又稱(介質)損耗角正切(loss tangent，tgδ)，介質損耗角的正切值。

二、絕緣油的介質損耗角的決定因素

絕緣油的介質損耗通常以對介質損耗角δ的正切值(tgδ)來表示，它由有功分量和無功分量兩部分組成。而有功分量又包括有效電流I(·)_i(直接在電場下的有功損耗)和吸收電流I(·)_r(在交流電壓下所形成的極化損耗)，無功部分就是電容電流I(·)_c(在高頻時還有電感電流)。這樣損耗值大小就是全部合成電流I(·)，見下圖。

絕緣油的介質損耗相量圖

合成電流I(·)取決于有功電流，而在恒定的交流頻率下有效電流I(·)_i具有決定性的作用。實驗證明:有效電流I(·)_i與油的內分子狀況又有直接的關系，如在溫度影響下，黏度的變化是很好的例證。同時由于在不同黏度下，電子通過油中空穴的阻力是變化的，所以有效電流I(·)_i實際上也是溫度及黏度的函數。

一般油的介質損耗角由下列三個主要因素所決定，即油的電導、空間電荷和雙極分子。

1.電導

油的電導所產生的損失是比較容易明了的，因為任何理想的介質都是存在著極微的導電性。目前發現的一切絕緣液體介質中，幾乎沒有一個是絕對不導電的。油的電導與油中的雜質有很大關系。對于含有雜質包括水分)的絕緣油，其電導就是由這些雜質的電阻率所決定的。

2.空間電荷

空間電荷是由油的電極化性質所決定的，但油的電極化性質對于運動的離子速度來說，又是由電場頻率所決定的。當頻率越高時，離子獲得的質量越大，即離子在電場中互相牽制得越強，其介質損耗值就會減小。

3.雙極分子

對于雙極分子，主要為電場下的中性分子轉變為極性分子之間的無功摩擦極性損耗，即熱損耗。如果電流的有功分量為常數時，這種無功分量所造成的熱損耗卻隨頻率的增高而增高(電感電流的增大)。在頻率f=10⁸ Hz時:介質損耗因數tgδ有一極大值存在。

在工頻和規定的90℃試驗溫度之下，損耗主要歸于油的電導。

三、雜質對介質損耗因數值的影響

在含有雜質的絕緣油中，雜質在電場作用下將形成電場偶極化損失，因而使油的介質總損耗增加。品質非常純凈的油為非極性分子，其介質損耗因數主要決定于油的電導。

四、水分對介質損耗因數值的影響

水分是影響介質損耗因數的重要因素，即使對于品質十分純凈、沒有發生氧化的油，當含有水分時，其對介質損耗因數的影響也是十分顯著。一般來說，因水分造成介質損耗的增大，是基于油的電導值的增大。我們知道，純水并不是導體。但是油中的水，卻因為溶解了某些低分子有機酸類(它能充分地被纖維素吸附)，而這些酸類又是絕緣油氧化不可避免的產物，因而成了良導體。

五、溫度對介質損耗因數值的影響

1.好油

在一般情況下，介質損耗因數與絕對溫度倒數成指數式關系變化。這是因為溫度可以改變油的物理性質。在一定范圍內，黏度是取決于溫度的，因為溫度升高時油的黏度值減小，對油的電極化性質來說，由于其離子在電場中所獲得的平均速度與離子的牽移率有關，而離子的牽移率的增長又與離子的質量及油的黏度減低有關，所以當溫度增加時，使油的電導性能加強。

2.壞油

老化的油的介質損耗因數值隨溫度變化比好油要快得多，例如在20℃時，如果老化的油的tgδ只相當于好油tgδ的2倍，那么在100℃就可能相差20倍。因此可能出現這種情況:油在20℃時tgδ合格，而在90℃時tgδ超過標準。所以應盡可能采用在較高的溫度進行。當溫度提高到80~100℃，測得的介質損耗值反映油的劣化及受潮程度的靈敏度較高，故GB/T 5654-2007《液體絕緣材料 相對電容率、介質損耗因數和直流電阻率的測量》和GB/T 7595-2017 《運行中變壓器油質量》中規定測定的溫度為 90℃。

通常認為初始值能較好地代表液體的實際狀態，因為在較高溫度下，介質損耗因數會隨試樣加熱及恒溫時間而變化，甚至不加電場時也是如此，故要求在溫度一達到平衡時就測量絕緣油介質損耗因數值。