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電介質(zhì)損耗測試的意義
閱讀：1080發(fā)布時(shí)間：2024-3-20
介質(zhì)在電壓作用下有能量損耗：一種是由極化引起的損耗，極性介質(zhì)中偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)有能量損耗,，在多層介質(zhì)中也會產(chǎn)生夾層介質(zhì)極化引起損耗,；另一種是電導(dǎo)引起的損耗。
直流電壓作用下,，由于無周期性的極化,，因此損耗只是由電導(dǎo)引起，用體積電阻率和表面電阻率兩個(gè)物理量已足夠表達(dá),，故直流電壓下不需再引入介質(zhì)損耗這個(gè)概念,。但在交流電壓作用下，除電導(dǎo)損耗外,，還有由于周期性的極化而引起的能量損耗：因此,，需引入一新的物理量來表示，如圖2-10所示,。圖2-10(b)為介質(zhì)兩端施加交流電壓時(shí)的電壓電流向量圖（取電壓為基準(zhǔn)量)，由于介質(zhì)中有損耗,，所以電流不是純電容性的電流,，而是包含有功和無功兩個(gè)分量,，即
(2-4)
所以電源供給的視在功率為
(2-5)
由圖2-10(b)功率三角形可見
(2-6)
用介質(zhì)損耗P表示介質(zhì)品質(zhì)好壞是不方便的,，因?yàn)镻值和試驗(yàn)電壓,、試品尺寸等因素有關(guān),，不同的試品難以互相比較,，故以介質(zhì)損耗角正切tanδ(δ角為功率因數(shù)角φ的余角)來判斷介質(zhì)的品質(zhì)：
有損耗的介質(zhì)可以用一個(gè)理想電容器和一個(gè)有效電阻的并聯(lián)或串聯(lián)等值電路來表示,。圖2-11是用電阻,、電容并聯(lián)等值電路,，從向量圖上可看出
如用串聯(lián)等值電路時(shí)，由于絕緣的tanδ都很小,，損耗的表達(dá)式與式(2-8)相同,。
該等值電路只有計(jì)算上的意義，并不能確切地反映物理過程,。如果損耗主要是電導(dǎo)引起的,，則常用并聯(lián)等值電路。如果損耗主要由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線的電阻等引起,，則常用串聯(lián)等值電路,。但應(yīng)注意，同一介質(zhì)用不同等值電路表示時(shí),，其等值電容是不相同的。
氣體介質(zhì)在強(qiáng)電場作用下,，除了電導(dǎo)、極化兩種損耗外,，還有氣體游離引起的損耗,。當(dāng)電場強(qiáng)度不足以產(chǎn)生碰撞游離時(shí)，氣體中損耗是由電導(dǎo)引起的,，損耗極小(tanδ＜4×10-8),。所以常用氣體(如空氣、N2,、CO2,、SF2)作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)。但當(dāng)外施電壓超過起始電壓U0時(shí),，氣體介質(zhì)會發(fā)生局部放電,，損耗刷增，如圖2-12所示.這種現(xiàn)象在高壓輸電線上表現(xiàn)得極為突出,，稱電暈損耗,。
固體介質(zhì)中含有氣泡時(shí)，在高壓下也會發(fā)牛游離,，并使湖體介質(zhì)逐漸劣化,。所以經(jīng)常采用浸油、充膠等措施來消除氣泡,。.對于固體介質(zhì)和金屬電極接觸處的空氣隙,，則經(jīng)常采用短路的辦法，使氣隙內(nèi)的電場強(qiáng)度降為零,。例如35kV瓷內(nèi)壁上半導(dǎo)體釉,，通過彈性鋼片與導(dǎo)桿相連,；高壓電機(jī)定子線圈槽內(nèi)絕緣外包半導(dǎo)體層后，可嵌入槽內(nèi)等,。
中性或弱極性液體的擬耗主要來源于電導(dǎo),，故損耗較小。其損耗與溫度的關(guān)系也和電導(dǎo)相似,。
極性液體(如蓖麻油,、氯化聯(lián)苯等)以及極性與中性液體的混合物(如電纜膠是松香和變壓器油的混合物)都具有電導(dǎo)和極化兩種損耗，故損耗和溫度,、頻率都有關(guān)系,，如圖2-13所示。當(dāng)溫度t≤t1時(shí),，由于溫度低,，故電導(dǎo)和極化損耗都很小。隨著溫度升高電導(dǎo)增加,，電導(dǎo)損耗也增大,；同時(shí)由于液體黏度是隨溫度上升而減少，故偶極子的極化增強(qiáng),，極化損耗也因而增加,。所以在該段內(nèi)tanδ就隨溫度升高而上升，直到t= t1時(shí)達(dá)極大值,。在t1＜t＜t2范圍內(nèi),，由于分子熱運(yùn)動(dòng)加快，妨礙偶極子在電場作用下作有規(guī)則的排列,，極化強(qiáng)度反而減弱,，所以極化損耗就隨溫度升高而減小，由于這一段內(nèi)極化損耗的減小比電導(dǎo)損耗的增加更快,，故總的看來tanδ隨溫度升高而下降,。在t= t2時(shí)tanδ出現(xiàn)一級小值。t＞t2后,，極化損耗已不起主要作用,，電導(dǎo)損耗決定著總的損耗，故tanδ重新隨溫度上升而增加,，
當(dāng)頻率增加時(shí),，tanδ的極大值出現(xiàn)在較高的溫度下，這是因?yàn)轭l率高時(shí),，偶極子的轉(zhuǎn)動(dòng)來不及充分進(jìn)行,。要使極化進(jìn)行充分，就必須減小黏度，即升高溫度,。
固體介質(zhì)的情況比較復(fù)雜,，通常將其分為分子式結(jié)構(gòu)、離子式結(jié)構(gòu),、不均勻結(jié)構(gòu)和強(qiáng)極性電介質(zhì)等四類,。強(qiáng)極性電介質(zhì)在高壓設(shè)備上是不采用的。
分子式結(jié)構(gòu)有中性和極性兩種,。中性分子式結(jié)構(gòu)如純石蠟,、聚苯乙烯、聚乙烯,、聚四氟乙烯等,，其損耗主要由電導(dǎo)引起，這些介質(zhì)的電導(dǎo)極小,，故介質(zhì)損耗非常小,，在高頻下也可使用。極性的纖維性材料有紙,、纖維板等和含有極性基的聚合物,，如聚氯乙烯，有機(jī)玻璃,、酚醛樹脂、硬橡膠等,。此類介質(zhì)的tanδ與溫度,、頻率的關(guān)系與極性液體相似，tanδ值較大,，高頻下更為嚴(yán)重,。
離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，其tanδ與結(jié)構(gòu)特性有關(guān),。結(jié)構(gòu)緊密的離子晶體,，且不含有使晶格畸變的雜質(zhì)時(shí)，主要是電導(dǎo)式損耗,，故tanδ極小,，如云母。云母不僅tanδ小,，而且電氣強(qiáng)度高,、耐熱性能好、耐游離性能也好,，故是優(yōu)良的絕緣材料,，在高頻下也可使用。
在結(jié)構(gòu)不緊密的離子結(jié)構(gòu)中,，有離子松弛式極化現(xiàn)象(介質(zhì)中聯(lián)系不緊密的離子能在外界電場作用下,，從非定向的熱運(yùn)動(dòng)中得到沿電場方向的位移),，這種極化同偶極子轉(zhuǎn)向極化相似，也是有損耗的,。所以這類介質(zhì)的tanδ值較大,，玻璃、陶瓷就屬于這一類,，但隨成分和結(jié)構(gòu)的不同,，tanδ也相差懸殊。
不均勻結(jié)構(gòu)介質(zhì)在工程上較常遇到,，如電機(jī)絕緣中使用的云母制品和廣泛使用的油浸紙,、膠紙絕緣。它們的損耗決定其中各成分的性能和數(shù)量間的比,。
討論介質(zhì)損耗的意義在于：,；
(1)在設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí)，要注總材料的tanδ值,，如tanδ值過大則會引起嚴(yán)重發(fā)熱,，使材料劣化、導(dǎo)致熱擊穿,。
(2)在進(jìn)行沖擊測量時(shí),，其連接電纜絕緣的tanδ必須要小，否則沖擊波在其中傳播時(shí)波形將發(fā)生畸變,，影響測量精度,。
(3)在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，tanδ的測量是一基本項(xiàng)目,，絕緣受潮或劣化時(shí),，tanδ急劇增加，絕緣內(nèi)部發(fā)生游離可根據(jù)tanδ=f(U)的曲線(如圖2-12)來判斷,。
(4)用做絕緣材料的介質(zhì),，tanδ小。用于其他場合,，介質(zhì)的發(fā)熱有時(shí)可能成為有用,。
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