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介質(zhì)損耗因子、介質(zhì)損耗角正切基本概念與影響因素
閱讀：4068發(fā)布時(shí)間：2024-3-28
一,、介質(zhì)損耗的基本概念
1.介質(zhì)損耗
電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下(加電壓后),，要發(fā)生極化過(guò)程和電導(dǎo)過(guò)程。有損極化過(guò)程有能量損耗,；電導(dǎo)過(guò)程中,，電學(xué)性泄漏電流流過(guò)絕緣電阻當(dāng)然也有能量損耗。損耗程度一般用單位時(shí)間內(nèi)損耗的能量,，即損耗功率表示,。這種電介質(zhì)出現(xiàn)功率損耗的過(guò)程稱(chēng)為介質(zhì)損耗。顯然,，介質(zhì)損耗過(guò)程隨極化過(guò)程和電導(dǎo)過(guò)程同時(shí)進(jìn)行,。介質(zhì)損耗掉的能量(電能)變成了熱能，使電介質(zhì)溫度升高,。若介質(zhì)損耗過(guò)大,，則電介質(zhì)溫度將升得過(guò)高，這將加速電介質(zhì)的熱分解與老化,，最終可能導(dǎo)致絕緣性能的失去,，所以研究介質(zhì)損耗有十分重要的意義。
2.介質(zhì)損耗的基本形式
(1)電導(dǎo)損耗,。電導(dǎo)損耗為電場(chǎng)作用下由泄漏電流引起的那部分損耗,。泄漏電流與電場(chǎng)頻率無(wú)關(guān)，故這部分損耗在直流交流下都存在,。氣體電介質(zhì)以及絕緣良好的液,、固體電介質(zhì)，電導(dǎo)損耗都不大,。液,、固體電介質(zhì)的電導(dǎo)損耗隨溫度升高而按指數(shù)規(guī)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(guò)程僅在電壓施加后很短時(shí)間內(nèi)存在,，與電導(dǎo)損耗相比可忽路,。而在交流電壓作用下，由于電介質(zhì)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(gè)加壓過(guò)程之中,。極化損耗在頻率不太高時(shí)隨頻率升高而增大。但頻率過(guò)高時(shí),，極化過(guò)程反而減弱,，損耗減小,。極化損耗與溫度也有關(guān)，在某一溫度下極化損耗達(dá)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(zhì)內(nèi)部氣泡中局部放電所造成的損耗,。這是因?yàn)榉烹姇r(shí),，產(chǎn)生帶電粒子需要游離能,，放電時(shí)出現(xiàn)光,、聲、熱,、化學(xué)效應(yīng)也要消耗能量。游離能隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大,。
二,、介質(zhì)損失角正切tanδ
由上可見(jiàn)，在直流電壓作用下,，介質(zhì)損耗主要為電導(dǎo)損耗，因此,，電導(dǎo)率γ或電阻率ρ既表示介質(zhì)電導(dǎo)的特性，同時(shí)也表征了介質(zhì)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(gè)新的物理量來(lái)表征介質(zhì)損耗的特性,，這個(gè)物理量就是tanδ,。
1.并聯(lián)等值電路及損耗功率的計(jì)算公式
電介質(zhì)兩端施加一交流電壓
時(shí),，就有電流I流過(guò)介質(zhì)。I有三個(gè)電流分量組成
式中 
——電導(dǎo)過(guò)程的電流,，為阻性電流,，與
同相位,；
——無(wú)損極化和有損極化時(shí)的電流,。
對(duì)應(yīng)的等值電路如圖2-9(a)所示，此等值電路可進(jìn)一步簡(jiǎn)化成如圖2-9(b)所示的由R和Cp相并聯(lián)的等值電路,。此并聯(lián)等值電路的相量圖如圖2-9(c)所示,。我們定義功率因數(shù)角θ的余角為δ角。由相量圖可見(jiàn),，介質(zhì)損耗功率越大,，IR越大，δ角也越大,，因此δ角稱(chēng)為介質(zhì)損失角,。
對(duì)此并聯(lián)等值電路，可寫(xiě)出介質(zhì)損耗功率P的計(jì)算公式
當(dāng)然,，圖2-9(b)的電路也可以簡(jiǎn)化成由r和Cs相串聯(lián)的等值電路,，可以證明
當(dāng)tanδ 很小時(shí)， Cs≈C
對(duì)于串聯(lián)等值電路,，同樣可以推出損耗功率的計(jì)算公式
2.tanδ值的意義
從介質(zhì)損耗功率P的計(jì)算公式看,，我們?nèi)粲肞來(lái)表征介質(zhì)損耗的程度是不方便的，因?yàn)?/span>P值與試驗(yàn)電壓U的高低,、試驗(yàn)電壓的角頻率ω(ω=2Πf),、電介質(zhì)等值電容量Cp (或Cs)以及tanδ值有關(guān)。而若在試驗(yàn)電壓,、頻率、電介質(zhì)尺寸一定的情況下,，那么介質(zhì)損耗功率僅取決于 tanδ,，換句話(huà)說(shuō)，也就是tanδ是與電壓,、頻率,、絕緣尺寸無(wú)關(guān)的量,，它儀取決于電介質(zhì)的損耗特性。所以 tanδ是表征介質(zhì)損耗程度的物理量,，與εr、γ相當(dāng),。這樣,我們可以通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量電介質(zhì)的tanδ值，并以此來(lái)判斷介質(zhì)損耗的程度,。各種結(jié)構(gòu)固體電介質(zhì)的tanδ如表2-2所示。
表2-2 各種結(jié)構(gòu)固體電介質(zhì)的tanδ值
(1MHz，20℃時(shí))
電介質(zhì)結(jié)構(gòu) | 名稱(chēng) | tanδ | |
分子結(jié)構(gòu) | 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(jī)玻璃 | 0.01~0.015 | |
離子結(jié)構(gòu) | 晶格結(jié)構(gòu)緊密 | 巖 鹽 剛 玉 | 小于0.0002 小于0.0002 |
晶格結(jié)構(gòu)不緊密 | 多鋁紅柱石 | 0.015 | |
晶格畸變的晶體 | 鋯英石 | 0.02 | |
無(wú)定形結(jié)構(gòu) | 硅酸鉛玻璃 硅堿玻璃 | 0.001 0.01 | |
不均勻結(jié)構(gòu) | 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(duì)tanδ值的影響隨電介質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的不同有顯著的差異
中性或弱極性介質(zhì)的損耗主要由電導(dǎo)引起，故溫度對(duì)tanδ的影響與溫度對(duì)電導(dǎo)的影響相似,，即tanδ隨溫度的升高而按指數(shù)規(guī)律增大,，且tanδ較小,。
極性介質(zhì)中，極化損耗不能忽略,，tanδ值與溫度的關(guān)系如圖2-10所示,。當(dāng)溫度在t<t1時(shí)，由于溫度較低,，電導(dǎo)損耗與極化損耗都小,，電導(dǎo)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(zhuǎn)向容易),，所以tanδ隨溫度升高而增大。當(dāng)溫度在t1＜t＜t2時(shí),，溫度已不太低,，此時(shí)分子的熱運(yùn)動(dòng)反而妨礙偶極子沿電場(chǎng)方向作有規(guī)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(guò)電導(dǎo)損耗隨溫度升高的程度,，因此tanδ隨溫度升高而減小。當(dāng)溫度在t＞t2時(shí),，溫度已很高,，電導(dǎo)損耗已占主導(dǎo)地位，tanδ又隨溫度升高而增大,。
2.頻率對(duì)tanδ的影響主要體現(xiàn)于頻率對(duì)極化損耗的影響
tanδ與頻率的關(guān)系如圖2-11所示,。在頻率不太高的一定范圍內(nèi)，隨頻率的升高,，偶極子往復(fù)轉(zhuǎn)向頻率加快,，極化程度加強(qiáng)，介質(zhì)損耗增大,，tanδ值增大,。當(dāng)頻率超過(guò)某一數(shù)值后，由于偶極子質(zhì)量的慣性及相互間的摩擦作用,，來(lái)不及隨電壓極性的改變而轉(zhuǎn)向,，極化作用減弱，極化損耗下降,，tanδ值降低,。
3.電壓對(duì)tanδ的影響主要表現(xiàn)為電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)tanδ值的影響
在電場(chǎng)強(qiáng)度不很高的一定范圍內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度增大(由于電壓升高),，介質(zhì)損耗功率變大,，但tanδ幾乎不變。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到某一較高數(shù)值時(shí),，隨著介質(zhì)內(nèi)部不可避免存在的弱點(diǎn)或
氣泡發(fā)生局部放電,，tanδ隨電場(chǎng)強(qiáng)度升高而迅速增大,。因此，在較高電壓下測(cè)tanδ值,，可以檢查出介質(zhì)中夾雜的氣隙,、分層、龜裂等缺陷來(lái),。
此外,，濕度對(duì)暴露于空氣中電介質(zhì)的tanδ影響也很大。介質(zhì)受潮后,，電導(dǎo)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(cè)試是在溫度低于0～5℃時(shí)進(jìn)行,，含水量增加tanδ反而不會(huì)增大,，這是因?yàn)榇?/span>時(shí)介質(zhì)中的水分已凝結(jié)成冰，導(dǎo)電性又變差,，電導(dǎo)損耗變小的緣故,。為此，在進(jìn)行絕緣試驗(yàn)時(shí)規(guī)定被試品溫度不低于+5℃,，這對(duì)tanδ的測(cè)試尤為重要,，
在工程實(shí)際中，通過(guò)tanδ以及tanδ=f(u)曲線的測(cè)量及判斷,，對(duì)監(jiān)督絕緣的工作狀況以及老化的進(jìn)程有非常重要的意義,。
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