高壓電氣設(shè)備絕緣性能指標(biāo)：介電常數(shù)與介質(zhì)損耗

電介質(zhì)損耗角研究的意義
       電氣設(shè)備是組成電力系統(tǒng)的基本元件，是保證供電可靠性的基礎(chǔ),。無論是大型關(guān)鍵設(shè)備如發(fā)電機(jī),、變壓器，還是小型設(shè)備如電力電容器,、絕緣子等,，一旦發(fā)生失效，必將引起局部甚至全部地區(qū)的停電,。

而導(dǎo)致設(shè)備失效的主要原因是其絕緣性能的劣化,。絕緣劣化有很多原因，不僅電應(yīng)力可引起絕緣劣化,，導(dǎo)致絕緣故障，而且機(jī)械力或熱得作用,，或者和電場的共同作用,，zui終也會發(fā)展為絕緣性故障。鑒于絕緣故障在電力故障中所占的比重及其后果的嚴(yán)重性,，電力運(yùn)行部門歷來十分重視電氣設(shè)備的絕緣監(jiān)督,。

       電介質(zhì)的電氣特性，主要表現(xiàn)為它們在電場作用下的導(dǎo)電性能,、介電性能和電氣強(qiáng)度,，它們分別以四個主要參數(shù)，即電導(dǎo)率（或絕緣電阻率）,、介電常數(shù),、介質(zhì)損耗角正切和擊穿場強(qiáng)來表示。

電介質(zhì)損耗角是一項(xiàng)反映高壓電氣設(shè)備絕緣性能的重要指標(biāo),。電介質(zhì)損耗角的變化可反映受潮,、劣化變質(zhì)或絕緣中氣體放電等絕緣缺陷,，因此測量介質(zhì)損耗角是研究絕緣老化特征及在線監(jiān)視絕緣狀況的一項(xiàng)重要內(nèi)容。而在實(shí)際測量中,，由于電介質(zhì)損耗很小,，所以需要測量系統(tǒng)有較高的測量精度，這樣才能正確及時(shí)地反映電介質(zhì)損耗的變化,。對于電容型絕緣設(shè)備,，通過對其介質(zhì)特性的監(jiān)視，可以發(fā)現(xiàn)尚處于早期發(fā)展階段的缺陷,。

電介質(zhì)損耗角正切的理論基礎(chǔ)
對電介質(zhì)施加正弦波電壓,，外施電壓與相同頻率的電流之間相角的余角的正切值。其物理理論基礎(chǔ)為tanδ=每個周期內(nèi)介質(zhì)損耗的能量/每個周期內(nèi)介質(zhì)存儲的能量 

在交流電壓下,，流過電介質(zhì)的電流I包含有功分量IR和無功分量IC,，即I=IR+I
由圖1—1可以看出，此時(shí)的介質(zhì)功率損耗P=UIcos=UICtanδ=U2ωCPtanδ  （1--1） 式  ω----電源角頻率Φ----功δ
-----介質(zhì)損耗角,。采用介質(zhì)損耗P作為比較各種絕緣材料損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo)是不合適的,，因?yàn)镻
值得大小與所加電壓U、試品電容量CP,、電源頻率ω等一系列因素有關(guān),，而式中的
tanδ切是一個僅僅取決于材料損耗特性，而與上述種種因素?zé)o關(guān)的物理量,。正因于此,，通常均采用介質(zhì)損耗角正切tanδ作為綜合反映電介質(zhì)損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo)，測量和監(jiān)控各種電力設(shè)備絕緣的tan
δ值已成為電力系統(tǒng)中絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的zui重要項(xiàng)目之一,。有損介質(zhì)更細(xì)致的等值

在這個等值電路上加上直流電壓時(shí),，電介質(zhì)中流過的將是電容電流I1、吸收電流I2和傳導(dǎo)電流I3,。在電容電流I1在加壓瞬間數(shù)值很大,，但迅速下降到零，是一極短暫的充電電流,；吸收電流I2則隨著加電壓時(shí)間增長而逐漸減小,，比充電電流的下降要慢得多，約經(jīng)數(shù)十分鐘才衰減到零,，具體時(shí)間長短取決于絕緣的類型,、不均勻程度和結(jié)構(gòu)；傳導(dǎo)電流I3是*長期存在的電流分量,。這三個電流分量加在一起即得出吸收曲線

,。上述三條支路等值電路可進(jìn)一步簡化為電阻、
電容的并聯(lián)等值電路或串聯(lián)等值電路,。若介質(zhì)損耗主要由電導(dǎo)所引起,，常用并聯(lián)等值電路,；
如果介質(zhì)損耗主由極化所引起，常用串聯(lián)等值電路,。

三.等值電路1.并聯(lián)等值電路如果把電流歸并成由有功電流和無功電流兩部分組成,，即可得到圖1—1b示并列電路，圖中CP代表無功電流IC等值電容,、R則代表有功電流I
R的等值電阻,。其中IR=3+I2R=URIC=1+I2C=UωCP介質(zhì)損耗角正切tanδ等于有功電流和無功電流的比值，即tanδ=IRIC=URUωCP=1UωCP此時(shí)電路的功率損耗為：P=U2R=U2ωCPtanδ可見與式（1--1）所得介質(zhì)損耗*相同,。2.串聯(lián)等值電路用一只理想的無損耗電容CS一個電阻r相串聯(lián)的等值電路來代替,，如果1—3a所示。且由如1—3b的向量圖可得：tanδ=IrIω=ωCr由于r=tanδωCS,，I=cSωCS=UcosδωCS,，所以電路的功率損耗將為：P=2r=（UcosδωCS）2tanδωCS=U2ωCStanδ（cosδ）2
因?yàn)榻橘|(zhì)損耗角δ值很小，cosδ≈1,，所以P=U2ωCStanδ由并聯(lián)等值電路和串聯(lián)等值電路可知,，串聯(lián)等值電路中的電阻r要比并聯(lián)等值電路中的電阻R小得多 電介質(zhì)的簡化串聯(lián)等值電路及向量a  串聯(lián)等值電路       b  向量

介質(zhì)損耗角正切的測量由于介質(zhì)的功率損耗P與介質(zhì)損耗角正切tanδ成正比，所以tanδ
是絕緣品質(zhì)的重要指標(biāo),，測量tanδ值是判斷電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)的一項(xiàng)靈敏有效方法,。tanδ能反映絕緣的整體性缺陷（例如全面老化）和小電容試品中的嚴(yán)重局部缺陷。由于tanδ隨電壓而變化的曲線,，可判斷絕緣是否受潮,、含有氣泡及老化程度。但是測量tanδ不能靈敏地反映大容量發(fā)電機(jī),、變壓器和電力電纜絕緣中的局部性缺陷,，這是應(yīng)盡可能將這些設(shè)備分解成幾部分，然后分別測量它們的tanδ,，tanδ值得測量,，zui常用的是高壓交流電橋，即西林電橋法,。
液體介電常數(shù)測量儀鑒別危險(xiǎn)品

介電常數(shù)與介質(zhì)損耗測試儀GDAT-A 

GBT1409-2006測量電氣絕緣材料在工頻、音頻,、高頻(包括米波波長在內(nèi))下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法

一 工作特性
1.    平板電容器
極片尺寸：φ25.4mm
極片間距可調(diào)范圍和分辨率：≥10mm,，±0.01mm
2.    園筒電容器
電容量線性：0.33pF / mm±0.05 pF
長度可調(diào)范圍和分辨率：≥0～20mm，±0.01mm
3.  夾具插頭間距：25mm±1mm
4.  夾角損耗角正切值：≤4×10－4（1MHz時(shí)）

二. 工作原理
本測試裝置是由二只測微電容器組成,，平板電容器一般用來夾持被測樣品,，園筒電容器是一只分辨率高達(dá)0.0033pF的線性可變電容器，配用儀器作為指示儀器,，絕緣材料的損耗角正切值是通過被測樣品放進(jìn)平板電容器和不放進(jìn)樣品的Q值變化,，由園筒電容器的刻度讀值變化值而換算得到的,。同時(shí)，由平板電容器的刻度讀值變化而換算得到介電常數(shù),。

三. 使用方法
1.    被測樣品的準(zhǔn)備
被測樣品要求為園形,，直徑25.4～27mm，這是減小因樣品邊緣泄漏和邊緣電場引起的誤差的有效辦法,。樣品厚度可在1～5mm之間,，如太薄或太厚則測試精度就會下降，樣品要盡可能平直,。
下面推薦一種能提高測試性的方法：準(zhǔn)備二片厚0.05mm的園形錫膜,，直徑和平板電容器極片一致，錫膜兩面均勻地涂上一層薄薄的凡士林,，它起粘著作用,，又能排除接觸面之間殘余空氣，把錫膜再粘在平板電容器兩個極片上,，粘好后,，極片呈鏡面狀為佳，然后放上被測樣品,。
2. 測試順序
先要詳細(xì)了解配用儀器的使用方法,，操作時(shí)，要避免人體感應(yīng)的影響,。
a.    把配用的儀器主調(diào)諧電容置于zui小電容量,，微調(diào)電容置于－3pF。
b.    把本夾具測試裝置插到儀器測試回路的“電容”兩個端子上,，即插入到儀器上方接線銅柱的右邊兩個圓柱內(nèi),。
 
c.    配上相適應(yīng)的高Q值電感線圈，選擇電感沒有特別的方法,，只有試或憑經(jīng)驗(yàn)來選擇合適的那個,，一般選擇使高頻儀器顯示Q值zui大的電感zui為合適。
注：以上步驟是為了使高頻儀器工作起來（儀器是LC諧振工作原理,，所以要選擇合適的電感才能使儀器諧振）
d.    調(diào)節(jié)平板電容器測微桿,，使二極片相接為止，讀取刻度值記為DO,。
e.    再松開二極片,，把被測樣品插入二極片之間，調(diào)節(jié)平板電容器,，到二極片夾住樣品止（注意調(diào)節(jié)時(shí)要用測微桿,，以免夾得過緊或過松），這時(shí)能讀取新的刻度值,，記為D1,，這時(shí)樣品厚度D2= D1－D0,。
注：以上d和e兩步是測出被測樣片的厚度，方便后面計(jì)算介電常數(shù)時(shí)用,。
f.    把園筒電容器置于7mm處（該值不是的,，我們一般在測的時(shí)候放到7mm處就可以測了，不過有的時(shí)候在做到h步0驟時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)完刻度了Q值還沒有達(dá)到一半,，這時(shí)就要適當(dāng)?shù)陌?mm刻度調(diào)整到9mm或更大了）,。
g.    改變配合儀器頻率，使之諧振,，讀得Q值,。（如果測試材料樣片有“要求的測試頻率”，那么就先把頻率定位到該頻率,，然后再調(diào)節(jié)儀器的主調(diào)電容,，使儀器諧振（即儀器的Q值顯示為zui大）；如果不知道在頻率下測試的話,，我們一般把頻率放在1MHz下來調(diào)試,，然后再調(diào)節(jié)主調(diào)電容使儀器工作）。
h.    先順時(shí)針方向,，后逆時(shí)針方向,，調(diào)節(jié)園筒電容器，讀取當(dāng)儀器指示Q值為原值的一半時(shí)測微桿上二個刻度值,，取這二個值之差,，記為M1。（先記下園筒電容在7mm時(shí)儀器諧振時(shí)的zui大Q值,，即d步驟測得的Q值,；然后調(diào)節(jié)園筒電容器，看儀器的Q值顯示為原來的一半時(shí),，讀取園筒電容器上邊的刻度為多少,，要順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩次取兩個刻度值；如果園筒電容器順時(shí)針轉(zhuǎn)到0刻度時(shí)Q值還沒有到一半,，那么就要返回到第f步驟把園筒電容器置于9mm處或更大,，重新操作）。 
i.    再調(diào)節(jié)園筒電容器,，使儀器再次諧振（即把園筒電容器調(diào)回到7mm處）,。
j.    取出平板電容器中的樣品，這時(shí)儀器又失諧,，調(diào)節(jié)平
板電容器，使再諧振,，讀取測微桿上的讀值D3,，其變化值為
D4= D3－D0,。
k.    和h款操作一樣，得到新的二個值之差,，記為M2,。
3.  計(jì)算測試結(jié)果
被測樣品的介電常數(shù)：
Σ＝D2 / D4
被測樣品的損耗角正切值：
     tgδ＝K（M1－M2 ）/ 15.5    
式中：K為園筒電容器線性變化率，一般為0.33,。
4.  其他應(yīng)用使用方法
使用本測試裝置和儀器配用,，對絕緣材料以及其他高阻性能的薄材，列如：紙張,、木材,、粉壓片料等，進(jìn)行相對測量,，其測試方法就非常簡便,、實(shí)用，采取被測樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品相比較方法,，就能靈敏地區(qū)別二者之間的輕微差別,，例如含水量、配用原料變動等等,。
測試時(shí)先把標(biāo)準(zhǔn)樣品放入平板電容器,，調(diào)節(jié)儀器頻率，諧振后讀得Q值,，再換上被測樣品,，調(diào)節(jié)園筒電位器，再諧振,，看Q值變化,，如Q值變化很小，說明標(biāo)準(zhǔn)樣品和被測樣品高頻損耗值一致,，反之說明二者性能有區(qū)別,，如園筒電容器調(diào)節(jié)不能再諧振，通過調(diào)節(jié)儀器頻率才能諧振,，且頻率變化較大,，說明被測樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的配用原材料相差較大。

四. 維修方法
本測試裝置是由精密機(jī)械構(gòu)件組成的測微設(shè)備,，所以在使用和
保存時(shí)要避免振動和碰撞,，要求在不含腐蝕氣體和干燥的環(huán)境中使用和保存，不能自行拆裝,，否則其工作性能就不能保證,，如測試夾具受到碰撞，或者作為定期檢查，要檢測以下幾個指標(biāo)：
1.    平板電容器二極片平行度不超過0.02mm,。
2.    園筒電容器的軸和軸同心度誤差不超過0.1mm,。
3.    保證二個測微桿0.01mm分辨率。
4.    用精密電容測量儀（±0.01pF分辨率）測量園筒電容器,，電容呈線性率,，從0~20mm，每隔1mm測試一點(diǎn),，要求符合工作特性要求,。