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電介質損耗測試的意義
閱讀：643發(fā)布時間：2024-3-20
介質在電壓作用下有能量損耗：一種是由極化引起的損耗，極性介質中偶極子轉動有能量損耗，在多層介質中也會產生夾層介質極化引起損耗；另一種是電導引起的損耗。
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引起，用體積電阻率和表面電阻率兩個物理量已足夠表達，故直流電壓下不需再引入介質損耗這個概念。但在交流電壓作用下，除電導損耗外，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)為介質兩端施加交流電壓時的電壓電流向量圖（取電壓為基準量)，由于介質中有損耗，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)
用介質損耗P表示介質品質好壞是不方便的，因為P值和試驗電壓、試品尺寸等因素有關，不同的試品難以互相比較，故以介質損耗角正切tanδ(δ角為功率因數(shù)角φ的余角)來判斷介質的品質：
有損耗的介質可以用一個理想電容器和一個有效電阻的并聯(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，由于絕緣的tanδ都很小，損耗的表達式與式(2-8)相同。
該等值電路只有計算上的意義，并不能確切地反映物理過程。如果損耗主要是電導引起的，則常用并聯(lián)等值電路。如果損耗主要由介質極化及連接導線的電阻等引起，則常用串聯(lián)等值電路。但應注意，同一介質用不同等值電路表示時，其等值電容是不相同的。
氣體介質在強電場作用下，除了電導、極化兩種損耗外，還有氣體游離引起的損耗。當電場強度不足以產生碰撞游離時，氣體中損耗是由電導引起的，損耗極小(tanδ＜4×10-8)。所以常用氣體(如空氣、N2、CO2、SF2)作為標準電容器的介質。但當外施電壓超過起始電壓U0時，氣體介質會發(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。
固體介質中含有氣泡時，在高壓下也會發(fā)牛游離，并使湖體介質逐漸劣化。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，使氣隙內的電場強度降為零。例如35kV瓷內壁上半導體釉，通過彈性鋼片與導桿相連；高壓電機定子線圈槽內絕緣外包半導體層后，可嵌入槽內等。
中性或弱極性液體的擬耗主要來源于電導，故損耗較小。其損耗與溫度的關系也和電導相似。
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)都具有電導和極化兩種損耗，故損耗和溫度、頻率都有關系，如圖2-13所示。當溫度t≤t1時，由于溫度低，故電導和極化損耗都很小。隨著溫度升高電導增加，電導損耗也增大；同時由于液體黏度是隨溫度上升而減少，故偶極子的極化增強，極化損耗也因而增加。所以在該段內tanδ就隨溫度升高而上升，直到t= t1時達極大值。在t1＜t＜t2范圍內，由于分子熱運動加快，妨礙偶極子在電場作用下作有規(guī)則的排列，極化強度反而減弱，所以極化損耗就隨溫度升高而減小，由于這一段內極化損耗的減小比電導損耗的增加更快，故總的看來tanδ隨溫度升高而下降。在t= t2時tanδ出現(xiàn)一級小值。t＞t2后，極化損耗已不起主要作用，電導損耗決定著總的損耗，故tanδ重新隨溫度上升而增加，
當頻率增加時，tanδ的極大值出現(xiàn)在較高的溫度下，這是因為頻率高時，偶極子的轉動來不及充分進行。要使極化進行充分，就必須減小黏度，即升高溫度。
固體介質的情況比較復雜，通常將其分為分子式結構、離子式結構、不均勻結構和強極性電介質等四類。強極性電介質在高壓設備上是不采用的。
分子式結構有中性和極性兩種。中性分子式結構如純石蠟、聚苯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等，其損耗主要由電導引起，這些介質的電導極小，故介質損耗非常小，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，有機玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等。此類介質的tanδ與溫度、頻率的關系與極性液體相似，tanδ值較大，高頻下更為嚴重。
離子式結構的介質，其tanδ與結構特性有關。結構緊密的離子晶體，且不含有使晶格畸變的雜質時，主要是電導式損耗，故tanδ極小，如云母。云母不僅tanδ小，而且電氣強度高、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。
在結構不緊密的離子結構中，有離子松弛式極化現(xiàn)象(介質中聯(lián)系不緊密的離子能在外界電場作用下，從非定向的熱運動中得到沿電場方向的位移)，這種極化同偶極子轉向極化相似，也是有損耗的。所以這類介質的tanδ值較大，玻璃、陶瓷就屬于這一類，但隨成分和結構的不同，tanδ也相差懸殊。
不均勻結構介質在工程上較常遇到，如電機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。
討論介質損耗的意義在于：；
(1)在設計絕緣結構時，要注總材料的tanδ值，如tanδ值過大則會引起嚴重發(fā)熱，使材料劣化、導致熱擊穿。
(2)在進行沖擊測量時，其連接電纜絕緣的tanδ必須要小，否則沖擊波在其中傳播時波形將發(fā)生畸變，影響測量精度。
(3)在絕緣預防性試驗中，tanδ的測量是一基本項目，絕緣受潮或劣化時，tanδ急劇增加，絕緣內部發(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，tanδ小。用于其他場合，介質的發(fā)熱有時可能成為有用。
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