介质损耗及介质损失角的基本概念

【模块描述】本模块介绍电介质的损耗及其等值电路。通过定义讲解、理论分析，了解电介质损耗及介质损失角的基本概念，熟悉电介质的等值电路。

【正文】

一、电介质损耗的基本概念

1.电介质损耗的概念

从电介质的极化和电导的概念可以看出，电介质在电压作用下有能量损耗，称为介质损耗，简称介损。介质损耗由下列三部分组成：

(1)电导损耗。它由电导电流(泄漏电流)流过电介质产生。电导损耗在交流电压和直流电压作用下均存在。

(2)极化损耗。它由极性电介质中的偶极子式极化和多层电介质的夹层极化引起的损耗。极化损耗只在交流电压作用下才存在。

(3)游离损耗。它是由液体及固体介质中的局部放电引起的损耗。游离损耗只在外施电压超过一定值时才会出现，并且随电压开高而急剧增加。游离损耗在交流电压和直流电压作用下均会出现。

当外加电压低于发生局部放所需的电压时，在直流电压作用下，因介质中没有周期性的极化过程，所以介质中只有电导损耗：在交流电压作用下，介质损耗包括电导损耗以及周期性极化引起的能量损耗。

2.电介质的等值电路

电介质的等值电路如图TYBZ01401003-1所示，该等值电路适用于直流电压和交流电压、中路中C₀支路表示介质无能量损耗的极化，支路中流过的电流i_c称为电容电流：r_g支路表示电导引起的损耗，支路中流过的电流i_g称为电导电流或泄漏电流；r_a—C_a支图表示有能量损耗的极化，支路中流过的电流i_a称为吸收电流。并联等值电路如图TYBZ01401003-2所示或串联等值电路如图TYBZ01401003-3所示。

需要指出的是：等值电路只有计算上的意义，并不反映介质损耗的物理意义。

3.介质损耗角正切值tanδ

以并联等值电路为例。当给电介质两端施加交流电压时，流过介质的电流包含有功分量I_R和无功分量I_C。把功率因数角φ的余角δ称为介质损失角，则tanδ=I_R/I_C=1/ωCR。介质上所加电压与流过介质电流的相量关系如图TYBZ01401003-2所示，则介质损耗P为

P=U I_R =U I_C tanδ=U²ωC_ptanδ     (TYBZ01401003-1)

从式(TYBZ01401003-1)可知，P值与试验电压、试品电容量及电源频率有关，不同试品间难以比较。如果外施电压和电源频率不变，则介质损耗与tanδ成正比，所以通常用介质损失角正切值tanδ来表示介质在交流电压作用下的损耗。tanδ仅与介质本身的特性有关，与被试品的几何尺寸无关，当绝缘受潮或绝缘中有大量气泡、杂质的情况下，tanδ会增大。故对同类型被试品绝缘的优劣，可以通过tanδ值的大小来判断。

需要说明的是介质损失角正切值tanδ即可反映介质本身的绝缘状况，同时介质损耗本身也是导致绝缘老化和损坏的一个原因，因为介质损耗将引起绝缘内部发热，温度开高，从而使泄漏电流增大和有损极化加剧，导致介质损耗更大。所以，对于运行中的电气设备，应监测其介质损耗的变化趋势，这对判断设备绝缘的品质具有重要意义。

二、影响介质损失角正切值tanδ的因素

影响tanδ值的因素主要有频率、温度和电压。

(1)频率对tanδ的影响很大，在进行试验时，电源频率变化很微小，可认为频率对tanδ没有影响。

(2)温度对tanδ的影响与介质结构有关。中性或弱极性电介质的损耗主要是电导损耗，损耗较小，当温度升高时，tanδ增大。极性电介质的tanδ与温度的关系如图TYBZ01401003-4所示。

(3)电压较低(场强较小)时，tanδ与电压无关当介质中含有气泡时，外施电压升高到气泡的起始游离电压后，将发生局部放电，tanδ值将随电压的升高明显增大。所以在较高电压下测量tanδ，可以检查介质中是否含有气隙，也可以发现介质老化分层、龟裂等缺陷。

三、电介质的介质损耗

1.气体电介质中的损耗

当外施电压小于气体发生碰撞游离所需的电压时，气体中的损耗主要是电导损耗，损耗极小，可忽略不计。所以常用气体作为标准电容器的介质。当外施电压超过起始游离电压U₀

时，损耗随电压的升高急剧增大。如图TYBZ01401003-5所示。

2.液体电介质中的损耗

中性或弱极性液体电介质的损耗主要是电导损耗，损耗较小，tanδ与温度及电场的关系和电导相似：温度升高，tanδ增大。电场强度小于某定值时， tanδ接近为一常数，电场强度超过某定值时，tanδ随电场强度的增大而增大。极性液休电介质的tanδ与温度的关系如图TYBZ01401003-4所示。

3.固体电介质中的损耗

固体电介质通常分为分子式结构介质、离子式结构介质、不均匀结构介质。分子结构中的中性电介质如石蜡、聚乙烯等，以及离子结构的电介质如云母等，其损耗主要由电导引起，因其电导很小，所以介质损耗也很小。分子结构中的极性电介质，如纤维、有机玻璃等，介质损耗较大，高频下更严重。其值与温度的关系同极性液体介质。

不均匀结构的介质，其损耗的大小取决于其中各成分的性能及数量间的比例。

四、介质损耗在工程实际中的意义

(1)选择绝缘材料。tanδ过大会引起介质严重发热，加速绝缘劣化。

(2)在电气设备绝缘预防性试验中，tanδ值的测量是基本的试验项目，可根据tanδ值的变化判断电气设备的绝缘品质。通过测量tanδ与U的关系曲线还可判断绝缘内都是否发生局部放电。