1.電介質(zhì)的損耗

1.1電介質(zhì)損耗的基本概念

任何電介質(zhì)在電壓作用下都會有能量損耗：一種是由電導(dǎo)引起的所謂電導(dǎo)損耗；另一種是由某種極化引起的所謂極化損耗。電介質(zhì)的能量損耗簡稱為介質(zhì)損耗。同一介質(zhì)在不同類型的電壓作用下，其損耗也不同。

在直流電壓下，由于介質(zhì)中沒有周期性的極化過程，而一次性極化所損耗的能量可以忽略不計，所以電介質(zhì)中的損耗就只有電導(dǎo)引起的損耗，這時用電介質(zhì)的電導(dǎo)率即可表達(dá)其損耗特性。因此，在直流電壓下沒有介質(zhì)損耗這一說法。

在交流電壓下，除了電導(dǎo)損耗外，還存在由于周期性反復(fù)進(jìn)行的極化而引起的不可忽略的極化損耗，所以需要引入一個新的物理量來反映電介質(zhì)的能量損耗特性，即所謂電介質(zhì)損耗。電介質(zhì)損耗最終會引起電介質(zhì)的發(fā)熱，致使溫度升高，溫度升高又使介質(zhì)的電導(dǎo)增大，泄漏電流增加，損耗進(jìn)一步增大，如此形成惡性循壞。長期的高溫作用會加速絕緣的老化過程，直至損壞絕緣。因此，介質(zhì)的損耗特性對其絕緣性能影響極大。

由上述可見，絕緣在交流電壓下的損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在直流電壓下的損耗，這也是絕緣在交流電壓下比在直流電壓下更容易劣化和損壞的重要原因之一。

1.2 介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)

圖1-9所示的電介質(zhì)三支路并聯(lián)等效電路可以代表任何實(shí)際介質(zhì)的等效電路，不但適用于直流電壓，也適用于交流電壓。電路中的電阻R及r是引起有功功率損耗的元件。R代表電導(dǎo)引起的損耗，r代表有損極化過程中引起的損耗。在交流電壓作用下，電介質(zhì)等效電路中的電流(或電壓)可以歸并為有功和無功兩個分量。因此，圖1-9可進(jìn)一步簡化為電阻和電容兩個元件并聯(lián)或串聯(lián)的等效電路，如圖1-10、圖1-11所示。

在等效電路所對應(yīng)的相量圖中，φ為通過介質(zhì)的電流與所加電壓間的相位角，即電路的功率因數(shù)角；δ為φ的余角，稱之為介質(zhì)損耗角。

需要指出，上述兩個等效電路的結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)各不相同，但這并不影響電路中的電壓、電流及其相位關(guān)系，這是因為它們是根據(jù)等效條件建立起來的。

對于圖1-10所示的并聯(lián)等效電路，有

                (1-11)

電路中的功率損耗為

          (1-12)

對于圖1-11所示的串聯(lián)等效電路，有

                 （1-13)

電路中的功率損耗為

    (1-14)

因為上述兩種等效電路是描述同一介質(zhì)的不同等效電路，所以其功率損耗應(yīng)相等。比較式(1-12)和式(1-14)可得

                           （1-15)

此式說明，對同一介質(zhì)用不同的等效電路表示時，其等效電容是不相同的。所以，當(dāng)用高壓電橋測量絕緣的tanδ時，電容量的計算公式則與采用哪一種等效電路有關(guān)。由于絕緣的tanδ一般都很小，即1+tan²δ≈1，故C_p≈C_s，這時功率損耗在兩種等效電路中就可用同一公式表示為

                          (1-16)

由此可見，介質(zhì)損耗P與外加電壓U的平方成正比，與電源的角頻率ω成正比，且與電容量成正比。所以，為了控制絕緣的損耗功率，減少其發(fā)熱，延緩介質(zhì)的老化，應(yīng)避免絕緣長期在高于其額定電壓及高于額定頻率的電源下工作。通常，對于電氣設(shè)備而言，額定工作電壓及電源頻率均為定值，由于絕緣結(jié)構(gòu)一定，C也一定，因此P最后取決于tanδ，即P與tanδ成正比，所以tanδ的大小將直接反映介質(zhì)損耗功率的大小。因此，在高電壓工程中常將tanδ 作為衡量電介質(zhì)損耗特性的一個物理參數(shù)，稱之為介質(zhì)損耗因數(shù)或介質(zhì)損耗角正切。

需要說明，用tanδ表示電介質(zhì)的損耗特性要比直接用損耗功率P方便得多，這是因為：

(1)P值與試驗電壓、試品尺寸均密切相關(guān)，因此不能對不同尺寸的同樣絕緣材料進(jìn)行比較。

(2) 是一個比值，無量綱，它與材料的幾何尺寸無關(guān)，只與材料的品質(zhì)特性有關(guān)。因此，可以直接根據(jù)tanδ的值對電介質(zhì)的損耗特性作出評價。

在表1-2中列出了一些常用液體和固體電介質(zhì)在工頻電壓下20℃的tanδ值。

表1-2               常用液體和固體電介質(zhì)在工頻電壓下20℃的tanδ值

1.3影響電介質(zhì)損耗的因素

(1)不同的電介質(zhì)，其損耗特性也不同。氣體電介質(zhì)的損耗僅由電導(dǎo)引起，損耗極小(tanδ＜10^-8)，所以常用氣體(空氣、N₂等)作為標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)。但當(dāng)外加電壓U超過氣體的起始放電電壓U₀時，將發(fā)生局部放電，這時氣體的損耗將急劇增加，這在高壓輸電線上是常見的，稱為電暈損耗。此外，當(dāng)固體電介質(zhì)中含有氣隙時，在一定的電場強(qiáng)度下，氣隙中將產(chǎn)生局部放電，也會使損耗急劇增加，使固體絕緣逐漸劣化，因此常采用干燥、浸油或充膠等措施來消除氣隙。對固體電介質(zhì)和金屬電極接觸處的空氣隙，經(jīng)常采用短路的辦法，使氣隙內(nèi)電場為零。例如，在35kV純瓷套管的內(nèi)壁上涂半導(dǎo)體釉或噴鋁，并通過彈性銅片與導(dǎo)電桿相連。液體和固休電介質(zhì)的損耗特性比較復(fù)雜，因為不同的物質(zhì)結(jié)構(gòu)只有不同的極化特性，不同的極化特性自然會影響到介質(zhì)的損耗特性。

(2)中性或弱極性介質(zhì)的損耗主要山電導(dǎo)引起，tanδ較小。損耗與溫度的關(guān)系和電導(dǎo)與溫度的關(guān)系相似，即tanδ隨溫度的升高也是按指數(shù)規(guī)律增大。例如，變壓器油在20℃時的tanδ≤0.5%，70℃時tanδ ≤2.5%。

(3)對于極性液體介質(zhì)，由于偶極子轉(zhuǎn)向極化引起的極化損耗較大，所以tanδ較大，而且tanδ與溫度、頻率均有關(guān)，如圖1-12所示。以曲線1為例介紹，當(dāng)溫度t＜t₁；時，由于溫度較低，電導(dǎo)損耗和極化損耗都很小。隨著溫度的升高，材料的黏滯性減小，有利于偶極子的轉(zhuǎn)向極化，使極化損耗顯著增大，同時電導(dǎo)損耗也隨溫度的升高而有所增大，所以在這一范圍內(nèi)tanδ隨溫度的升高而增大。當(dāng)去t₁＜t＜t₂時，隨著溫度的升高，分子的熱運(yùn)動加快，從而又妨礙了偶極子在電場作用下進(jìn)行有規(guī)則的排列，因此極化損耗隨溫度升高而減小。由于這一溫度范圍內(nèi)極化損耗的減小要比電導(dǎo)損耗的增加更快，所以總的tanδ曲線隨溫度的升高而減小。當(dāng)t＞t₂時，由于電導(dǎo)損耗隨溫度的升高而急劇增加，極化損耗相對來說已不占主要部分，因此tanδ重新又隨溫度的升高而增大。

(4)對于油紙組合絕緣介質(zhì)，其tanδ值的大小與油紙的老化程度和溫度均有關(guān)。由于隨著油紙絕緣老化程度的加深，絕緣紙內(nèi)部含有的纖維素小分子鏈、水分、纖維素降解產(chǎn)物(低分子酸等)以及絕緣油老化生成的酸等弱極性或極性物質(zhì)會增多，導(dǎo)致油紙絕緣單位體積內(nèi)帶電粒子數(shù)目增多。因此，在交變電場的作用下，老化的油紙絕緣極化損耗會增大，使得油紙絕緣的tanδ值隨著老化程度的加深而增大，且其tanδ值與溫度、頻率的關(guān)系和極性液體相似，表現(xiàn)為tanδ先隨溫度的升高而增大，當(dāng)溫度升高到一定程度時又隨溫度的升高而減小，如圖1-13所示。

(5)從圖1-12還可以看出，當(dāng)f₂＞f₁，即電源頻率增高時，tanδ的極大值出現(xiàn)在較高的溫度。這是因為電源頻率增高時，偶極子的轉(zhuǎn)向來不及充分進(jìn)行，要使極化進(jìn)行得充分，就必須減小黏滯性，也就是說要升高溫度，所以使整個曲線往右移。tanδ與溫度t的關(guān)系曲線在工程上具有重要實(shí)用意義。例如，配制絕緣材料時，應(yīng)適當(dāng)選擇配方的比例，使所配制的絕緣材料在其工作溫度范圍之內(nèi)tanδ的值最小(如t₂點(diǎn))，而避開tanδ的最大值(如t₁點(diǎn))。

（6）電場對電介質(zhì)的tanδ有直接的影響。當(dāng)電場強(qiáng)度較低時，電介質(zhì)的損耗僅有電導(dǎo)損耗和一定的極化損耗，且處于某一較為穩(wěn)定的數(shù)值。當(dāng)電場強(qiáng)度達(dá)到某一臨界值后，會使電介質(zhì)中產(chǎn)生局部放電，損耗急劇增加。在不同電壓下測量絕緣的tanδ，作出的tanδ與電壓的關(guān)系曲線，如圖1-14所示。由圖可見，當(dāng)外加電壓U超過某一電壓U₀時tanδ急劇上升。U₀便是介質(zhì)產(chǎn)生局部放電的起始電壓。工程上常以此來判斷介質(zhì)中是否存在局部放電現(xiàn)象。