討論測量絕緣材料介質損耗（tanδ）的意義

討論測量絕緣材料介質損耗（tanδ）的意義

由前所述，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

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或串聯等值電路來表示。圖2-11是用電阻、電容并聯等值電路，從向量圖上可看出

如用串聯等值電路時，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，氣體介質會發生局部放電，損耗刷增，如圖2-12所示.這種現象在高壓輸電線上表現得極為突出，稱電暈損耗。

固體介質中含有氣泡時，在高壓下也會發牛游離，并使湖體介質逐漸劣化。所以經常采用浸油、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象(介質中聯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，絕緣內部發生游離可根據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，介質的發熱有時可能成為有用。