电介质的损耗

（一）介质损耗的基本概念

1.介质损耗

电介质在电场作用下（加电压后），要发生极化过程和电导过程。有损极化过程有能量损耗；电导过程中，电导性泄漏电流流过绝缘电阻，因而也有能量损耗。损耗程度一般用单位时间内损耗的能量，即损耗功率表示。这种电介质出现功率损耗的过程称为介质损耗。显然，介质损耗过程伴随极化过程和电导过程同时进行。介质损耗掉的能量（电能）变成了热能，使电介质温度升高。若介质损耗过大，则电介质温度将升得过高，这将加速电介质的热分解与老化，最终可能导致其完全失去绝缘性能，所以研究介质损耗有十分重要的意义。

2.介质损耗的基本形式

（1）电导损耗。电导损耗为在电场作用下由泄漏电流引起的损耗。泄漏电流与电场频率无关，故这部分损耗在直流、交流下都存在。气体电介质以及绝缘良好的液、固体电介质，它们的电导损耗都不大；液、固体电介质的电导损耗随温度升高而按指数规律增大。

（2）极化损耗。极化损耗为偶极子与空间电荷极化引起的损耗。在直流电压作用下， 由于极化过程仅在电压施加后很短时间内存在，与电导损耗相比可忽略；而在交流电压作用下，由于电介质随交流电压极性的周期性改变而作周期性的正向极化和反向极化，极化始终存在于整个加压过程之中。极化损耗在频率不太高时随频率升高而增大。但频率过高时，极化过程反而减弱，损耗也减小。极化损耗与温度也有关，温度不太高时随温度升高而增大，但温度过高时，极化过程减弱，损耗减小。

（3）游离损耗。游离损耗主要是指气体间隙的电晕放电以及液体、固体介质内部气泡中局部放电所造成的损耗。这是因为放电时，产生带电粒子需要游离能，放电时出现光、声、热、化学效应也要消耗能量。游离损耗随电场强度的增大而增大。

（二）介质损耗角正切tanδ

由上可见，在直流电压的作用下，介质损耗主要为电导损耗，因此，电导率γ或电阻率ρ既表征介质电导的特性，同时也表征了介质损耗的特性。但在交流电压u的作用下，上述三种形式的损耗都存在，为此需引入一个新的物理量来表征介质损耗的特性，这个物理量就是tanδ。

1.并联等值电路及损耗功率的计算公式

电介质两端施加一交流电压时，就有电流流过介质。由三个电流分量组成：

（1-9）

式中　——电导过程的电流，为阻性电流，与同相位；

　　 ——无损极化电流：

　　 A—有损极化电流。

对应的等值电路如图1.9 （a）所示，此等值电路可进一步简化成如图1.9 （ b）所示的由R和CP相并联的等值电路，其中R、 CP分别为等效电阻、电容。此并联等值电路的相量图如图1.9 （ c）所示。

图1.9　交流电压下电介质的等值电路及相量图

我们定义功率因数角θ的余角为δ角。由相量图可见，介质损耗功率越大，越大，δ角也越大，因此δ角称为介质损失角。对此并联等值电路，可写出介质损耗功率P的计算公式：

P = UIR = UICDtanδ = U2ωCP tan δ

（1-10）

当然，图1.9 （ b）的电路也可以简化成由r和Cs相串联的等值电路，可以证明：

Cs = （1+ tan 2 δ）C ， r = R tanδ2

（1-11）

当tan δ很小时：Cs≈C。

对于串联等值电路，同样可以推出损耗功率的计算公式：

P=U2ωCstan δ

（1-12）

2. tan δ值的意义

从介质损耗功率P的计算公式看，我们若用P来表征介质损耗的程度是不方便的，因为P值与试验电压U的高低、试验电压的角频率ω （ω=2πf ）、电介质等值电容量CP（或Cs ）以及tan δ值有关。而若在试验电压、频率、电介质尺寸一定的情况下，那么介质损耗功率仅取决于tan δ，换句话说，也就是tan δ是与电压、频率、绝缘尺寸无关的量，它仅取决于电介质的损耗特性。所以tan δ是表征介质损耗程度的物理量，与εr、γ相当。这样，我们可以通过试验测量电介质的tan δ值，来判断介质损耗的程度。各种固体电介质的tanδ值如表1.2所示。

表1.2　各种结构固体电介质的tan δ值（1 MHz， 20 ℃时）

（三）影响tan δ值的因素

影响tan δ值的因素主要有温度、频率和电压。

1.温度对tan δ值的影响

温度对tan δ值的影响随电介质分子结构的不同有显著的差异。中性或弱极性介质的损耗主要由电导引起，故温度对tanδ值的影响与温度对电导的影响相似，即tan δ随温度的升高而按指数规律增大，且tan δ较小。

极性介质中，极化损耗不能忽略，tan δ值与温度的关系如图1.10所示。当温度t ＜ t1时，由于温度较低，电导损耗与极化损耗都小，电导损耗随温度升高而略有增大，而极化损耗随温度升高也增大（黏滞性减小，偶极子转向容易），所以tan δ随温度升高而增大。

当温度t1 ＜ t ＜ t2时，温度已不太低，此时分子的热运动会妨碍偶极子沿电场方向作有规则的排列，极化损耗随温度升高而降低，而且降低的程度又要超过电导损耗随温度升高的程度，因此tan δ随温度升高而减小。当温度在t ＞ t2时，温度已很高，电导损耗已占主导地位，tan δ又随温度升高而增大。

2.频率对tanδ值的影响

频率对tanδ值的影响主要体现于频率对极化损耗的影响。tan δ与频率ω的关系如图1.11所示。在频率不太高的一定范围内，随频率的升高，偶极子往复转向频率加快，极化程度加强，介质损耗增大，tanδ值增大。当频率超过某一数值后， 由于偶极子质量的惯性及相互间的摩擦作用，偶极子来不及随电压极性的改变而转向，极化作用减弱，极化损耗下降，tan δ值降低。

图1.10　极性电介质tan δ值与温度的关系

图1.11　tanδ与角频率的关系

3.电压对tanδ值的影响

电压对tan δ值的影响主要表现为电场强度对tanδ值的影响。在电场强度不很高的一定范围内，电场强度增大（由于电压升高），介质损耗功率变大，但tanδ几乎不变。当电场强度达到某一较高数值时，随着介质内部不可避免存在的弱点或气泡而发生局部放电，tan δ随电场强度升高而迅速增大。因此，在较高电压下测tanδ值，可以检查出介质中夹杂的气隙、分层、龟裂等缺陷。此外，湿度对暴露于空气中电介质的tanδ影响也很大。介质受潮后，电导损耗增大，tanδ也增大。例如绝缘纸中水分含量从4%增加到10%， tanδ值可增大100倍。然而，假如tanδ值的测试是在温度低于0℃时进行，含水量增加，tanδ反而不会增大，这是因为此时介质中的水分已凝结成冰，导电性又变差，电导损耗变小的缘故。为此，在进行绝缘试验时规定被试品温度不低于+5℃，这对tanδ的测试尤为重要。在工程实际中，通过tanδ以及tanδ= f（u）曲线的测量及判断，对监督绝缘的工作状况以及老化的进程有非常重要的意义。