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討論測量絕緣材料介質(zhì)損耗（tanδ）的意義
閱讀：1077發(fā)布時間：2024-2-21
討論測量絕緣材料介質(zhì)損耗（tanδ）的意義
由前所述，介質(zhì)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(zhì)中偶極子轉(zhuǎn)動有能量損耗，在多層介質(zhì)中也會產(chǎn)生夾層介質(zhì)極化引起損耗；另一種是電導(dǎo)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(dǎo)引起，用體積電阻率和表面電阻率兩個物理量已足夠表達(dá)，故直流電壓下不需再引入介質(zhì)損耗這個概念。但在交流電壓作用下，除電導(dǎo)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(zhì)兩端施加交流電壓時的電壓電流向量圖（取電壓為基準(zhǔn)量)，由于介質(zhì)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(zhì)損耗P表示介質(zhì)品質(zhì)好壞是不方便的，因?yàn)镻值和試驗(yàn)電壓、試品尺寸等因素有關(guān)，不同的試品難以互相比較，故以介質(zhì)損耗角正切tanδ(δ角為功率因數(shù)角φ的余角)來判斷介質(zhì)的品質(zhì)：
有損耗的介質(zhì)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(dá)式與式(2-8)相同。
該等值電路只有計(jì)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(dǎo)引起的，則常用并聯(lián)等值電路。如果損耗主要由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線的電阻等引起，則常用串聯(lián)等值電路。但應(yīng)注意，同一介質(zhì)用不同等值電路表示時，其等值電容是不相同的。
氣體介質(zhì)在強(qiáng)電場作用下，除了電導(dǎo)、極化兩種損耗外，還有氣體游離引起的損耗。當(dāng)電場強(qiáng)度不足以產(chǎn)生碰撞游離時，氣體中損耗是由電導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)。但當(dāng)外施電壓超過起始電壓U0時，氣體介質(zhì)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(zhì)中含有氣泡時，在高壓下也會發(fā)牛游離，并使湖體介質(zhì)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(zhì)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(nèi)的電場強(qiáng)度降為零。例如35kV瓷內(nèi)壁上半導(dǎo)體釉，通過彈性鋼片與導(dǎo)桿相連；高壓電機(jī)定子線圈槽內(nèi)絕緣外包半導(dǎo)體層后，可嵌入槽內(nèi)等。
中性或弱極性液體的擬耗主要來源于電導(dǎo)，故損耗較小。其損耗與溫度的關(guān)系也和電導(dǎo)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(dǎo)和極化兩種損耗，故損耗和溫度、頻率都有關(guān)系，如圖2-13所示。當(dāng)溫度t≤t1時，由于溫度低，故電導(dǎo)和極化損耗都很小。隨著溫度升高電導(dǎo)增加，電導(dǎo)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(qiáng)，極化損耗也因而增加。所以在該段內(nèi)tanδ就隨溫度升高而上升，直到t= t1時達(dá)極大值。在t1＜t＜t2范圍內(nèi)，由于分子熱運(yùn)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(qiáng)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(nèi)極化損耗的減小比電導(dǎo)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(dǎo)損耗決定著總的損耗，故tanδ重新隨溫度上升而增加，
當(dāng)頻率增加時，tanδ的極大值出現(xiàn)在較高的溫度下，這是因?yàn)轭l率高時，偶極子的轉(zhuǎn)動來不及充分進(jìn)行。要使極化進(jìn)行充分，就必須減小黏度，即升高溫度。
固體介質(zhì)的情況比較復(fù)雜，通常將其分為分子式結(jié)構(gòu)、離子式結(jié)構(gòu)、不均勻結(jié)構(gòu)和強(qiáng)極性電介質(zhì)等四類。強(qiáng)極性電介質(zhì)在高壓設(shè)備上是不采用的。
分子式結(jié)構(gòu)有中性和極性兩種。中性分子式結(jié)構(gòu)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(dǎo)引起，這些介質(zhì)的電導(dǎo)極小，故介質(zhì)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(jī)玻璃、酚醛樹脂、硬橡膠等。此類介質(zhì)的tanδ與溫度、頻率的關(guān)系與極性液體相似，tanδ值較大，高頻下更為嚴(yán)重。
離子式結(jié)構(gòu)的介質(zhì)，其tanδ與結(jié)構(gòu)特性有關(guān)。結(jié)構(gòu)緊密的離子晶體，且不含有使晶格畸變的雜質(zhì)時，主要是電導(dǎo)式損耗，故tanδ極小，如云母。云母不僅tanδ小，而且電氣強(qiáng)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(jié)構(gòu)不緊密的離子結(jié)構(gòu)中，有離子松弛式極化現(xiàn)象(介質(zhì)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(yùn)動中得到沿電場方向的位移)，這種極化同偶極子轉(zhuǎn)向極化相似，也是有損耗的。所以這類介質(zhì)的tanδ值較大，玻璃、陶瓷就屬于這一類，但隨成分和結(jié)構(gòu)的不同，tanδ也相差懸殊。
不均勻結(jié)構(gòu)介質(zhì)在工程上較常遇到，如電機(jī)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(zhì)損耗的意義在于：；
(1)在設(shè)計(jì)絕緣結(jié)構(gòu)時，要注總材料的tanδ值，如tanδ值過大則會引起嚴(yán)重發(fā)熱，使材料劣化、導(dǎo)致熱擊穿。
(2)在進(jìn)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(yù)防性試驗(yàn)中，tanδ的測量是一基本項(xiàng)目，絕緣受潮或劣化時，tanδ急劇增加，絕緣內(nèi)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(zhì)，tanδ小。用于其他場合，介質(zhì)的發(fā)熱有時可能成為有用。
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