ASTM D150介電常數(shù)測(cè)試儀—介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)淺析

介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)是判斷電氣設(shè)備絕緣性能較為有效的方法，能直接、明顯地反映出絕緣的整體受潮、劣化變質(zhì) 等分布性缺陷。因此，在電氣設(shè)備（如電力變壓器、高壓開(kāi)關(guān)、互感器、套管、耦合電容等）交接和例行試驗(yàn)中，介質(zhì)損 耗因素試驗(yàn)已得到廣泛的應(yīng)用。本文較為系統(tǒng)地闡述了介質(zhì)損耗因數(shù)的定義、試驗(yàn)等值電路及向量圖、試驗(yàn)?zāi)康摹y(cè)量?jī)x 器及影響試驗(yàn)結(jié)果的因素。

關(guān)鍵詞　介質(zhì)損耗因數(shù)　電氣試驗(yàn)　西林電橋

1 介質(zhì)損耗因數(shù)的基本概念

1.1 電介質(zhì)損耗的組成

電介質(zhì)損耗由以下三部分組成：

1. 電導(dǎo)損耗。當(dāng)給電介質(zhì)施加交流電壓時(shí)，電介質(zhì)中 會(huì)有電導(dǎo)電流流過(guò)，電介質(zhì)因此而發(fā)熱產(chǎn)生損耗，通常這 部分電流都很小。

2. 游離損耗。電介質(zhì)中局部電場(chǎng)集中處（如固體電介 質(zhì)中的氣泡，氣體電介質(zhì)中電極的jian端等），當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度 高于某一值時(shí)，介質(zhì)局部就會(huì)產(chǎn)生放電，同時(shí)伴隨能量損耗。

3. 極化損耗。由于介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻，在交流電場(chǎng)作 用下，使不均勻介質(zhì)邊界面上的電荷，時(shí)而積聚，時(shí)而消失， 電荷積聚和消失都要通過(guò)介質(zhì)內(nèi)部，這樣就造成了一定的 能量損耗。

1.2 介質(zhì)損耗因數(shù)的定義

與介質(zhì)損耗不同的是，介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ 只與材料的性質(zhì)有關(guān)，而與材料的尺寸已經(jīng)體積大小等外部因素?zé)o關(guān)， 這樣可以便于不同設(shè)備之間進(jìn)行比較。

1.3 介質(zhì)損耗的等值電路及相量圖

根據(jù)絕緣介質(zhì)在交流電壓作用下的等值電路及相量圖， 可推導(dǎo)出介質(zhì)損耗各物理量之間的關(guān)系。

如下圖 1 所示，當(dāng)對(duì)yi絕緣介質(zhì)施加交流電壓時(shí)，介質(zhì)上將流過(guò)電容電流 I_C1、吸收電流 I₂ 和電導(dǎo)電流 I_R1。其中又可以將吸收電流 I₂ 分解成有功分量 I_R2 和無(wú)功分量 I_C2 兩 部分。電容電流 I_C1 和 I_C2 是不消耗能量的，只有電導(dǎo)電流 I_R1 和吸收電流中的有功分量 I_R2 才消耗能量。

介質(zhì)的功率損耗：

式 中： U—— 電源電壓     ω—— 電源角頻 tanδ

C——介質(zhì)的電容   R——介質(zhì)的電阻     tanδ——角的余角的正切

由上面的式子可知，介質(zhì)損耗與電源電壓的平方 U2 、 角頻率 ω、電容 C 以及 δ 角的正切值 tanδ 成正比。當(dāng)電 壓 U、角頻率 ω 及電容 C 一定時(shí)，介質(zhì)損耗和 tanδ 成正比。

將 δ 角定義為介質(zhì)損耗角，tanδ 即為介質(zhì)損耗角正切值，定義 tanδ 為介質(zhì)損耗因數(shù)。

1.4 介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)?zāi)康?/strong>

1. 能較為靈敏地發(fā)現(xiàn)中小型電容量電氣設(shè)備的絕緣整 體受潮、老化、油質(zhì)劣化和局部缺陷。

2. 能非常靈敏地發(fā)現(xiàn)絕緣油質(zhì)量的優(yōu)劣。

3. 對(duì)容量較大的電氣設(shè)備，若絕緣缺陷占據(jù)的體積只 占總體積的一小部分，則測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)較難發(fā)現(xiàn)設(shè)備 存在的絕緣缺陷。所以我們?cè)跍y(cè)量大型變壓器整體的介質(zhì) 損耗因數(shù)之后，還應(yīng)再測(cè)量其電容型套管的介質(zhì)損耗因數(shù)， 原因后面會(huì)具體解釋。

2 測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)的儀器

測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)常用的儀器有西林電橋、M 型介質(zhì) 試驗(yàn)器、電流比較型電橋三類，本文主要介紹第一類和第三類。

2.1 西林電橋

西林電橋是 80 年代以前廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)介損測(cè)試儀器， 它有兩種接線方式，正接線和反接線。

2.1.1 正接線

試品兩極對(duì)地均絕緣，此方法在日常試驗(yàn)中經(jīng)常使用， 如對(duì)電容型套管、耦合電容器、電容式互感器等電氣設(shè)備 均采用正接線方式測(cè)量 tanδ。正接線使用時(shí)，電橋處于低 電位，測(cè)量結(jié)果比反接線方法正確，電橋三根導(dǎo)線（出線） 處于低電位。在被試品具有足夠絕緣水平時(shí)，允許施加大 于 10kV 的電壓作為試驗(yàn)電壓，但必須使用與額定電壓相適 應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電容器。

2.1.2 反接線

多數(shù)高壓電氣設(shè)備外殼都是直接地的，對(duì)于一極接地的電氣設(shè)備應(yīng)采用反接線方式測(cè)量 tanδ。反接線使用時(shí)， 電橋和出線均處于高電位，對(duì)地應(yīng)保持一定的安全距離， 最少不應(yīng)低于 10cm。電橋面板上的接地端子必須牢固接地。

由于西林電橋使用比較麻煩，且抗干擾能力差，因此目 前電氣試驗(yàn)工作已不再將西林電橋作為測(cè)量 tanδ 的儀器。

2.2 相位差法抗干擾全自動(dòng)介損測(cè)試儀

相位差法介損儀是攜帶型西林電橋的更新?lián)Q代產(chǎn)品。 把標(biāo)準(zhǔn)電容器和升壓變壓器組合在一起，稱為一體化。此 種介損儀采用現(xiàn)代微電子技術(shù)以提高測(cè)量精度和自動(dòng)顯示， 采用紅外技術(shù)和光纖傳遞以提高抗干擾能力，如 AI-6000 型自動(dòng)抗干擾精密介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x。與西林電橋相比，相 位差法介損儀具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)測(cè)量、無(wú)須換算、精度高、 抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，儀器內(nèi)部附有標(biāo)準(zhǔn)電容器及升壓裝 置，便于攜帶。

3 影響介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量結(jié)果的因素

介質(zhì)損耗因素不僅受到設(shè)備缺陷和電磁場(chǎng)干擾的影響， 還受到溫度、試驗(yàn)電壓、試品電容的影響。

3.1 溫度的影響

溫度對(duì) tanδ 測(cè)量的影響較大，絕大多數(shù)情況下，同一 種被試品的 tanδ 隨著溫度的升高而增大。但由于不同絕緣 介質(zhì)或不同潮濕程度有著不同的隨溫度變化的規(guī)律，一般 無(wú)法將某一溫度下測(cè)得的介質(zhì)損耗因數(shù)值準(zhǔn)確換算至另一 溫度下的數(shù)值，在 20℃至 80℃之間，tanδ 隨著溫度而變 化的經(jīng)驗(yàn)公式為 tanδ=tanδ0e α（t-t0），但這種溫度換算方法 所得的數(shù)據(jù)也只是近似的。最好在 10℃至 30℃范圍內(nèi)并與 歷史試驗(yàn)測(cè)量時(shí)相近的溫度下對(duì)設(shè)備進(jìn)行 tanδ 測(cè)量。

3.2 試驗(yàn)電壓的影響

對(duì)絕緣良好的設(shè)備而言，在一定試驗(yàn)電壓范圍內(nèi)，流 過(guò)絕緣介質(zhì)的電流有功和無(wú)功分量隨著電壓的增加成比例 增加，因此介質(zhì)損耗因數(shù)不會(huì)有明顯變化。但對(duì)于絕緣有 缺陷的設(shè)備來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓上升到介質(zhì)的局部放電起始電壓 以上時(shí)，介質(zhì)中夾雜氣泡或雜質(zhì)的部分電場(chǎng)可能很強(qiáng)，會(huì) 首先放電，產(chǎn)生附加損耗，使測(cè)得的介質(zhì)損耗因數(shù)值增加。 因此在較高電壓下測(cè)量 tanδ，可以較為真實(shí)地反映出設(shè)備的絕緣狀況，便于及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣存在的缺陷。

3.3 tanδ 與試品電容的關(guān)系

對(duì)于如套管、電壓互感器、電流互感器等電容量比較 小的設(shè)備，測(cè)量其介質(zhì)損耗因數(shù)可以有效發(fā)現(xiàn)其存在的局 部集中性缺陷和整體分布性缺陷。但若集中性缺陷的體積 所占被試設(shè)備絕緣體積的比重很小，如大、中型變壓器等 大體積設(shè)備的局部缺陷，其引起的損耗只占總損耗中的極 小部分，則測(cè)量其介質(zhì)損耗因數(shù)不能靈敏的反映絕緣缺陷， 應(yīng)盡量進(jìn)行分解試驗(yàn)。下面通過(guò)公式來(lái)解釋這一現(xiàn)象。設(shè) 備絕緣由多種材料、多種部件構(gòu)成，可以看作是由許多并 聯(lián)等值回路組成。

從上式分析，不難看出電容量對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響。 在測(cè)量多材料、多結(jié)構(gòu)、多層絕緣介質(zhì)的絕緣性能時(shí)，當(dāng) 其中某一種或某一層的絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)偏大時(shí)，并不能有效地在總介質(zhì)損耗因數(shù)值中反映出來(lái)，或者說(shuō)介質(zhì)損耗因數(shù)對(duì)反映絕緣的局部缺陷不靈敏。

ASTM D150介電常數(shù)測(cè)試儀—“介電常數(shù)"不是常數(shù)

關(guān)鍵詞：電介質(zhì)  常數(shù)  變量  張量

電介質(zhì)經(jīng)常是絕緣體，其例子包括瓷器、云母、玻璃、塑料和各種金屬氯化物，有些液體和氣體可以作為好的電介質(zhì)材料，干空氣是良好的電介質(zhì)，并被用在可變電容器以及 某些類型的傳輸線，蒸餾水如果保持沒(méi)有雜質(zhì)的話是好的電介質(zhì)，其相對(duì)介電常數(shù)約為80，介電常數(shù)是表示絕緣能力特性的一個(gè)系數(shù)。以字母ε表示，單位為法／米(F／m)、真空介電常數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)值為ε₀=ce²/h=8.85×10^-12法／米(F／m)，c是光波在真空中的光速，相對(duì)介電常數(shù)ε_r是某種電介質(zhì)的介電常數(shù)ε與真空介電常數(shù)ε₀之比,ε_r是無(wú)量綱的純效,介電常數(shù)可能是常數(shù)也可能為變量,對(duì)于介電常數(shù),顧名思義此量首先是一個(gè)常數(shù)，因此對(duì)介電常數(shù)的討論，清楚的理解介電常效的物理意義及正確的運(yùn)用，避免錯(cuò)誤，更好的運(yùn)用介電常數(shù)解決實(shí)際問(wèn)題。

一、電介質(zhì)的介電常數(shù)為張量

對(duì)于非各向同性電介質(zhì)．同一點(diǎn)的P與E可以方向不 同．P的大小不僅與E的大小有關(guān)，而且還取決于E與電介質(zhì)晶軸的夾角(“非各向同性性")，為了描述P對(duì)E在直角坐標(biāo)系的分量Px．Py．Pz與Ex．Ey．Ez的關(guān)系．對(duì)絕大多數(shù)非各向同性電介質(zhì)．這一關(guān)系可以用如下方程表示:

其中X¹¹，X^12·…·X¹³…等9個(gè)常效是由電介質(zhì)性質(zhì)決定． 如果選擇另一直角坐標(biāo)系(由原來(lái)坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)得到)，則P及E的分量分別變?yōu)闉椋?span>P‘x．P’y．P‘z及E’x．E‘y．E’z，他們的關(guān)系為：

其中X‘¹¹，X’^12·…·X‘³³…是另9個(gè)常數(shù)，仍然由電介質(zhì)性質(zhì)決定．對(duì)同一電介質(zhì)同一點(diǎn)X¹¹，X^22·…·X³³…與X’¹¹，X^12·…·X³³…有一確定的關(guān)系·叫做張量關(guān)系，或說(shuō)X¹¹，X^22·…·X³³…和X‘¹¹，X’^12·…·X‘³³…等18個(gè)數(shù)是同一個(gè)張量在不同坐標(biāo)系中的分量．這個(gè)張量由電介質(zhì)本身決定．叫做電介質(zhì)的極化率張量。

同理由：

推得：

和：

以上公式可知電介質(zhì)的介電常散是張量．若用一不變的常數(shù)表示的話會(huì)出錯(cuò)。

二、電容率為函數(shù)

一般物質(zhì)對(duì)于含時(shí)外電場(chǎng)的響應(yīng)．跟真空對(duì)于含時(shí)外電 場(chǎng)的響應(yīng)大不相同．一般物質(zhì)的響應(yīng)．通常相依于外電場(chǎng)的頻率．這屬性反映出一個(gè)事實(shí)．那就是．物質(zhì)的電極化響應(yīng) 無(wú)法瞬時(shí)的跟上外電場(chǎng)．響應(yīng)總是必須合乎因果關(guān)系．這要求可以表達(dá)于相位差．

請(qǐng)注意．時(shí)間相依性項(xiàng)目的正負(fù)號(hào)選擇(指效函敷的指數(shù)的正負(fù)號(hào))．裁定了電容率虛值部份的正負(fù)號(hào)常規(guī)，在這里采用的正負(fù)號(hào)慣用于物理學(xué)；在工程學(xué)里．必須逆反所有虛值部份的正負(fù)號(hào)．

一個(gè)介質(zhì)對(duì)于靜電場(chǎng)的響應(yīng)．是由電容率的低頻率極限來(lái)描述，又稱為靜電容率。

當(dāng)頻率等于或超過(guò)等離子頻率時(shí)． 介電質(zhì)的物理行為近似理想金屬．可以用自由電子模型來(lái)計(jì)算。對(duì)于低頻率交流電場(chǎng)．靜電容率是個(gè)很好的近似．隨著頻率的增高．可測(cè)量到的相位差δ突襲出現(xiàn)于D和E之間． 出現(xiàn)時(shí)候的頻率相依于溫度和介質(zhì)種類．在中等的電場(chǎng)強(qiáng)度E₀狀況，D和E保持成正比。

由于介質(zhì)對(duì)于交流電場(chǎng)的響應(yīng)特征是復(fù)電容率，為了更詳細(xì)的分析其物理性質(zhì)，很自然地，必須分離其實(shí)數(shù)和虛值部份。

三、電介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度而變化

溫度影響氣體和液體電介質(zhì)．由于電介質(zhì)單位體積內(nèi)的極化粒子效、熱離子松弛極化宰、偶極子轉(zhuǎn)向極化率等都與溫度有關(guān)，所以電介質(zhì)的介電常數(shù)亦隨溫度發(fā)生變化．

由以上可知介電常數(shù)很多時(shí)候不是固定的一個(gè)值．是由其他條件影響的．會(huì)隨時(shí)改變的．建議以后使用時(shí)都改為介電系數(shù)更確切．