1.电介质的损耗

1.1电介质损耗的基本概念

任何电介质在电压作用下都会有能量损耗：一种是由电导引起的所谓电导损耗；另一种是由某种极化引起的所谓极化损耗。电介质的能量损耗简称为介质损耗。同一介质在不同类型的电压作用下，其损耗也不同。

在直流电压下，由于介质中没有周期性的极化过程，而一次性极化所损耗的能量可以忽略不计，所以电介质中的损耗就只有电导引起的损耗，这时用电介质的电导率即可表达其损耗特性。因此，在直流电压下没有介质损耗这一说法。

在交流电压下，除了电导损耗外，还存在由于周期性反复进行的极化而引起的不可忽略的极化损耗，所以需要引入一个新的物理量来反映电介质的能量损耗特性，即所谓电介质损耗。电介质损耗最终会引起电介质的发热，致使温度升高，温度升高又使介质的电导增大，泄漏电流增加，损耗进一步增大，如此形成恶性循坏。长期的高温作用会加速绝缘的老化过程，直至损坏绝缘。因此，介质的损耗特性对其绝缘性能影响极大。

由上述可见，绝缘在交流电压下的损耗远远大于在直流电压下的损耗，这也是绝缘在交流电压下比在直流电压下更容易劣化和损坏的重要原因之一。

1.2 介质损耗因数(tanδ)

图1-9所示的电介质三支路并联等效电路可以代表任何实际介质的等效电路，不但适用于直流电压，也适用于交流电压。电路中的电阻R及r是引起有功功率损耗的元件。R代表电导引起的损耗，r代表有损极化过程中引起的损耗。在交流电压作用下，电介质等效电路中的电流(或电压)可以归并为有功和无功两个分量。因此，图1-9可进一步简化为电阻和电容两个元件并联或串联的等效电路，如图1-10、图1-11所示。

在等效电路所对应的相量图中，φ为通过介质的电流与所加电压间的相位角，即电路的功率因数角；δ为φ的余角，称之为介质损耗角。

需要指出，上述两个等效电路的结构和元件参数各不相同，但这并不影响电路中的电压、电流及其相位关系，这是因为它们是根据等效条件建立起来的。

对于图1-10所示的并联等效电路，有

                (1-11)

电路中的功率损耗为

          (1-12)

对于图1-11所示的串联等效电路，有

                 （1-13)

电路中的功率损耗为

    (1-14)

因为上述两种等效电路是描述同一介质的不同等效电路，所以其功率损耗应相等。比较式(1-12)和式(1-14)可得

                           （1-15)

此式说明，对同一介质用不同的等效电路表示时，其等效电容是不相同的。所以，当用高压电桥测量绝缘的tanδ时，电容量的计算公式则与采用哪一种等效电路有关。由于绝缘的tanδ一般都很小，即1+tan²δ≈1，故C_p≈C_s，这时功率损耗在两种等效电路中就可用同一公式表示为

                          (1-16)

由此可见，介质损耗P与外加电压U的平方成正比，与电源的角频率ω成正比，且与电容量成正比。所以，为了控制绝缘的损耗功率，减少其发热，延缓介质的老化，应避免绝缘长期在高于其额定电压及高于额定频率的电源下工作。通常，对于电气设备而言，额定工作电压及电源频率均为定值，由于绝缘结构一定，C也一定，因此P最后取决于tanδ，即P与tanδ成正比，所以tanδ的大小将直接反映介质损耗功率的大小。因此，在高电压工程中常将tanδ 作为衡量电介质损耗特性的一个物理参数，称之为介质损耗因数或介质损耗角正切。

需要说明，用tanδ表示电介质的损耗特性要比直接用损耗功率P方便得多，这是因为：

(1)P值与试验电压、试品尺寸均密切相关，因此不能对不同尺寸的同样绝缘材料进行比较。

(2) 是一个比值，无量纲，它与材料的几何尺寸无关，只与材料的品质特性有关。因此，可以直接根据tanδ的值对电介质的损耗特性作出评价。

在表1-2中列出了一些常用液体和固体电介质在工频电压下20℃的tanδ值。

表1-2               常用液体和固体电介质在工频电压下20℃的tanδ值

1.3影响电介质损耗的因素

(1)不同的电介质，其损耗特性也不同。气体电介质的损耗仅由电导引起，损耗极小(tanδ＜10^-8)，所以常用气体(空气、N₂等)作为标准电容器的介质。但当外加电压U超过气体的起始放电电压U₀时，将发生局部放电，这时气体的损耗将急剧增加，这在高压输电线上是常见的，称为电晕损耗。此外，当固体电介质中含有气隙时，在一定的电场强度下，气隙中将产生局部放电，也会使损耗急剧增加，使固体绝缘逐渐劣化，因此常采用干燥、浸油或充胶等措施来消除气隙。对固体电介质和金属电极接触处的空气隙，经常采用短路的办法，使气隙内电场为零。例如，在35kV纯瓷套管的内壁上涂半导体釉或喷铝，并通过弹性铜片与导电杆相连。液体和固休电介质的损耗特性比较复杂，因为不同的物质结构只有不同的极化特性，不同的极化特性自然会影响到介质的损耗特性。

(2)中性或弱极性介质的损耗主要山电导引起，tanδ较小。损耗与温度的关系和电导与温度的关系相似，即tanδ随温度的升高也是按指数规律增大。例如，变压器油在20℃时的tanδ≤0.5%，70℃时tanδ ≤2.5%。

(3)对于极性液体介质，由于偶极子转向极化引起的极化损耗较大，所以tanδ较大，而且tanδ与温度、频率均有关，如图1-12所示。以曲线1为例介绍，当温度t＜t₁；时，由于温度较低，电导损耗和极化损耗都很小。随着温度的升高，材料的黏滞性减小，有利于偶极子的转向极化，使极化损耗显著增大，同时电导损耗也随温度的升高而有所增大，所以在这一范围内tanδ随温度的升高而增大。当去t₁＜t＜t₂时，随着温度的升高，分子的热运动加快，从而又妨碍了偶极子在电场作用下进行有规则的排列，因此极化损耗随温度升高而减小。由于这一温度范围内极化损耗的减小要比电导损耗的增加更快，所以总的tanδ曲线随温度的升高而减小。当t＞t₂时，由于电导损耗随温度的升高而急剧增加，极化损耗相对来说已不占主要部分，因此tanδ重新又随温度的升高而增大。

(4)对于油纸组合绝缘介质，其tanδ值的大小与油纸的老化程度和温度均有关。由于随着油纸绝缘老化程度的加深，绝缘纸内部含有的纤维素小分子链、水分、纤维素降解产物(低分子酸等)以及绝缘油老化生成的酸等弱极性或极性物质会增多，导致油纸绝缘单位体积内带电粒子数目增多。因此，在交变电场的作用下，老化的油纸绝缘极化损耗会增大，使得油纸绝缘的tanδ值随着老化程度的加深而增大，且其tanδ值与温度、频率的关系和极性液体相似，表现为tanδ先随温度的升高而增大，当温度升高到一定程度时又随温度的升高而减小，如图1-13所示。

(5)从图1-12还可以看出，当f₂＞f₁，即电源频率增高时，tanδ的极大值出现在较高的温度。这是因为电源频率增高时，偶极子的转向来不及充分进行，要使极化进行得充分，就必须减小黏滞性，也就是说要升高温度，所以使整个曲线往右移。tanδ与温度t的关系曲线在工程上具有重要实用意义。例如，配制绝缘材料时，应适当选择配方的比例，使所配制的绝缘材料在其工作温度范围之内tanδ的值最小(如t₂点)，而避开tanδ的最大值(如t₁点)。

（6）电场对电介质的tanδ有直接的影响。当电场强度较低时，电介质的损耗仅有电导损耗和一定的极化损耗，且处于某一较为稳定的数值。当电场强度达到某一临界值后，会使电介质中产生局部放电，损耗急剧增加。在不同电压下测量绝缘的tanδ，作出的tanδ与电压的关系曲线，如图1-14所示。由图可见，当外加电压U超过某一电压U₀时tanδ急剧上升。U₀便是介质产生局部放电的起始电压。工程上常以此来判断介质中是否存在局部放电现象。