电介质损耗测试的意义

介质在电压作用下有能量损耗：一种是由极化引起的损耗，极性介质中偶极子转动有能量损耗，在多层介质中也会产生夹层介质极化引起损耗；另一种是电导引起的损耗。

直流电压作用下，由于无周期性的极化，因此损耗只是由电导引起，用体积电阻率和表面电阻率两个物理量已足够表达，故直流电压下不需再引入介质损耗这个概念。但在交流电压作用下，除电导损耗外，还有由于周期性的极化而引起的能量损耗：因此，需引入一新的物理量来表示，如图2-10所示。图2-10(b)为介质两端施加交流电压时的电压电流向量图（取电压为基准量)，由于介质中有损耗，所以电流不是纯电容性的电流，而是包含有功和无功两个分量，即

         (2-4)

所以电源供给的视在功率为 

    (2-5)

由图2-10(b)功率三角形可见

 (2-6)

用介质损耗P表示介质品质好坏是不方便的，因为P值和试验电压、试品尺寸等因素有关，不同的试品难以互相比较，故以介质损耗角正切tanδ(δ角为功率因数角φ的余角)来判断介质的品质：

有损耗的介质可以用一个理想电容器和一个有效电阻的并联或串联等值电路来表示。图2-11是用电阻、电容并联等值电路，从向量图上可看出

如用串联等值电路时，由于绝缘的tanδ都很小，损耗的表达式与式(2-8)相同。

该等值电路只有计算上的意义，并不能确切地反映物理过程。如果损耗主要是电导引起的，则常用并联等值电路。如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻等引起，则常用串联等值电路。但应注意，同一介质用不同等值电路表示时，其等值电容是不相同的。

气体介质在强电场作用下，除了电导、极化两种损耗外，还有气体游离引起的损耗。当电场强度不足以产生碰撞游离时，气体中损耗是由电导引起的，损耗极小(tanδ＜4×10^-8)。所以常用气体(如空气、N₂、CO₂、SF₂)作为标准电容器的介质。但当外施电压超过起始电压U₀时，气体介质会发生局部放电，损耗刷增，如图2-12所示.这种现象在高压输电线上表现得极为突出，称电晕损耗。

固体介质中含有气泡时，在高压下也会发牛游离，并使湖体介质逐渐劣化。所以经常采用浸油、充胶等措施来消除气泡。.对于固体介质和金属电极接触处的空气隙，则经常采用短路的办法，使气隙内的电场强度降为零。例如35kV瓷内壁上半导体釉，通过弹性钢片与导杆相连；高压电机定子线圈槽内绝缘外包半导体层后，可嵌入槽内等。

中性或弱极性液体的拟耗主要来源于电导，故损耗较小。其损耗与温度的关系也和电导相似。

极性液体(如蓖麻油、氯化联苯等)以及极性与中性液体的混合物(如电缆胶是松香和变压器油的混合物)都具有电导和极化两种损耗，故损耗和温度、频率都有关系，如图2-13所示。当温度t≤t₁时，由于温度低，故电导和极化损耗都很小。随着温度升高电导增加，电导损耗也增大；同时由于液体黏度是随温度上升而减少，故偶极子的极化增强，极化损耗也因而增加。所以在该段内tanδ就随温度升高而上升，直到t= t₁时达极大值。在t₁＜t＜t₂范围内，由于分子热运动加快，妨碍偶极子在电场作用下作有规则的排列，极化强度反而减弱，所以极化损耗就随温度升高而减小，由于这一段内极化损耗的减小比电导损耗的增加更快，故总的看来tanδ随温度升高而下降。在t= t₂时tanδ出现一级小值。t＞t₂后，极化损耗已不起主要作用，电导损耗决定着总的损耗，故tanδ重新随温度上升而增加，

当频率增加时，tanδ的极大值出现在较高的温度下，这是因为频率高时，偶极子的转动来不及充分进行。要使极化进行充分，就必须减小黏度，即升高温度。

固体介质的情况比较复杂，通常将其分为分子式结构、离子式结构、不均匀结构和强极性电介质等四类。强极性电介质在高压设备上是不采用的。

分子式结构有中性和极性两种。中性分子式结构如纯石蜡、聚苯乙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯等，其损耗主要由电导引起，这些介质的电导极小，故介质损耗非常小，在高频下也可使用。极性的纤维性材料有纸、纤维板等和含有极性基的聚合物，如聚氯乙烯，有机玻璃、酚醛树脂、硬橡胶等。此类介质的tanδ与温度、频率的关系与极性液体相似，tanδ值较大，高频下更为严重。

离子式结构的介质，其tanδ与结构特性有关。结构紧密的离子晶体，且不含有使晶格畸变的杂质时，主要是电导式损耗，故tanδ极小，如云母。云母不仅tanδ小，而且电气强度高、耐热性能好、耐游离性能也好，故是优良的绝缘材料，在高频下也可使用。

在结构不紧密的离子结构中，有离子松弛式极化现象(介质中联系不紧密的离子能在外界电场作用下，从非定向的热运动中得到沿电场方向的位移)，这种极化同偶极子转向极化相似，也是有损耗的。所以这类介质的tanδ值较大，玻璃、陶瓷就属于这一类，但随成分和结构的不同，tanδ也相差悬殊。

不均匀结构介质在工程上较常遇到，如电机绝缘中使用的云母制品和广泛使用的油浸纸、胶纸绝缘。它们的损耗决定其中各成分的性能和数量间的比。

讨论介质损耗的意义在于：；

(1)在设计绝缘结构时，要注总材料的tanδ值，如tanδ值过大则会引起严重发热，使材料劣化、导致热击穿。

(2)在进行冲击测量时，其连接电缆绝缘的tanδ必须要小，否则冲击波在其中传播时波形将发生畸变，影响测量精度。

(3)在绝缘预防性试验中，tanδ的测量是一基本项目，绝缘受潮或劣化时，tanδ急剧增加，绝缘内部发生游离可根据tanδ=f(U)的曲线(如图2-12)来判断。

(4)用做绝缘材料的介质，tanδ小。用于其他场合，介质的发热有时可能成为有用。