在電場(chǎng)作用下,由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng),在絕緣材料內(nèi)部會(huì)引起能量損耗,這個(gè)現(xiàn)象我們稱(chēng)為介質(zhì)損耗,也叫介質(zhì)損失、介損。在介質(zhì)損耗發(fā)生時(shí),在外電場(chǎng)作用下,電介質(zhì)內(nèi)部會(huì)有發(fā)熱現(xiàn)象,這說(shuō)明有部分電能已轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。
介質(zhì)損耗是應(yīng)用于交流電場(chǎng)中電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。介質(zhì)損耗不但消耗了電能,而且使元件發(fā)熱影響其正常工作。如果介電損耗較大,甚至?xí)鸾橘|(zhì)的過(guò)熱而絕緣破壞,所以從這種意義上講,介質(zhì)損耗越小越好。
1、極化損耗
在介質(zhì)發(fā)生緩慢極化時(shí)(松弛極化、空間電荷極化等),帶電粒子在電場(chǎng)力的影響下因克服熱運(yùn)動(dòng)而引起的能量損耗。
一些介質(zhì)在電場(chǎng)極化時(shí)也會(huì)產(chǎn)生損耗,這種損耗一般稱(chēng)極化損耗。位移極化從建立極化到其穩(wěn)定所需時(shí)間很短(約為10-16~10-12s),這在無(wú)線電頻率(5×1012Hz 以下)范圍均可認(rèn)為是極短的,因此基本上不消耗能量。其他緩慢極化(例如松弛極化、空間電荷極化等)在外電場(chǎng)作用下,需經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間(10-10s或更長(zhǎng))才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),因此會(huì)引起能量的損耗。
若外加頻率較低,介質(zhì)中所有的極化都能完全跟上外電場(chǎng)變化,則不產(chǎn)生極化損耗。若外加頻率較高時(shí),介質(zhì)中的極化跟不上外電場(chǎng)變化,于是產(chǎn)生極化損耗。
2、漏導(dǎo)損耗
實(shí)際使用中的絕緣材料都不是完善的理想的電介質(zhì),在外電場(chǎng)的作用下,總有一些帶電粒子會(huì)發(fā)生移動(dòng)而引起微弱的電流,這種微小電流稱(chēng)為漏導(dǎo)電流,漏導(dǎo)電流流經(jīng)介質(zhì)時(shí)使介質(zhì)發(fā)熱而損耗了電能。這種因電導(dǎo)而引起的介質(zhì)損耗稱(chēng)為“漏導(dǎo)損耗”。由于實(shí)阿的電介質(zhì)總存在一些缺陷,或多或少存在一些帶電粒子或空位,因此介質(zhì)不論在直流電場(chǎng)或交變電場(chǎng)作用下都會(huì)發(fā)生漏導(dǎo)損耗。
3、電離損耗
電離損耗(又稱(chēng)游離損耗)是由氣體引起的,含有氣孔的固體介質(zhì)在外加電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)氣孔氣體電離所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí),由于氣體的電離吸收能量而造成指耗,這種損耗稱(chēng)為電離損耗。
4、結(jié)構(gòu)損耗
在高頻電場(chǎng)和低溫下,有一類(lèi)與介質(zhì)內(nèi)鄰結(jié)構(gòu)的緊密度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗稱(chēng)為結(jié)構(gòu)損耗。這類(lèi)損耗與溫度關(guān)系不大,耗功隨頻率升高而增大。
試驗(yàn)表明結(jié)構(gòu)緊密的晶體成玻璃體的結(jié)構(gòu)損耗都很小,但是當(dāng)某此原因(如雜質(zhì)的摻入、試樣經(jīng)淬火急冷的熱處理等)使它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散后。其結(jié)構(gòu)耗就會(huì)大大升高。
5、宏觀結(jié)構(gòu)不均勾性的介質(zhì)損耗
工程介質(zhì)材料大多數(shù)是不均勻介質(zhì)。例如陶瓷材料就是如此,它通常包含有晶相、玻璃相和氣相,各相在介質(zhì)中是統(tǒng)計(jì)分布口。由于各相的介電性不同,有可能在兩相間積聚了較多的自由電荷使介質(zhì)的電場(chǎng)分布不均勻,造成局部有較高的電場(chǎng)強(qiáng)度而引起了較高的損耗。但作為電介質(zhì)整體來(lái)看,整個(gè)電介質(zhì)的介質(zhì)損耗必然介于損耗最大的一相和損耗最小的一相之間。
在交變電場(chǎng)作用下,電介質(zhì)內(nèi)流過(guò)的電流相量和電壓相量之間的夾角(功率因數(shù)角Φ)的余角δ稱(chēng)為介質(zhì)損耗角,也叫介電相位角。它是交流電壓下電介質(zhì)中的有功分量和無(wú)功分量的比值,是一個(gè)無(wú)量綱的數(shù),反應(yīng)的是電介質(zhì)內(nèi)單位體積中能量損耗的大小,反映電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下,電位移與電場(chǎng)強(qiáng)度的位相差。
電介質(zhì)在交變電場(chǎng)作用下,根據(jù)電場(chǎng)頻率、介質(zhì)種類(lèi)的不同,其介電行為可能產(chǎn)生以下兩種情況。對(duì)于理想介質(zhì)而言,電位移與電場(chǎng)強(qiáng)度在時(shí)間上沒(méi)有相位差,此時(shí)極化強(qiáng)度與交變電場(chǎng)同相位,交流電流剛好超前電壓π/2。對(duì)于實(shí)際介質(zhì)而言,電位移與電場(chǎng)強(qiáng)度存在位相差。此時(shí)介質(zhì)電容器交流電流超前電壓的相角小于π/2。由此,介質(zhì)損耗角等于介質(zhì)電容器交流電流與電壓相角差的余角。
介質(zhì)損耗角是在交變電場(chǎng)下,電介質(zhì)內(nèi)流過(guò)的電流向量和電壓向量之間的夾角(即功率向量角ф)的余角δ,簡(jiǎn)稱(chēng)介損角。
介質(zhì)損耗角(介損角)是一項(xiàng)反映高壓電氣設(shè)備絕緣性能的重要指標(biāo)。介損角的變化可反映受潮、劣化變質(zhì)或絕緣中氣體放電等絕緣缺陷,因此測(cè)量介損角是研究絕緣老化特征及在線監(jiān)測(cè)絕緣狀況的一項(xiàng)重要內(nèi)容。
在恒定電場(chǎng)作用下,電介質(zhì)介質(zhì)損耗的功率計(jì)算公式為
W=U2/R=(Ed)2S/ρd=σE2Sd
定義單位體積的介質(zhì)損耗為介質(zhì)損耗率為
ω=σE2
在交變電場(chǎng)作用下,電位移D與電場(chǎng)強(qiáng)度E均變?yōu)閺?fù)數(shù)矢量,此時(shí)介電常數(shù)也變成復(fù)數(shù),其虛部就表示了電介質(zhì)中能量損耗的大小。
如圖所示,從電路觀點(diǎn)來(lái)看,電介質(zhì)中的電流密度為
J=dD/dt=d(εE)/dt=Jτ+iJe
式中Jτ與E同相位。稱(chēng)為有功電流密度,導(dǎo)致能量損耗;Je,相比較E超前90°,稱(chēng)為無(wú)功電流密度。
定義
tanδ=Jτ/Je=ε〞/εˊ
式中,δ稱(chēng)為損耗角,tanδ稱(chēng)為損耗角正切值。
損耗角正切表示為獲得給定的存儲(chǔ)電荷要消耗的能量的大小,是電介質(zhì)作為絕緣材料使用時(shí)的重要評(píng)價(jià)參數(shù)。為了減少介質(zhì)損耗,希望材料具有較小的介電常數(shù)和更小的損耗角正切。損耗因素的倒數(shù)Q=(tanδ)-1在高頻絕緣應(yīng)用條件下稱(chēng)為電介質(zhì)的品質(zhì)因素,希望它的值要高
介質(zhì)損耗角的測(cè)量
介質(zhì)損耗角正切值又稱(chēng)介質(zhì)損耗因數(shù)或簡(jiǎn)稱(chēng)介損。測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)是一項(xiàng)靈敏度很高的試驗(yàn)項(xiàng)目,它可以發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備絕緣整體受潮、劣化變質(zhì)以及小體積被試設(shè) 備貫通和未貫通的局部缺陷。例如:某臺(tái)變壓器的套管,正常tg值為0.5%,而當(dāng)受潮后tg值為3.5%,兩個(gè)數(shù)據(jù)相差7倍;而用測(cè)量絕緣電阻檢測(cè), 受潮前后的數(shù)值相差不大。
由于測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)對(duì)反映上述缺陷具有較高的靈敏度,所以在電工制造及電力設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)中都得到了廣泛的應(yīng)用。變壓器、發(fā)電機(jī)、斷路器等電氣設(shè)備的介損測(cè)試《規(guī)程》都作了規(guī)定。