在電場作用下,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)部會引起能量損耗,這個現(xiàn)象我們稱為介質(zhì)損耗,也叫介質(zhì)損失、介損。在介質(zhì)損耗發(fā)生時,在外電場作用下,電介質(zhì)內(nèi)部會有發(fā)熱現(xiàn)象,這說明有部分電能已轉(zhuǎn)化為熱能耗散掉。
介質(zhì)損耗是應(yīng)用于交流電場中電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標之一。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(松弛極化、空間電荷極化等),帶電粒子在電場力的影響下因克服熱運動而引起的能量損耗。
一些介質(zhì)在電場極化時也會產(chǎn)生損耗,這種損耗一般稱極化損耗。位移極化從建立極化到其穩(wěn)定所需時間很短(約為10-16~10-12s),這在無線電頻率(5×1012Hz 以下)范圍均可認為是極短的,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)在外電場作用下,需經(jīng)過較長時間(10-10s或更長)才達到穩(wěn)定狀態(tài),因此會引起能量的損耗。
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變化,則不產(chǎn)生極化損耗。若外加頻率較高時,介質(zhì)中的極化跟不上外電場變化,于是產(chǎn)生極化損耗。
2、漏導(dǎo)損耗
實際使用中的絕緣材料都不是完善的理想的電介質(zhì),在外電場的作用下,總有一些帶電粒子會發(fā)生移動而引起微弱的電流,這種微小電流稱為漏導(dǎo)電流,漏導(dǎo)電流流經(jīng)介質(zhì)時使介質(zhì)發(fā)熱而損耗了電能。這種因電導(dǎo)而引起的介質(zhì)損耗稱為“漏導(dǎo)損耗”。由于實阿的電介質(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)不論在直流電場或交變電場作用下都會發(fā)生漏導(dǎo)損耗。
3、電離損耗
電離損耗(又稱游離損耗)是由氣體引起的,含有氣孔的固體介質(zhì)在外加電場強度超過氣孔氣體電離所需要的電場強度時,由于氣體的電離吸收能量而造成指耗,這種損耗稱為電離損耗。
4、結(jié)構(gòu)損耗
在高頻電場和低溫下,有一類與介質(zhì)內(nèi)鄰結(jié)構(gòu)的緊密度密切相關(guān)的介質(zhì)損耗稱為結(jié)構(gòu)損耗。這類損耗與溫度關(guān)系不大,耗功隨頻率升高而增大。
試驗表明結(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)的電場分布不均勻,造成局部有較高的電場強度而引起了較高的損耗。但作為電介質(zhì)整體來看,整個電介質(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。
在交變電場作用下,電介質(zhì)內(nèi)流過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)中的有功分量和無功分量的比值,是一個無量綱的數(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)在交變電場作用下,電位移與電場強度的位相差。
電介質(zhì)在交變電場作用下,根據(jù)電場頻率、介質(zhì)種類的不同,其介電行為可能產(chǎn)生以下兩種情況。對于理想介質(zhì)而言,電位移與電場強度在時間上沒有相位差,此時極化強度與交變電場同相位,交流電流剛好超前電壓π/2。對于實際介質(zhì)而言,電位移與電場強度存在位相差。此時介質(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下,電介質(zhì)內(nèi)流過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,簡稱介損角。
介質(zhì)損耗角(介損角)是一項反映高壓電氣設(shè)備絕緣性能的重要指標。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,因此測量介損角是研究絕緣老化特征及在線監(jiān)測絕緣狀況的一項重要內(nèi)容。
在恒定電場作用下,電介質(zhì)介質(zhì)損耗的功率計算公式為
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
在交變電場作用下,電位移D與電場強度E均變?yōu)閺?fù)數(shù)矢量,此時介電常數(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,從電路觀點來看,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。稱為有功電流密度,導(dǎo)致能量損耗;Je,相比較E超前90°,稱為無功電流密度。
定義
tanδ=Jτ/Je=ε〞/εˊ
式中,δ稱為損耗角,tanδ稱為損耗角正切值。
損耗角正切表示為獲得給定的存儲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的重要評價參數(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)損耗角的測量
介質(zhì)損耗角正切值又稱介質(zhì)損耗因數(shù)或簡稱介損。測量介質(zhì)損耗因數(shù)是一項靈敏度很高的試驗項目,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:某臺變壓器的套管,正常tg值為0.5%,而當受潮后tg值為3.5%,兩個數(shù)據(jù)相差7倍;而用測量絕緣電阻檢測, 受潮前后的數(shù)值相差不大。
由于測量介質(zhì)損耗因數(shù)對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)防性試驗中都得到了廣泛的應(yīng)用。變壓器、發(fā)電機、斷路器等電氣設(shè)備的介損測試《規(guī)程》都作了規(guī)定。