高壓電氣設(shè)備絕緣性能指標(biāo)：介電常數(shù)與介質(zhì)損耗

電介質(zhì)損耗角研究的意義
       電氣設(shè)備是組成電力系統(tǒng)的基本元件，是保證供電可靠性的基礎(chǔ)。無(wú)論是大型關(guān)鍵設(shè)備如發(fā)電機(jī)、變壓器，還是小型設(shè)備如電力電容器、絕緣子等，一旦發(fā)生失效，必將引起局部甚至全部地區(qū)的停電。

而導(dǎo)致設(shè)備失效的主要原因是其絕緣性能的劣化。絕緣劣化有很多原因，不僅電應(yīng)力可引起絕緣劣化，導(dǎo)致絕緣故障，而且機(jī)械力或熱得作用，或者和電場(chǎng)的共同作用，zui終也會(huì)發(fā)展為絕緣性故障。鑒于絕緣故障在電力故障中所占的比重及其后果的嚴(yán)重性，電力運(yùn)行部門歷來(lái)十分重視電氣設(shè)備的絕緣監(jiān)督。

       電介質(zhì)的電氣特性，主要表現(xiàn)為它們?cè)陔妶?chǎng)作用下的導(dǎo)電性能、介電性能和電氣強(qiáng)度，它們分別以四個(gè)主要參數(shù)，即電導(dǎo)率（或絕緣電阻率）、介電常數(shù)、介質(zhì)損耗角正切和擊穿場(chǎng)強(qiáng)來(lái)表示。

電介質(zhì)損耗角是一項(xiàng)反映高壓電氣設(shè)備絕緣性能的重要指標(biāo)。電介質(zhì)損耗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)量介質(zhì)損耗角是研究絕緣老化特征及在線監(jiān)視絕緣狀況的一項(xiàng)重要內(nèi)容。而在實(shí)際測(cè)量中，由于電介質(zhì)損耗很小，所以需要測(cè)量系統(tǒng)有較高的測(cè)量精度，這樣才能正確及時(shí)地反映電介質(zhì)損耗的變化。對(duì)于電容型絕緣設(shè)備，通過(guò)對(duì)其介質(zhì)特性的監(jiān)視，可以發(fā)現(xiàn)尚處于早期發(fā)展階段的缺陷。

電介質(zhì)損耗角正切的理論基礎(chǔ)
對(duì)電介質(zhì)施加正弦波電壓，外施電壓與相同頻率的電流之間相角的余角的正切值。其物理理論基礎(chǔ)為tanδ=每個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)損耗的能量/每個(gè)周期內(nèi)介質(zhì)存儲(chǔ)的能量 

在交流電壓下，流過(guò)電介質(zhì)的電流I包含有功分量IR和無(wú)功分量IC，即I=IR+I
由圖1—1可以看出，此時(shí)的介質(zhì)功率損耗P=UIcos=UICtanδ=U2ωCPtanδ  （1--1） 式  ω----電源角頻率Φ----功δ
-----介質(zhì)損耗角。采用介質(zhì)損耗P作為比較各種絕緣材料損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo)是不合適的，因?yàn)镻
值得大小與所加電壓U、試品電容量CP、電源頻率ω等一系列因素有關(guān)，而式中的
tanδ切是一個(gè)僅僅取決于材料損耗特性，而與上述種種因素?zé)o關(guān)的物理量。正因于此，通常均采用介質(zhì)損耗角正切tanδ作為綜合反映電介質(zhì)損耗特性優(yōu)劣的指標(biāo)，測(cè)量和監(jiān)控各種電力設(shè)備絕緣的tan
δ值已成為電力系統(tǒng)中絕緣預(yù)防性試驗(yàn)的zui重要項(xiàng)目之一。有損介質(zhì)更細(xì)致的等值

在這個(gè)等值電路上加上直流電壓時(shí)，電介質(zhì)中流過(guò)的將是電容電流I1、吸收電流I2和傳導(dǎo)電流I3。在電容電流I1在加壓瞬間數(shù)值很大，但迅速下降到零，是一極短暫的充電電流；吸收電流I2則隨著加電壓時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸減小，比充電電流的下降要慢得多，約經(jīng)數(shù)十分鐘才衰減到零，具體時(shí)間長(zhǎng)短取決于絕緣的類型、不均勻程度和結(jié)構(gòu)；傳導(dǎo)電流I3是*長(zhǎng)期存在的電流分量。這三個(gè)電流分量加在一起即得出吸收曲線

。上述三條支路等值電路可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為電阻、
電容的并聯(lián)等值電路或串聯(lián)等值電路。若介質(zhì)損耗主要由電導(dǎo)所引起，常用并聯(lián)等值電路；
如果介質(zhì)損耗主由極化所引起，常用串聯(lián)等值電路。

三.等值電路1.并聯(lián)等值電路如果把電流歸并成由有功電流和無(wú)功電流兩部分組成，即可得到圖1—1b示并列電路，圖中CP代表無(wú)功電流IC等值電容、R則代表有功電流I
R的等值電阻。其中IR=3+I2R=URIC=1+I2C=UωCP介質(zhì)損耗角正切tanδ等于有功電流和無(wú)功電流的比值，即tanδ=IRIC=URUωCP=1UωCP此時(shí)電路的功率損耗為：P=U2R=U2ωCPtanδ可見(jiàn)與式（1--1）所得介質(zhì)損耗*相同。2.串聯(lián)等值電路用一只理想的無(wú)損耗電容CS一個(gè)電阻r相串聯(lián)的等值電路來(lái)代替，如果1—3a所示。且由如1—3b的向量圖可得：tanδ=IrIω=ωCr由于r=tanδωCS，I=cSωCS=UcosδωCS，所以電路的功率損耗將為：P=2r=（UcosδωCS）2tanδωCS=U2ωCStanδ（cosδ）2
因?yàn)榻橘|(zhì)損耗角δ值很小，cosδ≈1，所以P=U2ωCStanδ由并聯(lián)等值電路和串聯(lián)等值電路可知，串聯(lián)等值電路中的電阻r要比并聯(lián)等值電路中的電阻R小得多 電介質(zhì)的簡(jiǎn)化串聯(lián)等值電路及向量a  串聯(lián)等值電路       b  向量

介質(zhì)損耗角正切的測(cè)量由于介質(zhì)的功率損耗P與介質(zhì)損耗角正切tanδ成正比，所以tanδ
是絕緣品質(zhì)的重要指標(biāo)，測(cè)量tanδ值是判斷電氣設(shè)備的絕緣狀態(tài)的一項(xiàng)靈敏有效方法。tanδ能反映絕緣的整體性缺陷（例如全面老化）和小電容試品中的嚴(yán)重局部缺陷。由于tanδ隨電壓而變化的曲線，可判斷絕緣是否受潮、含有氣泡及老化程度。但是測(cè)量tanδ不能靈敏地反映大容量發(fā)電機(jī)、變壓器和電力電纜絕緣中的局部性缺陷，這是應(yīng)盡可能將這些設(shè)備分解成幾部分，然后分別測(cè)量它們的tanδ，tanδ值得測(cè)量，zui常用的是高壓交流電橋，即西林電橋法。
液體介電常數(shù)測(cè)量?jī)x鑒別危險(xiǎn)品

介電常數(shù)與介質(zhì)損耗測(cè)試儀GDAT-A 

GBT1409-2006測(cè)量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻(包括米波波長(zhǎng)在內(nèi))下電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的推薦方法

一 工作特性
1.    平板電容器
極片尺寸：φ25.4mm
極片間距可調(diào)范圍和分辨率：≥10mm，±0.01mm
2.    園筒電容器
電容量線性：0.33pF / mm±0.05 pF
長(zhǎng)度可調(diào)范圍和分辨率：≥0～20mm，±0.01mm
3.  夾具插頭間距：25mm±1mm
4.  夾角損耗角正切值：≤4×10－4（1MHz時(shí)）

二. 工作原理
本測(cè)試裝置是由二只測(cè)微電容器組成，平板電容器一般用來(lái)夾持被測(cè)樣品，園筒電容器是一只分辨率高達(dá)0.0033pF的線性可變電容器，配用儀器作為指示儀器，絕緣材料的損耗角正切值是通過(guò)被測(cè)樣品放進(jìn)平板電容器和不放進(jìn)樣品的Q值變化，由園筒電容器的刻度讀值變化值而換算得到的。同時(shí)，由平板電容器的刻度讀值變化而換算得到介電常數(shù)。

三. 使用方法
1.    被測(cè)樣品的準(zhǔn)備
被測(cè)樣品要求為園形，直徑25.4～27mm，這是減小因樣品邊緣泄漏和邊緣電場(chǎng)引起的誤差的有效辦法。樣品厚度可在1～5mm之間，如太薄或太厚則測(cè)試精度就會(huì)下降，樣品要盡可能平直。
下面推薦一種能提高測(cè)試性的方法：準(zhǔn)備二片厚0.05mm的園形錫膜，直徑和平板電容器極片一致，錫膜兩面均勻地涂上一層薄薄的凡士林，它起粘著作用，又能排除接觸面之間殘余空氣，把錫膜再粘在平板電容器兩個(gè)極片上，粘好后，極片呈鏡面狀為佳，然后放上被測(cè)樣品。
2. 測(cè)試順序
先要詳細(xì)了解配用儀器的使用方法，操作時(shí)，要避免人體感應(yīng)的影響。
a.    把配用的儀器主調(diào)諧電容置于zui小電容量，微調(diào)電容置于－3pF。
b.    把本夾具測(cè)試裝置插到儀器測(cè)試回路的“電容”兩個(gè)端子上，即插入到儀器上方接線銅柱的右邊兩個(gè)圓柱內(nèi)。
 
c.    配上相適應(yīng)的高Q值電感線圈，選擇電感沒(méi)有特別的方法，只有試或憑經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇合適的那個(gè)，一般選擇使高頻儀器顯示Q值z(mì)ui大的電感zui為合適。
注：以上步驟是為了使高頻儀器工作起來(lái)（儀器是LC諧振工作原理，所以要選擇合適的電感才能使儀器諧振）
d.    調(diào)節(jié)平板電容器測(cè)微桿，使二極片相接為止，讀取刻度值記為DO。
e.    再松開(kāi)二極片，把被測(cè)樣品插入二極片之間，調(diào)節(jié)平板電容器，到二極片夾住樣品止（注意調(diào)節(jié)時(shí)要用測(cè)微桿，以免夾得過(guò)緊或過(guò)松），這時(shí)能讀取新的刻度值，記為D1，這時(shí)樣品厚度D2= D1－D0。
注：以上d和e兩步是測(cè)出被測(cè)樣片的厚度，方便后面計(jì)算介電常數(shù)時(shí)用。
f.    把園筒電容器置于7mm處（該值不是的，我們一般在測(cè)的時(shí)候放到7mm處就可以測(cè)了，不過(guò)有的時(shí)候在做到h步0驟時(shí)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)完刻度了Q值還沒(méi)有達(dá)到一半，這時(shí)就要適當(dāng)?shù)陌?mm刻度調(diào)整到9mm或更大了）。
g.    改變配合儀器頻率，使之諧振，讀得Q值。（如果測(cè)試材料樣片有“要求的測(cè)試頻率”，那么就先把頻率定位到該頻率，然后再調(diào)節(jié)儀器的主調(diào)電容，使儀器諧振（即儀器的Q值顯示為zui大）；如果不知道在頻率下測(cè)試的話，我們一般把頻率放在1MHz下來(lái)調(diào)試，然后再調(diào)節(jié)主調(diào)電容使儀器工作）。
h.    先順時(shí)針?lè)较?，后逆時(shí)針?lè)较?，調(diào)節(jié)園筒電容器，讀取當(dāng)儀器指示Q值為原值的一半時(shí)測(cè)微桿上二個(gè)刻度值，取這二個(gè)值之差，記為M1。（先記下園筒電容在7mm時(shí)儀器諧振時(shí)的zui大Q值，即d步驟測(cè)得的Q值；然后調(diào)節(jié)園筒電容器，看儀器的Q值顯示為原來(lái)的一半時(shí)，讀取園筒電容器上邊的刻度為多少，要順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)兩次取兩個(gè)刻度值；如果園筒電容器順時(shí)針轉(zhuǎn)到0刻度時(shí)Q值還沒(méi)有到一半，那么就要返回到第f步驟把園筒電容器置于9mm處或更大，重新操作）。 
i.    再調(diào)節(jié)園筒電容器，使儀器再次諧振（即把園筒電容器調(diào)回到7mm處）。
j.    取出平板電容器中的樣品，這時(shí)儀器又失諧，調(diào)節(jié)平
板電容器，使再諧振，讀取測(cè)微桿上的讀值D3，其變化值為
D4= D3－D0。
k.    和h款操作一樣，得到新的二個(gè)值之差，記為M2。
3.  計(jì)算測(cè)試結(jié)果
被測(cè)樣品的介電常數(shù)：
Σ＝D2 / D4
被測(cè)樣品的損耗角正切值：
     tgδ＝K（M1－M2 ）/ 15.5    
式中：K為園筒電容器線性變化率，一般為0.33。
4.  其他應(yīng)用使用方法
使用本測(cè)試裝置和儀器配用，對(duì)絕緣材料以及其他高阻性能的薄材，列如：紙張、木材、粉壓片料等，進(jìn)行相對(duì)測(cè)量，其測(cè)試方法就非常簡(jiǎn)便、實(shí)用，采取被測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品相比較方法，就能靈敏地區(qū)別二者之間的輕微差別，例如含水量、配用原料變動(dòng)等等。
測(cè)試時(shí)先把標(biāo)準(zhǔn)樣品放入平板電容器，調(diào)節(jié)儀器頻率，諧振后讀得Q值，再換上被測(cè)樣品，調(diào)節(jié)園筒電位器，再諧振，看Q值變化，如Q值變化很小，說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)樣品和被測(cè)樣品高頻損耗值一致，反之說(shuō)明二者性能有區(qū)別，如園筒電容器調(diào)節(jié)不能再諧振，通過(guò)調(diào)節(jié)儀器頻率才能諧振，且頻率變化較大，說(shuō)明被測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品的配用原材料相差較大。

四. 維修方法
本測(cè)試裝置是由精密機(jī)械構(gòu)件組成的測(cè)微設(shè)備，所以在使用和
保存時(shí)要避免振動(dòng)和碰撞，要求在不含腐蝕氣體和干燥的環(huán)境中使用和保存，不能自行拆裝，否則其工作性能就不能保證，如測(cè)試夾具受到碰撞，或者作為定期檢查，要檢測(cè)以下幾個(gè)指標(biāo)：
1.    平板電容器二極片平行度不超過(guò)0.02mm。
2.    園筒電容器的軸和軸同心度誤差不超過(guò)0.1mm。
3.    保證二個(gè)測(cè)微桿0.01mm分辨率。
4.    用精密電容測(cè)量?jī)x（±0.01pF分辨率）測(cè)量園筒電容器，電容呈線性率，從0~20mm，每隔1mm測(cè)試一點(diǎn)，要求符合工作特性要求。