介質損耗因數試驗淺析

張緯怡 吳 凱

（國網江蘇省電力有限公司 鎮江供電分公司，江蘇 鎮江 212000）

1 介質損耗因數的基本概念

1.1 電介質損耗的組成

電介質損耗由以下三部分組成：

1.電導損耗。當給電介質施加交流電壓時，電介質中會有電導電流流過，電介質因此而發熱產生損耗，通常這部分電流都很小。

2.游離損耗。電介質中局部電場集中處（如固體電介質中的氣泡，氣體電介質中電極的尖端等），當電場強度高于某一值時，介質局部就會產生放電，同時伴隨能量損耗。

3.極化損耗。由于介質結構的不均勻，在交流電場作用下，使不均勻介質邊界面上的電荷，時而積聚，時而消失，電荷積聚和消失都要通過介質內部，這樣就造成了一定的能量損耗。

1.2 介質損耗因數的定義

與介質損耗不同的是，介質損耗因數tanδ只與材料的性質有關，而與材料的尺寸已經體積大小等外部因素無關，這樣可以便于不同設備之間進行比較。

1.3 介質損耗的等值電路及相量圖

根據絕緣介質在交流電壓作用下的等值電路及相量圖，可推導出介質損耗各物理量之間的關系。

如下圖1所示，當對一絕緣介質施加交流電壓時，介質上將流過電容電流IC1、吸收電流I2和電導電流IR1。其中又可以將吸收電流I2分解成有功分量IR2和無功分量IC2兩部分。電容電流IC1和IC2是不消耗能量的，只有電導電流IR1和吸收電流中的有功分量IR2才消耗能量。[1]

圖1 絕緣介質在交流電壓作用下的等值電路及相量圖

介質的功率損耗：

式中： U——電源電壓 ω——電源角頻tanδ C——介質的電容 R——介質的電阻 tanδ——角的余角的正切

由上面的式子可知，介質損耗與電源電壓的平方U2、角頻率ω、電容C以及δ角的正切值tanδ成正比。當電壓U、角頻率ω及電容C一定時，介質損耗和tanδ成正比。

將δ角定義為介質損耗角，tanδ即為介質損耗角正切值，定義tanδ為介質損耗因數。

1.4 介質損耗因數試驗目的

1.能較為靈敏地發現中小型電容量電氣設備的絕緣整體受潮、老化、油質劣化和局部缺陷。

2.能非常靈敏地發現絕緣油質量的優劣。

3.對容量較大的電氣設備，若絕緣缺陷占據的體積只占總體積的一小部分，則測量介質損耗因數較難發現設備存在的絕緣缺陷。所以我們在測量大型變壓器整體的介質損耗因數之后，還應再測量其電容型套管的介質損耗因數，原因后面會具體解釋。

2 測量介質損耗因數的儀器

測量介質損耗因數常用的儀器有西林電橋、M型介質試驗器、電流比較型電橋三類，本文主要介紹第一類和第三類。

2.1 西林電橋

西林電橋是80年代以前廣泛使用的現場介損測試儀器，它有兩種接線方式，正接線和反接線。

2.1.1 正接線

試品兩極對地均絕緣，此方法在日常試驗中經常使用，如對電容型套管、耦合電容器、電容式互感器等電氣設備均采用正接線方式測量tanδ。正接線使用時，電橋處于低電位，測量結果比反接線方法正確，電橋三根導線（出線）處于低電位。在被試品具有足夠絕緣水平時，允許施加大于10kV的電壓作為試驗電壓，但必須使用與額定電壓相適應的標準電容器。

2.1.2 反接線

多數高壓電氣設備外殼都是直接地的，對于一極接地的電氣設備應采用反接線方式測量tanδ。反接線使用時，電橋和出線均處于高電位，對地應保持一定的安全距離，最少不應低于10cm。電橋面板上的接地端子必須牢固接地。

由于西林電橋使用比較麻煩，且抗干擾能力差，因此目前電氣試驗工作已不再將西林電橋作為測量tanδ的儀器。

2.2 相位差法抗干擾全自動介損測試儀

相位差法介損儀是攜帶型西林電橋的更新換代產品。把標準電容器和升壓變壓器組合在一起，稱為一體化。此種介損儀采用現代微電子技術以提高測量精度和自動顯示，采用紅外技術和光纖傳遞以提高抗干擾能力，如AI-6000型自動抗干擾精密介質損耗測量儀。與西林電橋相比，相位差法介損儀具有操作簡單、自動測量、無須換算、精度高、抗干擾能力強等優點，儀器內部附有標準電容器及升壓裝置，便于攜帶。[2]

3 影響介質損耗因數測量結果的因素

介質損耗因素不僅受到設備缺陷和電磁場干擾的影響，還受到溫度、試驗電壓、試品電容的影響。

3.1 溫度的影響

溫度對tanδ測量的影響較大，絕大多數情況下，同一種被試品的tanδ隨著溫度的升高而增大。但由于不同絕緣介質或不同潮濕程度有著不同的隨溫度變化的規律，一般無法將某一溫度下測得的介質損耗因數值準確換算至另一溫度下的數值，在20℃至80℃之間，tanδ隨著溫度而變化的經驗公式為tanδ=tanδ0eα（t-t0），但這種溫度換算方法所得的數據也只是近似的。最好在10℃至30℃范圍內并與歷史試驗測量時相近的溫度下對設備進行tanδ測量。

3.2 試驗電壓的影響

對絕緣良好的設備而言，在一定試驗電壓范圍內，流過絕緣介質的電流有功和無功分量隨著電壓的增加成比例增加，因此介質損耗因數不會有明顯變化。但對于絕緣有缺陷的設備來說，當電壓上升到介質的局部放電起始電壓以上時，介質中夾雜氣泡或雜質的部分電場可能很強，會首先放電，產生附加損耗，使測得的介質損耗因數值增加。因此在較高電壓下測量tanδ，可以較為真實地反映出設備的絕緣狀況，便于及時準確地發現設備絕緣存在的缺陷。[3]

3.3 tanδ與試品電容的關系

對于如套管、電壓互感器、電流互感器等電容量比較小的設備，測量其介質損耗因數可以有效發現其存在的局部集中性缺陷和整體分布性缺陷。但若集中性缺陷的體積所占被試設備絕緣體積的比重很小，如大、中型變壓器等大體積設備的局部缺陷，其引起的損耗只占總損耗中的極小部分，則測量其介質損耗因數不能靈敏的反映絕緣缺陷，應盡量進行分解試驗。下面通過公式來解釋這一現象。設備絕緣由多種材料、多種部件構成，可以看作是由許多并聯等值回路組成。

根據：

可以得出幾個并聯等值回路的綜合tanδ為：

從上式分析，不難看出電容量對介質損耗因數的影響。在測量多材料、多結構、多層絕緣介質的絕緣性能時，當其中某一種或某一層的絕緣介質損耗因數偏大時，并不能有效地在總介質損耗因數值中反映出來，或者說介質損耗因數對反映絕緣的局部缺陷不靈敏。