高压电气设备绝缘性能指标：介电常数与介质损耗

高压电气设备绝缘性能指标：介电常数与介质损耗

电介质损耗角研究的意义
       电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础。无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发生失效，必将引起局部甚至全部地区的停电。

而导致设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。绝缘劣化有很多原因，不仅电应力可引起绝缘劣化，导致绝缘故障，而且机械力或热得作用，或者和电场的共同作用，zui终也会发展为绝缘性故障。鉴于绝缘故障在电力故障中所占的比重及其后果的严重性，电力运行部门历来十分重视电气设备的绝缘监督。

       电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度，它们分别以四个主要参数，即电导率（或绝缘电阻率）、介电常数、介质损耗角正切和击穿场强来表示。

电介质损耗角是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。电介质损耗角的变化可反映受潮、劣化变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷，因此测量介质损耗角是研究绝缘老化特征及在线监视绝缘状况的一项重要内容。而在实际测量中，由于电介质损耗很小，所以需要测量系统有较高的测量精度，这样才能正确及时地反映电介质损耗的变化。对于电容型绝缘设备，通过对其介质特性的监视，可以发现尚处于早期发展阶段的缺陷。

电介质损耗角正切的理论基础
对电介质施加正弦波电压，外施电压与相同频率的电流之间相角的余角的正切值。其物理理论基础为tanδ=每个周期内介质损耗的能量/每个周期内介质存储的能量 

在交流电压下，流过电介质的电流I包含有功分量IR和无功分量IC，即I=IR+I
由图1—1可以看出，此时的介质功率损耗P=UIcos=UICtanδ=U2ωCPtanδ  （1--1） 式  ω----电源角频率Φ----功δ
-----介质损耗角。采用介质损耗P作为比较各种绝缘材料损耗特性优劣的指标是不合适的，因为P
值得大小与所加电压U、试品电容量CP、电源频率ω等一系列因素有关，而式中的
tanδ切是一个仅仅取决于材料损耗特性，而与上述种种因素无关的物理量。正因于此，通常均采用介质损耗角正切tanδ作为综合反映电介质损耗特性优劣的指标，测量和监控各种电力设备绝缘的tan
δ值已成为电力系统中绝缘预防性试验的zui重要项目之一。有损介质更细致的等值

在这个等值电路上加上直流电压时，电介质中流过的将是电容电流I1、吸收电流I2和传导电流I3。在电容电流I1在加压瞬间数值很大，但迅速下降到零，是一极短暂的充电电流；吸收电流I2则随着加电压时间增长而逐渐减小，比充电电流的下降要慢得多，约经数十分钟才衰减到零，具体时间长短取决于绝缘的类型、不均匀程度和结构；传导电流I3是*长期存在的电流分量。这三个电流分量加在一起即得出吸收曲线

。上述三条支路等值电路可进一步简化为电阻、
电容的并联等值电路或串联等值电路。若介质损耗主要由电导所引起，常用并联等值电路；
如果介质损耗主由极化所引起，常用串联等值电路。

三.等值电路1.并联等值电路如果把电流归并成由有功电流和无功电流两部分组成，即可得到图1—1b示并列电路，图中CP代表无功电流IC等值电容、R则代表有功电流I
R的等值电阻。其中IR=3+I2R=URIC=1+I2C=UωCP介质损耗角正切tanδ等于有功电流和无功电流的比值，即tanδ=IRIC=URUωCP=1UωCP此时电路的功率损耗为：P=U2R=U2ωCPtanδ可见与式（1--1）所得介质损耗*相同。2.串联等值电路用一只理想的无损耗电容CS一个电阻r相串联的等值电路来代替，如果1—3a所示。且由如1—3b的向量图可得：tanδ=IrIω=ωCr由于r=tanδωCS，I=cSωCS=UcosδωCS，所以电路的功率损耗将为：P=2r=（UcosδωCS）2tanδωCS=U2ωCStanδ（cosδ）2
因为介质损耗角δ值很小，cosδ≈1，所以P=U2ωCStanδ由并联等值电路和串联等值电路可知，串联等值电路中的电阻r要比并联等值电路中的电阻R小得多 电介质的简化串联等值电路及向量a  串联等值电路       b  向量

介质损耗角正切的测量由于介质的功率损耗P与介质损耗角正切tanδ成正比，所以tanδ
是绝缘品质的重要指标，测量tanδ值是判断电气设备的绝缘状态的一项灵敏有效方法。tanδ能反映绝缘的整体性缺陷（例如全面老化）和小电容试品中的严重局部缺陷。由于tanδ随电压而变化的曲线，可判断绝缘是否受潮、含有气泡及老化程度。但是测量tanδ不能灵敏地反映大容量发电机、变压器和电力电缆绝缘中的局部性缺陷，这是应尽可能将这些设备分解成几部分，然后分别测量它们的tanδ，tanδ值得测量，zui常用的是高压交流电桥，即西林电桥法。
液体介电常数测量仪鉴别危险品

介电常数与介质损耗测试仪GDAT-A 

GBT1409-2006测量电气绝缘材料在工频、音频、高频(包括米波波长在内)下电容率和介质损耗因数的推荐方法

一 工作特性
1.    平板电容器
极片尺寸：φ25.4mm
极片间距可调范围和分辨率：≥10mm，±0.01mm
2.    园筒电容器
电容量线性：0.33pF / mm±0.05 pF
长度可调范围和分辨率：≥0～20mm，±0.01mm
3.  夹具插头间距：25mm±1mm
4.  夹角损耗角正切值：≤4×10－4（1MHz时）

二. 工作原理
本测试装置是由二只测微电容器组成，平板电容器一般用来夹持被测样品，园筒电容器是一只分辨率高达0.0033pF的线性可变电容器，配用仪器作为指示仪器，绝缘材料的损耗角正切值是通过被测样品放进平板电容器和不放进样品的Q值变化，由园筒电容器的刻度读值变化值而换算得到的。同时，由平板电容器的刻度读值变化而换算得到介电常数。

三. 使用方法
1.    被测样品的准备
被测样品要求为园形，直径25.4～27mm，这是减小因样品边缘泄漏和边缘电场引起的误差的有效办法。样品厚度可在1～5mm之间，如太薄或太厚则测试精度就会下降，样品要尽可能平直。
下面推荐一种能提高测试性的方法：准备二片厚0.05mm的园形锡膜，直径和平板电容器极片一致，锡膜两面均匀地涂上一层薄薄的凡士林，它起粘着作用，又能排除接触面之间残余空气，把锡膜再粘在平板电容器两个极片上，粘好后，极片呈镜面状为佳，然后放上被测样品。
2. 测试顺序
先要详细了解配用仪器的使用方法，操作时，要避免人体感应的影响。
a.    把配用的仪器主调谐电容置于zui小电容量，微调电容置于－3pF。
b.    把本夹具测试装置插到仪器测试回路的“电容”两个端子上，即插入到仪器上方接线铜柱的右边两个圆柱内。
 
c.    配上相适应的高Q值电感线圈，选择电感没有特别的方法，只有试或凭经验来选择合适的那个，一般选择使高频仪器显示Q值zui大的电感zui为合适。
注：以上步骤是为了使高频仪器工作起来（仪器是LC谐振工作原理，所以要选择合适的电感才能使仪器谐振）
d.    调节平板电容器测微杆，使二极片相接为止，读取刻度值记为DO。
e.    再松开二极片，把被测样品插入二极片之间，调节平板电容器，到二极片夹住样品止（注意调节时要用测微杆，以免夹得过紧或过松），这时能读取新的刻度值，记为D1，这时样品厚度D2= D1－D0。
注：以上d和e两步是测出被测样片的厚度，方便后面计算介电常数时用。
f.    把园筒电容器置于7mm处（该值不是的，我们一般在测的时候放到7mm处就可以测了，不过有的时候在做到h步0骤时顺时针旋转完刻度了Q值还没有达到一半，这时就要适当的把7mm刻度调整到9mm或更大了）。
g.    改变配合仪器频率，使之谐振，读得Q值。（如果测试材料样片有“要求的测试频率”，那么就先把频率定位到该频率，然后再调节仪器的主调电容，使仪器谐振（即仪器的Q值显示为zui大）；如果不知道在频率下测试的话，我们一般把频率放在1MHz下来调试，然后再调节主调电容使仪器工作）。
h.    先顺时针方向，后逆时针方向，调节园筒电容器，读取当仪器指示Q值为原值的一半时测微杆上二个刻度值，取这二个值之差，记为M1。（先记下园筒电容在7mm时仪器谐振时的zui大Q值，即d步骤测得的Q值；然后调节园筒电容器，看仪器的Q值显示为原来的一半时，读取园筒电容器上边的刻度为多少，要顺时针和逆时针旋转两次取两个刻度值；如果园筒电容器顺时针转到0刻度时Q值还没有到一半，那么就要返回到第f步骤把园筒电容器置于9mm处或更大，重新操作）。 
i.    再调节园筒电容器，使仪器再次谐振（即把园筒电容器调回到7mm处）。
j.    取出平板电容器中的样品，这时仪器又失谐，调节平
板电容器，使再谐振，读取测微杆上的读值D3，其变化值为
D4= D3－D0。
k.    和h款操作一样，得到新的二个值之差，记为M2。
3.  计算测试结果
被测样品的介电常数：
Σ＝D2 / D4
被测样品的损耗角正切值：
     tgδ＝K（M1－M2 ）/ 15.5    
式中：K为园筒电容器线性变化率，一般为0.33。
4.  其他应用使用方法
使用本测试装置和仪器配用，对绝缘材料以及其他高阻性能的薄材，列如：纸张、木材、粉压片料等，进行相对测量，其测试方法就非常简便、实用，采取被测样品和标准样品相比较方法，就能灵敏地区别二者之间的轻微差别，例如含水量、配用原料变动等等。
测试时先把标准样品放入平板电容器，调节仪器频率，谐振后读得Q值，再换上被测样品，调节园筒电位器，再谐振，看Q值变化，如Q值变化很小，说明标准样品和被测样品高频损耗值一致，反之说明二者性能有区别，如园筒电容器调节不能再谐振，通过调节仪器频率才能谐振，且频率变化较大，说明被测样品和标准样品的配用原材料相差较大。

四. 维修方法
本测试装置是由精密机械构件组成的测微设备，所以在使用和
保存时要避免振动和碰撞，要求在不含腐蚀气体和干燥的环境中使用和保存，不能自行拆装，否则其工作性能就不能保证，如测试夹具受到碰撞，或者作为定期检查，要检测以下几个指标：
1.    平板电容器二极片平行度不超过0.02mm。
2.    园筒电容器的轴和轴同心度误差不超过0.1mm。
3.    保证二个测微杆0.01mm分辨率。
4.    用精密电容测量仪（±0.01pF分辨率）测量园筒电容器，电容呈线性率，从0~20mm，每隔1mm测试一点，要求符合工作特性要求。