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    介電常數、電阻率、介質損耗角正切、擊穿電壓等電氣性能介紹

    更新時間:2024-01-04      點擊次數:275

    介電常數、電阻率、介質損耗角正切、擊穿電壓等電氣性能介紹


    1、電介質的基本概念
    具備無傳導電子絕緣體的物理特性,在電場中可發生極化的固體、液體和氣體,總稱為電介質。作為材料,電介質與導體、半導體和磁性材料一樣,在電氣電子學科領域占有重要的地位。電介質不僅包括絕緣材料,還包括各種功能材料,如壓電、熱釋電、光電和鐵電材料等。工程上,高絕緣電阻作為電介質的主要特性,被廣泛應用于電氣絕緣材料領域,高介電常數則主要用于儲能領域。因而電介質的知識主要包括電介質基礎理論、絕緣材料、絕緣測試和絕緣設計和結構、工藝問題。
    物質的性質與其微觀結構有直接的關系,為掌握電介質在電場中的現象和本質,必須了解其微觀結構。
    2、形成分子和聚集態的各種鍵
    分子由原子或離子組成;氣體、液體和固體三種聚集態由原子、離子或分子組成。鍵代表質點間的結合方式,分子及三種聚集態的性質與鍵的形式密切相關。分子內相鄰原子間的結合力稱為化學鍵,化學鍵有離子鍵和共價鍵兩大類。分子與分子間的結合力稱為分子鍵。下面從電介質的角度分別討論各類鍵的性質。
    1)離子鍵
    電負性相差很大的原子相遇,原子間發生電子轉移,電負性小的原子要失去電子而成為正離子,電負性大的原子要獲得電子而成為負離子。正、負離子由靜電庫侖力結合成分子,即為離子鍵。離子鍵的鍵能很高,很多正、負離子通過離子鍵結合起來,形成離子性固體,如NaCl晶體。大多數無機電介質都是靠離子鍵結合起來的,如玻璃、云母等。排列不規則的稱為無定形體,排列規則的稱為晶體。
    2)共價鍵
    由電負性相等或相差不大的兩個或幾個原子通過共有電子對結合起來,達到穩定的電子層結構,稱為共價鍵。共價鍵分非極性鍵和極性鍵。
    非極性鍵的電子對稱分布,分子正、負電荷中心重合。非極性鍵構成非極性分子,如H2、CCl4CH4等。極性鍵的電子分布不對稱,分子的正、負電荷中心不重合。有機電介質都是由共價鍵結合而成,某些無機晶體如金剛石也是共價鍵。
    3)分子鍵
    分子以相互間的吸引力結合在一起,稱為分子鍵。
    3.電介質的分類
    根據化學結構可將電介質分為3類。
    1)非極性及弱極性電介質
    分子由共價鍵結合,由非極性分子組成的電介質稱為非極性電介質,如氮氣、聚四氟乙烯等。有些電介質由于存在分子異構或支鏈,多少有些極性,稱為弱極性電介質,如聚苯乙烯等。
    2)極性電介質
    極性電介質是由極性分子組成的電介質,如聚氯乙烯、有機玻璃、蓖麻油、膠木、纖維素等。
    3)離子性電介質
    離子性電介質只有固體形式,它沒有個別的分子,總體上分為晶體和無定形體兩大類。晶體的排列規則,強度、硬度、熔點都較高;無定形體的排列不規則,彈性、塑性較好。云母是晶體結構;石英是無定形體結構;電瓷的結構既有晶體,又有無定形體。
    一般無機材料以離子鍵結合;有機材料以分子鍵結合,分子內部以共價鍵結合。

     

    3、電介質電氣性能的劃分
    電介質在電氣、電子工程上多用作絕緣材料。絕緣材料必定是絕緣體。作為電工設備,其中的導體必須要考慮絕緣,即在有一定電位差的兩導體間進行隔離,使電流按一定電路流動,以確保安全運行。因此,絕緣材料是電工設備中的材料。
    根據使用目的和使用條件,要求電介質具備電氣、熱、機械等多方面的性能。從電工絕緣物理性能來看,其基本電氣性能可概括成如下4個方面:
    1)介電特性dielectric property):指電介質的極化及其損耗特性;
    2)電氣傳導特性electrical conduction property):如載流子移動、高場強下的電氣傳導等;
    3)電氣擊穿特性electrical breakdown property):包括劣化、擊穿、伏秒特性等;
    4)二次效應secondary effect):如空間電荷、陷阱、局域態中心、界面、化學結構、形態、雜質、環境因素等對上述特性的影響。
    絕緣材料的應用,需要正確理解電介質在電場作用下這些性能的物理本質、電氣性能與微觀物質結構的內在聯系以及與周圍環境各種變化因素的關系。工程上通常把電介質的介電常數e、電導、電介質損耗角正切(也稱電介質損耗因數)tano和擊穿電壓(或電氣強度)作為電介質絕緣材料的主要電氣性能參數并加以利用。

     

    4、常見液體和固體電介質的電氣性能參數

    液體、固體電介質電氣性能受到電壓波形和溫度等因素的影響,進行電介質電氣性能測試時應記錄試驗電壓類型、頻率和溫度等,一般測量是在20℃、1atm下完成的。表4-1和表4-2分別給出常見的液體和固體電介質的電氣性能參數。

    1常見液體電介質的電氣性能參數

    image.png 

    :擊穿電壓的間隙距離為2.5mm。未作說明的參數為20℃、工頻電壓下的測量結果。

     

    2常見固體電介質的電氣性能參數

     

    image.png 

     

    注:未作說明的參數為常溫、工頻電壓下的測量結果。電氣強度與試品厚度密切相關,表中電氣強度數據來自不同厚度。工頻電氣強度均為有效值。
    *注:硅橡膠本身是弱極性材料,這里給出的是作為內絕緣用的硅橡膠制品的參數。

    4.1 液體、固體電介質的極化、電導與損耗
    4.1.1 電介質的極化及相對介電常數
    1.極化的基本概念
    電介質在電場作用下,正、負電荷作微小位移而在電場方向上產生偶極矩,或在電介質表面出現感應束縛電荷的現象稱為電介質極化。
    2.極化的基本類型
    一個平行平板電容器在真空中的電容量為,如果在平行平板間插入一種固體電介質,則此電容器的電容量將變為E,Co,Er,為此電介質的相對介電常數,也稱電容率,其值大于1。電容量增大的原因在于電介質的極化現象。
    電介質的極化有5種基本形式:電子位移極化、離子位移極化、轉向極化、空間電荷極化和夾層電介質界面極化。
    1)電子位移極化
    電介質中的原子、分子或離子中的電子在外電場的作用下電子軌道相對于原子核發生位移,從而在電場方向產生偶極矩的過程稱為電子位移極化。
    此種極化的特點是存在于一切電介質之中。由于電子質量很小,所以建立極化時間極短,為10-15~10-14s。極化程度取決于電場強度E,與電源頻率f無關,與溫度的關系也不大,因為溫度不足以引起質點內部電子能量狀態的變化。此種極化是彈性的,無能量損耗,去掉外電場,極化現象可立即消失。
    2)離子位移極化
    在由離子結合成的電介質內,外電場的作用使正、負離子產生微小位移,平均地具有了電場方向的偶極矩,這種極化形式稱為離子位移極化。
    這種極化形式存在于離子結構的電介質中。建立此種極化的時間極短,為10-13~10-12s,極化程度與電源頻率f無關。但隨溫度升高,離子位移極化略有增加,即εr一般有正的溫度系數。由于離子間距離增加、離子間作用力減少,因而離子較易極化。離子位移極化也是彈性的,無能量損失。去掉外電場,極化現象也可立即消失。

    3)轉向極化

    轉向極化又稱偶極弛豫極化。在極性電介質中,分子中正、負電荷作用中心不重合,就單個分子而言,就已具有偶極矩,稱為極性分子。無外電場作用時,極性分子處于熱運動狀態,對外平均不具有偶極矩。在外電場作用下極性分子在電場方向的取向概率增加,對外平均具有了電場方向的偶極矩,稱此種極化方式為轉向極化。
    轉向極化存在于極性電介質中。偶極子轉向極化是非彈性的,轉向需克服相互間的作用而做功,消耗的能量在復原時不可能收回。極化需時較長,為10-6~10-2s;極化程度和電源頻率f有關,在頻率較高時極性分子來不及隨電場的變化而轉向,從而使極化程度減小。
    轉向極化與溫度的關系復雜,隨溫度增加轉向極化程度先增加后降低。在低溫段固體與液體電介質的分子間聯系緊,難以轉向,不易極化。溫度提高,極化程度增加。但在溫度較高時分子熱運動加劇,妨礙偶極子沿電場方向取向,使極化程度又降低。
    在結構不緊密的離子性電介質中存在離子弛豫極化,這種極化的特性和偶極弛豫極化相似,可歸為轉向極化一類。
    4)空間電荷極化
    上述三種極化是帶電質點的彈性位移或轉向形成的,而空間電荷極化則與上述三種極化不同,它是由帶電質點的移動形成的。
    電介質內的自由正、負離子在電場的作用下移動,改變分布狀況,在電極附近或電介質內部形成空間電荷,因而稱這種極化形式為空間電荷極化。
    這種極化形式存在于不均勻電介質中,伴隨有能量損失,高壓絕緣電介質的電導通常都很小,極化建立需時很長,這種性質的極化只有在低頻時才可能發生。
    5)夾層電介質界面極化
    在實際電氣設備中有不少都是多層電介質的絕緣結構,現以雙層電介質模型來分析電介質界面極化。圖4-1中,在合閘瞬間兩層電介質的初始電壓比由電容決定,穩態時電壓比由電導決定:t=0時,U1/U2=C2/C1;t→時,U1/U2=G2/G1。

    image.png
    1 雙層電介質極化模型

    如果C2/C1=G2/G1,則雙層電介質的表面電荷不重新分配,初始電壓比等于穩態電壓比。但實際上很難滿足上述條件,電荷要重新分配,這樣在兩層電介質的交界面處會積累電荷,故稱為夾層電介質界面極化。夾層界面上電荷的堆積是通過電介質電導G完成的,它的特性和空間電荷極化相似。
    3.電介質的介電常數
    在真空中,有關系式


    D=ε0E


    式中,E為電場矢量,V/mm;D為電通密度矢量,C/㎡。D與E是同方向的,比例常數ε0為真空的介電常數,其值約為8.854x10-12F/m在電介質中,則有關系式


    D=εE
    03'3=3


    式中,D與E仍是同方向的,比例常數ε為電介質的介電常數,εr為相對介電常數。

     

     

    應該說電介質的ε并不是常數,ε不僅隨溫度、頻率而變化,在深入研究時ε甚至分實數與虛數兩部分,但在通常情況下,僅用ε的實數部分,所以在電工術語上稱ε為介電常數;實數部分的εr稱為相對介電常數,該常數大于1,沒有量綱和單位。

    1)氣體電介質的介電常數

    氣體分子間的距離很大,密度很小,氣體的極化程度很小,一切氣體的相對介電常數都接近1,表1列出了幾種氣體的相對介電常數值。

     

    1部分氣體的相對介電常數(20℃,1atm時)

    氣體種類

    He



    空氣


    CH4

    CO2

    C2H4

    相對介電常數

    1.000072

    1.00027

    1.00055

    1.00059

    1.00060

    1.00095

    1.00096

    1.00138

    注:1atm(標準大氣壓)=1.01325x105Pa。

     

    氣體的介電常數隨溫度的升高略有減小,隨壓力的增大略有增加,但變化很小。

    2)液體電介質的介電常數

    ①非極性和弱極性電介質。屬于這類的液體電介質有很多,如石油、苯、四氯化碳、硅油等。它們的相對介電常數都不大,其值不超過2.8。相對介電常數與溫度的關系和單位體積中的分子數與溫度的關系相似。

    ②極性電介質。這類電介質的相對介電常數較大,其值在3~80之間,能用作絕緣電介質的εr值為3~6。此類液體電介質用作電容器浸漬劑,可使電容器的比電容增大,但通常損耗都較大,蓖麻油和幾種合成液體電介質有實際應用。相對介電常數與溫度及頻率的關系如圖1所示。

    image.png 

    θ/℃

    1氯化聯苯的相對介電常數與溫度的關系

    (頻率image.png

     

    3)固體電介質的介電常數

    ①非極性和弱極性固體電介質。此類固體電介質的種類很多,聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、云母、石蠟、石棉、硫磺、無機玻璃等都屬此類。其中云母、石棉等是晶體型離子結構;無機玻璃則是無定形離子結構。這類電介質只有電子式極化和離子式極化,介電常數不大,通常為2.0~2.7。相對介電常數與溫度的關系也與單位體積內的分子數與溫度的關系相近。

    ②極性固體電介質。屬于此類的固體電介質有樹脂、纖維、橡膠、蟲膠、有機玻璃、聚氯乙烯和滌綸等。這類電介質的相對介電常數較大,一般為3~6,還可能更大。相對介電常數與溫度及頻率的關系類似于極性液體電介質。


    根據轉向極化的特點,可對介電常數隨溫度及頻率變化的趨勢作出解釋。

    ③離子性電介質。此類固體電介質有陶瓷、云母等,其相對介電常數εr一般為5~8。

    5.討論極化的意義

    1)選擇絕緣

    在實際選擇絕緣時,除應考慮電氣強度外,還應考慮介電常數εr。對于電容器,若追求同體積條件有較大電容量,要選擇ε,較大的電介質。對于電纜,為減少電容電流,要選擇ε較小的電介質。

    2)多層電介質的合理配合

    對于多層電介質,在交流及沖擊電壓下,各層電壓分布與其ε,成反比,要注意選擇使各層電介質的電場分布較均勻。

    3)研究電介質損耗的理論依據

    電介質損耗和極化形式有關,要掌握不同極化類型對電介質損耗的影響。

    4)絕緣試驗的理論依據

    為確立電氣設備預防性試驗項目提供理論根據。

    6、電介質的電導、電阻及電導率、電阻率

    1.電介質中的漏導電流和位移電流

    按照電阻率,物質可劃分為導體、半導體和絕緣體(電介質),如圖4-3所示。

     

    image.png 

    1物質常溫、常壓下電阻率值與導體、半導體和絕緣體(電介質)的劃分

     

    漏導電流是由電介質中自由的或聯系弱的帶電質點在電場作用下運動造成的。電介質電導主要由離子造成,電阻率ρ在image.png范圍內。隨溫度升高,電阻率下降。

    金屬電導主要由電子造成,電阻率ρ在image.png范圍內。隨溫度升高,金屬的電阻率增加。電阻率ρ在二者之間的屬半導體范疇。

    電介質中除了漏導電流外,還存在位移電流。位移電流是指由電介質極化造成的吸收電流。理論上,漏導電流構成電介質的電導,位移電流則是極化引起的過渡過程電流。下面用試驗曲線來說明位移電流和漏導電流的區別和聯系。

    把厚度為h的電介質試樣放在圖4-4所示的三電極結構間。圖中3是被試電介質;1和4分別表示上下電極,它們為圓形電極,上電極外徑為d1;2是輔助電極,它為環形電極,內徑為d2。再接成如圖4-5所示的測量體積電流的電路,加輔助電極是為了將流過電介質


    表面的電流與電介質內部的電流分開,使得高靈敏度電流表A測得的僅是流過電介質內部的電流。


    image.png 

     

    S1合閘后流過電介質內部的電流隨時間變化的規律如圖4-6上半部曲線所示。圖中i。部分是由快速極化造成的位移電流;ia是由前述空間電荷極化等緩慢極化所造成,又稱為吸收電流。代表漏導電流,又稱泄漏電流。為避免S1剛合閘時電極間的瞬時充電電流igi。損壞電流表,可先用S3將電流表短接,經很短的時間又將S3打開。


    image.png

    1固體電介質中的電流與時間的關系

    吸收電流衰減至一恒定電流值ig往往需要數分鐘乃至更長的時間,如聚乙烯在溫度為20℃時,在其電流與時間的對數坐標中隨時間增加電流呈直線下降的趨勢,電流很難趨向漏導電流值。因此,通常測絕緣電阻是以施加電壓1min或10min(如大型電機)后的電流來求出的,不是物理意義上的漏導電阻。

    在圖1中施加電壓后斷開,再合上,則流過電流表A的電流如圖4-6下部曲線所示。有隨時間的變化正好與吸收電流ia相反形狀的電流(注意避開瞬時放電電流i),也稱為吸收電流。

    氣體中無吸收電流,液體中極化發展快,吸收電流衰減快,固體電介質的比較明顯,尤其當結構不均勻時。

     

    7.體積電導和表面電導

    GB/T1410-2006規定了表面電阻率與體積電阻率的測量方法。體積電阻率測量原理如圖4-4和圖4-5所示。被測電介質的體積電阻率pv

     

    image.png 

     

    式中,A為測量電極的面積;h為電介質厚度;體積電阻R、由電流及電壓U決定,image.png。

    電介質的體積電導率γ、和電阻率pv互為倒數關系:

     

    image.png


    只要改變一下圖1所示電路的接線,設法測量上電極與輔助電極間的表面電流,屏蔽上下電極間的體積電流,就可以用圖4-4的三電極結構來測量電介質的表面電阻率或表面電導率,如圖4-7所示。在國家標準推薦的電極尺寸中,d1與d2比較接近,即兩電極間距離g很小,電介質的表面電阻率ps

     

    image.png 

     

    電介質的表面電阻率γs為

     

    image.png 

     

    8.氣體電介質的電導

    由外電離因素造成的氣體中離子的濃度為500-1000,在外電場作用下,這些帶電)~1000對粒子在電場中運動構成氣體電介質的電導。氣體電介質的電流與電壓的關系曲線見圖1-3,在電場強度很小時,電流隨U的增加而增加,如圖OA段所示;當U進一步增大,外界因素造成的電離接近全部趨向電極時,i趨向飽和,如圖AB段所示。在該兩段內氣體的電導是極微小的,電阻率約1022Ω·cm量級。A點和B點的場強值分別為image.png當場強超過image.png,氣體電介質將發生碰撞電離,從而使氣體電介質的電導急劇增大。

    9.液體電介質的電導

    構成液體電介質電導的因素主要有離子電導和電泳電導。離子電導由液體本身或雜質的分子解離的離子所決定。電泳電導是由固體或液體雜質以高度分散狀態懸浮于液體中形成的膠體質點吸附離子而帶電造成的。例如變壓器油中懸浮的小水滴就構成電泳電導。極純凈液體電介質的電流與電壓的關系曲線與氣體電介質相似(圖1-3)。工程用液體電介質的電流與電壓關系曲線則更接近于圖2。


    image.png

     

     

    image.png 

    離子電導的大小和分子極性及液體的純凈程度有關,如表4-1所示。通常情況下,純凈的非極性液體電介質的電阻率可達image.png,弱極性電介質ρ可達image.png。對于極性液體,極性越大,分子的解離度越大,image.png。在高頻下實際上不使用極性液體電介質,因為損耗太大。強極性液體如水、乙醇等實際上已是離子性導電液了,不能用作絕緣材料。

    離子電導隨溫度的升高而增加,因為溫度升高,一方面分子的解離度加大;另一方面離子也較易克服周圍位壘而成為自由離子,從而造成液體的電導率迅速增加。


    液體電介質電導率γ與溫度的關系為

     

    image.png 

     

    式中,A、B為常數;T為絕對溫度。

    雜質和水分對液體電介質的絕緣有很大危害,電氣設備在運行中一定要注意防潮,可以采用過濾、吸附、干燥等措施除去液體電介質中的水分和雜質。

    10.固體電介質的電導

    固體電介質產生電導的機理和規律與工程液體電介質類似(見圖2),只是固體電介質沒有電泳電導。

    對于離子型電介質,電導的大小和離子本身的性質有關,單價小離子image.png束縛弱,易形成電流,因而含單價小離子的固體電介質的電導較大。例如在石英玻璃中若加入堿金屬氧化物image.png,則電導率增加較大,若加入堿土金屬氧化物image.png,則電導率增加很小。結構緊密、潔凈的離子性電介質,電阻率為image.png;結構不緊密且含單價小離子的離子性電介質的電阻率僅達image.png

    對于非極性或弱極性電介質,電導主要是由雜質離子引起的。純凈電介質的電阻率ρ可達image.png

    對于極性電介質,因本身能解離,此外還有雜質離子共同決定電導,故電阻率較小,較佳者可達image.png

    固體電介質的電導除和微觀結構有關外,還和材料的宏觀結構有關。纖維性材料或多孔性材料因易吸水,一般電阻率較小。

    溫度對固體介質電導率的影響與對液體電介質電導率的影響相似,式(4-8)也同樣適用于固體電介質。需要注意的是聚合物的電阻率與溫度的關系,往往只能在不大的溫度范圍內符合式(4-8)的變化規律,因為其結構隨溫度的變化較大,從而導致離子電導勢壘發生變化。

    11.固體電介質的表面電導

    固體電介質除了體積電導以外,還存在表面電導。干燥清潔的固體電介質的表面電導很小,表面電導主要由表面吸附的水分和污物引起。電介質吸附水分的能力與自身結構有關,所以電介質的表面電導也是電介質本身固有的性質。

    image.png 

    固體電介質可按水滴在電介質表面的浸潤情況分為憎水性和親水性兩大類,如圖3所示。如果水滴的內聚力大于水和電介質的表面親和力,則表現為水滴的接觸角大于90°,即該固體材料為憎水性在Ω數量級,且表面電導受環境濕度的影響較小。非極性和弱極性電介質材料如石蠟、硅橡膠、

    氟塑料、硅樹脂等都屬于憎水性材料。如果水滴的內聚力小于水和電介質表面的親和力,則表現為水滴的接觸角小于90°,即該固體材料為親水性材料。親水性電介質的表面電導大,且受濕度的影響大,表面電阻率在量級。極性和離子性電介質材料都屬于親水性材料。

    采取使電介質表面潔凈、干燥或涂敷石蠟、有機硅、絕緣漆等措施,可以降低電介質表面電導。


    12.討論電導的意義

    1)絕緣試驗的理論依據

    電導是絕緣預防性試驗的理論依據,在做預防性試驗時,可利用絕緣電阻、泄漏電流及吸收比判斷設備的絕緣狀況。

    2)直流電壓下分層絕緣設計的依據

    直流電壓作用下,分層絕緣時,各層電壓分布與電阻成正比,選擇合適的電阻率,可實現各層之間的合理分壓。

    3)防水處理的依據

    注意環境濕度對固體電介質表面電阻的影響,注意親水性材料的表面防水處理。

    12.1電介質中的能量損耗及電介質損耗角正切

    1.電介質損耗角正切

    在直流電壓作用下電介質的損耗僅有漏導損耗,可用或來表征。image.png

    在交流電壓作用下電介質的損耗除漏導損耗外,還有極化損耗,僅有image.png或就不夠了,image.png需要另外的特征量來表示電介質在交流電壓作用下的能量損耗。

     

    3.氣體電介質的損耗

    氣體電介質的相對介電系數εr接近1,極化程度極小,氣體電介質的損耗就是電導損耗。當電場強度小于使氣體分子電離所需值時,氣體電介質的電導也是極小的,所以氣體電介質的損耗也是極小的。正因為如此,常用氣體電介質的電容器作標準電容器。

    在強電場下氣體易電離,如不均勻電場中出現局部放電時,氣體的電介質損耗將明顯增加。若固體電介質中含有氣泡,氣泡內的局部放電也會使電介質損耗增加。

    4.液體和固體電介質的損耗

    非極性或弱極性的液體或固體,以及結構較緊密的離子性電介質,它們的極化形式主要是電子位移極化和離子位移極化,它們沒有能量損耗,這類電介質的損耗主要由漏導決定。電介質損耗和溫度以及電場強度等因素的關系也就取決于電導和這些因素的關系。這類電介質的tanδ是較小的,約10-4數量級。聚乙烯、聚苯乙烯、硅橡膠、云母等都屬這類電介質,是優良的絕緣材料,可用于高頻或精密的設備中。

    極性固體和液體電介質以及結構不緊密的離子性固體電介質除具有漏導損耗外,還有極化損耗。這類電介質的損耗和溫度、頻率等因素有較復雜的關系。

    4-13所示為松香油的tanδ與溫度的關系,在溫度較低時電導損耗和極化損耗都很小,隨溫度的升高因偶極子轉向容易,從而使極化損耗顯著增加,電導損耗略有增加。在某一溫度下總的電介質損耗達到極大值。當溫度繼續升高時分子熱運動妨礙偶極子在電場作用下作規則排列,極化損耗減小。在此階段雖然電導損耗仍是增加的,但增加的程度比極化損耗減少的程度小,所以總的效果是減小的。隨著溫度進一步升高電導損耗急劇增大,總的損耗此時以電導損耗為主,也隨之急劇增大。此種情況tanδ隨溫度的變化趨勢和電介質損失率p隨溫度的變化趨勢是一致的。

    4-14顯示了極性電介質中損耗和頻率的關系。低頻下單位時間內偶極子轉向次數少,極化過程中克服阻力造成的電介質損耗率p也小,隨頻率增加p增加。當頻率很高時,偶極子轉向已跟不上頻率變化,電介質損耗率趨于恒定。


    image.png



    4-13松香油的tanδ與溫度的關系圖4-14極性液體電介質中的損耗與頻率的關系

     

    在低頻時弛豫極化得以充分發展,介電常數ε數值較大;當頻率很高時弛豫極化跟不上電場變化,ε僅由位移極化決定,所以數值較小。

    tano相當電場變動一個周期內的能量損失,即

    image.png 

    由式(4-17)可得tanδ與p及f的關系,在頻率極低時雖然p很小,但由于f極小,所以tanδ較大,但此時tanδ大并不意味電介質損耗大;以后隨f的增加p急劇增加,p的增加比f的增加來得顯著,所以tanδ是增加的;頻率進一步增加,由于弛豫極化不易發展,p趨于恒定,由式(4-17)可看出,tanδ隨f增加而下降。

    5.討論tanδ的意義

    1)選擇絕緣材料

    tanδ過大會引起絕緣電介質嚴重發熱,甚至導致熱擊穿。例如用蓖麻油制造的電容器就因為tanδ大,而僅限于直流或脈沖電壓下使用,不能用于交流電壓下。

    2)在預防性試驗中判斷絕緣狀況

    如果絕緣材料受潮或劣化,tanδ將急劇上升,在預防性試驗中可通過tanδ與U的關系曲線來判斷是否發生局部放電。

    3)均勻加熱

    tanδ大的材料需加熱時,可對材料加交流(工頻或高頻)電壓,利用材料本身電介質功率損耗的發熱,這種方法加熱非常均勻,如電瓷生產中對泥坯加熱即用這種方法。


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