介质损失角正切tanδ测量的意义及原理

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    在电压作用下，电介质产生一定的能量损耗，这部分损耗称介质损耗或介质损失。产生介质损耗的原因主要是电介质电导、极化和局部放电。
    一、电介质电导引起的损耗
    在电场作用下电介质电导(又称漏导)产生的泄漏电流会造成能量损耗。这种损耗在交流与直流作用下都存在，且这种损耗与极化、局部放电引起的损耗比较是很小的。
    二、极化引起的损耗
    在交流电压作用下，电介质由于周期性的极化过程，电介质中的带电质点要沿交变电场的方向作往复的有限位移并重新排列。这时质点需要克服极化分子间的内摩擦力而造成能量损耗。极化损耗的大小与电解质的性能、结构、温度、交流电压频率等有关。
    三、局部放电引起的损耗
    绝缘材料中，不可避免地会有些气隙或油隙。在交流电压下，电场分布主要与该材料的介电系数ε成反比，气体的介电系数一般比固体绝缘材料的要低得多，因此承受的电场强度就大，当外加电压足够高时，气隙中首先发生局部放电。固体中气隙放电前后电场示意图，如图1—1所示。

图1-1 固体中气隙放电前后电场示意图
(a) 气隙放电前；(b) 气隙放电后

    气隙放电形成的电荷，在外施电场E₀作用下移动到气隙壁上，这些电荷又形成反电场量，削弱了气隙中的电场，很可能使气隙中放电不再继续下去，如图1—1(b)所示。但是如外加的为交流电压，半周后外施电场E₀就反向了，正好与前半周气隙中电荷形成的反电场E同向，加强了气隙中电场强度，使气隙中放电在更低电压下发生。所以交流电压下绝缘体里的局部放电及介质损耗比直流电压下强烈。在油浸电容器、电容套管等的设计制造及运行中都要注意这点，要尽量避免内部气隙、毛刺等引起的局部放电。一般油浸纸绝缘交流电容器或电缆用于直流时，长期工作电压能提高到铭牌电压的4～5倍，原因就在于此。
    绝缘介质损耗的大小，实际上是绝缘性能优劣的一种表示。同—台设备，绝缘良好，介质损耗就小；绝缘受潮劣化，介质损耗就大。
    那么现场为什么要测量介质损耗角的正切tanδ？什么是介质损耗正切tanδ呢？
    在交流电压Ū作用下电介质中流过电流İ，在一定Ū和f下它反映电解质内单位体积中能量的大小，能直接反映绝缘情况。电介质的并联等值电路及相量图如图1—2所示。电压Ū与电流İ之间的夹角为φ，φ称为功率因数角，根据图1—2可得
        tanδ＝I_R／I_C＝1／ωC_PR                   (4-1)
    介质损耗
        P＝UI_R＝UI_Ctanδ＝U²ωC_Ptanδ             (4-2)

图1-2 电介质的并联等值电路与相量图
(a) 并联等值电路；(b) 并联等值电路相量图
C_p—并联等值电容

    由此可见，当电介质一定，外加电压及频率一定时，介质损耗P与tanδ成正比，即可以用tanδ来表示介质损耗的大小。同类试品绝缘优劣，可直接由tanδ的大小来判断；而从同—试品tanδ的历次数据分析，可掌握设备绝缘性能的发展趋势。
    通过测量tanδ可以发现一系列绝缘缺陷，如绝缘整体受潮、劣化，绝缘气隙放电等。
    tanδ是反映绝缘介质损耗大小的特性参数，与绝缘的体积大小无关。但如果绝缘内的缺陷不是分布性而是集中性的，则tanδ有时反映就不灵敏。被试绝缘的体积越大，或集中性缺陷所占的体积越小，集中性缺陷处的介质损耗占被试绝缘全部介质损耗的比重就越小，总体的tanδ就增加得也越少，这样tanδ测量就不灵敏。因此，测量各类电气设备tanδ时，能分解试验的尽量分解试验。如测量变压器整体tanδ时，由于变压器整体绝缘体积比变压器套管大得多，套管的缺陷就不能灵敏反映出来，因此还须单独测量套管的tanδ。套管的体积小，测套管的tanδ不仅可以反映套管绝缘的全面情况，而且有时可以反映其中的集中性缺陷。
    有时为了处理问题方便，也可以将图1-2所示的并联等值电路变成串联等值电路，如图1-3所示。

图1-3 电介质的串联等值电路与相量图
(a)串联等值电路；(b) 串联等值电路相量图
C_s—串联等值电容

    由图1-3可得
        tanδ＝U_r／U_C＝ir／(i／ωC_S)＝ωC_sr       (4-3)
        P＝i²r＝U²r／[r²﹢(1／ωC_S)²]
         ＝U²r／{(1/ωC_S)²[(rωC_S)²﹢1]}
         ＝(U²ωC_Stanδ)／(1﹢tan₂δ)            (4-4)
    即串联等值电路中P也与tanδ有关。
    两种等值电路都表示同一电介质的绝缘特性等值电路情况下的电介质能量损耗与tanδ，应当也是等值的。因此由式(4-1)～式(4-4)有
        1／ωC_PR＝ωC_Sr
        U²ωC_Ptanδ＝(U²ωC_Stanδ)／(1﹢tan²δ)
    联立解得
        C_P＝C_S／(1﹢tan²δ)
        R＝r[1﹢(1／tan²δ)]
    对于电介质来讲tan2δ《1，所以得
        C_P≈C_S＝C，R》r
    因此两种等值电路中的功率损耗可用—个共同的表达式表示，即
        P＝U²ωCtanδ
    大多数电气设备的绝缘是组合绝缘，是由不同电介质组成的，且具有不均匀结构，如油浸纸绝缘，含空气和水分的电介质等等。在对绝缘进行分析时，可把设备绝缘看成如图1—4所示的多个电介质串、并联等值电路所组成的电路，而所测得的tanδ值，实际上是由多个电介质串、并联后电路的综合tanδ值。

图1-4 多个电介质串、并联等值电路所组成的电路图
(a)n个电介质并联；(b)n个电介质串联；(c)两个电介质串联

    图1-4(a)是n个电介质并联的电路，总损耗P＝P₁﹢P₂﹢…﹢P_n。将P＝U²ωCtanδ代入，得
        U²ωCtanδ＝U²ωC₁tanδ₁﹢U²ωC₂tanδ₂﹢…﹢U²ωC_ntanδ_n
        Ctanδ＝C₁tanδ₁﹢C₂tanδ₂﹢…﹢C_ntanδ_n
    而C＝C₁﹢C₂﹢…﹢C_n，所以推得综合tanδ为
        tanδ＝(C₁tanδ₁﹢C₂tanδ₂﹢…﹢C_ntanδ_n)／(C₁﹢C₂﹢…﹢C_n)   (4-5)
    同理，推得图1-4(b)的综合tanδ为
        tanδ＝(tanδ₁/C'₁﹢tanδ₂/C'₂﹢…﹢tanδ_n/C'_n)／(1/C'₁﹢1/C'₂﹢…﹢1/C'_n)   (4-6)
    图1-4(c)的综合tanδ为
        tanδ＝[C₁tanδ₂(1﹢tan²δ₁)﹢C₂tanδ₁(1﹢tan²δ₂)]／[C₁(1﹢tan²δ₁)﹢C₂(1﹢tan²δ₂)]   (4-7)
    从式（4-5）~式（4-7）可以看出：多个电介质绝缘的综合tanδ值总是小于等值电路中个别tanδ的最大值，而大于最小值 。
    这一结论表明：在测量多种及多层电介质绝缘时，当其中一种或一层tanδ偏大时，并不能有效地在综合tanδ值中反映出来，或者说tgδ对局部缺陷反映不灵敏。如某两种并联电介质，其中一种电介质的C₁＝1800PF，tanδ₁(％)＝0.2，另一种电介质的C₂＝200 PF ，tanδ₂(％)=5.0，其综合tanδ(％)为
        tanδ(％)＝[C₁tanδ₁(％)﹢C₂tanδ₂(％)]／(C₁﹢C₂)
                 ＝(1800×0.2+200×0.5)／(1800﹢200)＝0.68
    尽管局部tanδ(％)达5.0，但综合tanδ(％)仅等于0.68。
    通过测tanδ判断绝缘状况时，必须着重于与该设备历年的tanδ值相比较，并和处于同样运行条件下的同类设备相比较，即使tanδ值未超过标难，但和过去值比较及和同类设备比较，若tanδ突然明显增大时，就必须引起注意，查清原因。

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来源：恒盛兴电力