测量介质损耗因数tanδ优化方法

（一）介质损耗及其分类

电介质就是绝缘材料。在研究绝缘物质在电场作用下所发生的物理现象时，把绝缘物质称为电介质。而从材料的使用观点出发，在工程上把绝缘物质称为绝缘材料，既然绝缘材料不导电，怎么会有损失呢？确实，人们总希望绝缘材料的绝缘电阻越高越好，即泄漏电流越小越好。但是，世界上绝对不导电的物质是没有的。任何绝缘材料在电压作用下，总会流过一定的电流，所以都有能量损耗。把在电压作用下，电介质中产生的一切损耗称为介质损耗或介质损失。

如果电介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化（发脆、分解等），如果介质温度不断上升，甚至会把电介质熔化、烧焦、丧失绝缘能力，导致热击穿，因此，电介质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标。

电介质损耗，按其物理性质可分为下列三种基本形式：

（1）由漏导引起的损耗。电介质总是有一定的电导，在电场作用下产生泄漏电流，电介质中流过泄漏电流时会发热，造成能量损耗。这种损耗在直流和交流下都存在，然而在一般情况下，它相对下面介绍的两种损耗而言，是很小的。

（2）电介质极化引起的损耗。电介质在极化过程中要消耗能量。在直流电压作用下，带电质点（主要是离子）沿直流电场方向作一次有限位移，没有周期性的极化，消耗能量是很小的。因此，其损耗只是由电导引起的。但在交流电压作用下，由于周期性的极化过程，电介质中带电质点要沿交变电场的方向作往复的有限位移和重新排列。质点运动需要多次克服质点间的相互作用力，也即分子间的内摩擦力，这样就造成很大的能量损耗（相对于漏导损耗而言）。因此，极化损耗只有在交流电压下才呈现出来，而且随着电源频率增加，质点运动频繁，极化损失增加，不均匀介质夹层极化所引起的电荷重新分配过程（吸收电流）在交流电压下也反复进行，也消耗能量。

（3）由局部放电引起的损耗。常用的固体绝缘中，往往不可避免地会有些气隙或油隙，如图8-26（a）所示。由于交流电压下，各层的电场分布主要是与该材料的介电系数成反比，而气体的介电系数比固体绝缘材料的要低得多，所以分担到的电场强度就大，但气体的耐电强度又远低于固体绝级材料。因此，当外施电压足够高时，气隙中首先发生局部放电。此气隙中放电形成的电荷在外施电场E0作用下移动到气隙壁上，如图8-26（b）所示。这些电荷又形成反电场E，它就削弱了气隙中的电场，很可能使气隙中放电不再继续下去。但是如果外施的为交流电压，半周后，外施电场E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，使气隙中放电更提前发生。所以交流电压下绝缘体里的局部放电及介质损耗都远较直流下强烈。在油浸电容器、电缆、套管等的设计制造及运行过程中都必须注意到这一点。一般油浸纸交流电容器或电缆用于直流时，长期工作电压能提高到原铭牌的4～5倍，而不是峰值与有效值之比的倍，原因就在于此。

图8-26　固体中气隙放电前后的电场示意图

（a）气隙未放电前；（b）气隙放电后
E0—外施电场；E—气隙放电后电荷形成的电场

既然直流下电介质中的损耗主要是漏导损耗（因没有周期性极化，局部损耗一也不严重），用绝缘电阻或漏导电流就足以充分表示了，所以直流下不需要引入电介质损耗这个概念。但在交流下，电介质损耗常以介质损耗因数tanδ来表示。

什么是介质损耗因数呢？

由上述，电介质在直流电压作用下可以用图8-8所示的等值电路来表示。这个电路同样也适用于交流电源作用的情况。

为了说明介质损耗因数这个概念，我们作图8-8的相量图。由图8-27可见，总电流与总电压之间的夹角为φ，角φ的余角为δ，我们称δ为介质损失角，而称δ的正切为介质损耗因数，记为tanδ，并用它来反映电介质损耗的大小。

tanδ为什么能反映介质损耗大小呢？

为分析方便，我们根据相量图8-27可以把图8-8所示的等值电路进一步简化为由R和CP表示的并联等值电路，如图8-28所示。

图8-27　图8-8的相量图

图8-28　具有损耗的电介质的并联等值电路及相量图

（a）等值电路；（b）相量图

根据图8-28可得

图8-29　具有损耗的电介质的串联等值电路与相量图

（a）等值电路；（b）相量图

由此可见，当电介质一定，外加电压及其频率一定时，介质损耗P与tanδ成正比。换言之，可以用tanδ来表征介质损耗的大小。通常tanδ值较小，可以认为tanδ≈sinδ≈δ，所以测量介质损耗因数又称为测量介质损失角。

有时为了处理问题方便，也可将图8-8变换成一个由r和CS相串联的等值电路图，如图8-29所示。根据图8-29可得

可见P也与tanδ有关。

既然两种等值电路都表示电介质的特性，那么，两种等值电路在表示电介质能量损耗方面应当也是等值的。基于这点，式（8-14）与式（8-16）应当相等，式（8-15）与式（8-17）也应当相等。这样可以求得两种等值电路参数之间的关系

联立解得

对于品质优良的电介质，tanδ≤1，所以可以认为CP≈CS＝C，而R则比r大很多倍。因此对两种等值电路可用一个共同的表达式来表示，即

所以在一定试验条件下，完全可以用tanδ来表征P。

最后指出，用tanδ表示介质损耗便于不同被试设备之间比较。以平板电容器为例进行说明。

平板电容器的绝缘电阻可以写成平板电容器的电容可以写成将R、C代入式（8-14）得

可见tanδ是只与材料特性有关，而与材料尺寸、体积无关的物理量。这就如同用ε表示材料的极化性能一样，是很方便的。

（二）测量介质损耗因数能发现的缺陷

测量介质损耗因数是一项灵敏度很高的试验项目，它可以发现电气设备绝缘整体受潮、劣化变质以及小体积被试设备贯通和未贯通的局部缺陷。例如，对绝缘油而言，一般在耐压试验时，好油可达250kV/cm，坏油为25kV/cm，好油和坏油的击穿强度在数值上的差别是1∶10。但是，测量其介质损耗因数时，好油很小，其tanδ＝0.0001，而坏油则大到tanδ＝0.1，两者之间的差别是1∶1000。也就是说，后一试验的灵敏度较前者提高了100倍。

又如，某变电所35kV电流互感器，测得的tanδ值显著增大，而交流耐压试验却仍然通过，然而投入运行不久就发生了绝缘击穿事故。

再如，某台变压器的套管，正常的tanδ值为0.5％，当受潮后，测得其tanδ值变为3.5％，而用测量绝缘电阻及油耐压的方法进行检查，则受潮前后的测量值差别不大。由于测量介质损耗因数对发现绝缘缺陷具有较高的灵敏度，所以，它在电工制造及电气设备交接和预防性试验中都得到广泛的应用。

但是，当被试设备体积较大，而缺陷所占的体积较小时，用这种方法就难以发现了。因为缺陷的损耗占整个被试设备的损耗太小了。对这个重要的概念，我们作如下解释。

图8-30给出了测量变压器介质损耗因数对发现套管缺陷有效性的分析用图。我们把套管对地绝缘和绕组对地绝缘看成是并联的。用图8-30（b）示意，其等值电路如图8-30（c）所示。

由介质损失的基本概念可知，一个由两部分介质并联组成的绝缘，其整体的损失功率为两部分损失功率之和，即

图8-30　测量变压器介质损耗因数时对发现套管缺陷有效性的分析用图

（a）变压器；（b）绝缘示意图；（c）等值电路

ωCU2tanδ＝ωC1U2tanδ1＋ωC2U2tanδ2

所以

若整体绝缘中有一小部分绝缘（如套管）有缺陷，则tanδ2应增加。设有缺陷部分体积为V2，良好部分的体积为V1。

因为V2≪V1，则C2≪C1，于是式可简化为

由式（8-23）可见，当绝缘良好时，tanδ应等于tanδ1，当部分绝缘受潮或老化使得整体的tanδ增加。显然，增加的部分就是项。绝缘有缺陷的部分越大，缺陷的程度越严重（即tanδ2大），其整体的tanδ才会反映得越明显。假如有缺陷部分的体积为总体积的由于有部分缺陷使介质损失增加5倍，即tanδ2＞tanδ1，即只比正常情况增大50％，变化并不大，例如有一支110kV的套管装到120 MVA的变压器上后，测得总的tanδ＝0.40％，与一般产品差别不大，所以对大型变压器总体测量tanδ往往不能发现套管的绝缘缺陷。

由上述分析可知，绝缘老化的体积越大，测量tanδ的方法就反映得越灵敏，换言之，tanδ测量的灵敏度高是对绝缘整体劣化而言的。

由上分析，还可给出这样的启示，即对大容量的变压器，整个发电机绕组以及较长的电缆进行tanδ试验只能检查出它们存在的分布性缺陷，而不容易发现可能存在的集中性缺陷；对电容量较小的设备以及可以分解成部件进行分解试验的设备进行tanδ测量时，易于发现集中性缺陷。因此，对大型电气设备，在有可能的情况下应进行分解试验，以便准时检出缺陷。(www.xing528.com)

（三）测量介质损耗因数的设备

在电力系统中，测量tanδ最常用的设备是高压交流平衡电桥（通常以其发明者命名，称为西林电桥），其中以QS1型西林电桥应用最为广泛，所以下面介绍该电桥的原理、接线及影响测量的因素。

1.西林电桥的基本原理

西林电桥的原理接线如图8-31所示。其中被试品以并联等值电路表示，其等值电容和电阻分别为CX和RX；R3为可调的无感电阻；CN为高压标准电容器的电容；C4为可调电容；R4为定值无感电阻；P为交流检流计；V为保护间隙。

图8-31　西林电桥原理接线图

根据交流电桥平衡原理，平衡时各桥臂复数阻抗值应满足如下关系

ZXZ4＝ZNZ3

其中

代入后得

整理后得

令上式两端实数部分相等，可得

整理后得

将上式结果代入并联等值电路介质损失因数tanδ公式可得

在电桥中，取当电源频率为50 Hz时，ω＝2πf＝100π，则有

如果C4单位用μF表示，则tanδ＝C4。C4是可调电容箱，在电桥面板上直接以tanδ（％）来表示，以便读数。

再令复数方程中的两端虚数部分相等，可得

等式两端各乘第一项乘整理后得

因为

故

因tanδ很小，所以写成

若试品为串联的等值电容及电阻，则其推导结果与并联时一样，请读者自行完成。

2.测量接线

（1）正接线。正接线适用于两极对地绝缘的被试设备，其接线如图8-32所示。正接线的优点是：

图8-32　QS1型电桥正接线法接线图

1—分流器开关S1；2—tanδ（％）调节旋钮；3—极性转换开关S2；4—检流计频率调节；5—滑线电阻ρ；6—R3调节旋钮；7—检流计灵敏度调节旋钮；8—电源开关；9—检流计；10—低压法测量接线柱；11—电源插头及接地端钮

1）对操作者安全。QS1型电桥工作时，由于上面两个臂的阻抗很大，电压主要降在上臂，因而下臂对地电位很小，所以操作人员在平衡电桥时所接触的R3、R4等测量部分的元件均处于低电位，没有触及高压的危险。

2）对外来的影响有良好的屏蔽系统，准确度高。由于这种接线要求被试设备的两极均是绝缘的，而在现场试验中常遇到的是一个极接地的设备，如测量发电机绕组对外壳（与地相连）的tanδ就是这种情况，所以正接线往往用于实验室或用来测量绕组间的介质损耗因数。

图8-33　QS1型电桥反接线的原理图及实际接线图

（a）原理图；（b）实际接线图
1—分流器开关S1；2—tanδ（％）调节旋钮；3—极性转换开关S2；4—检流计频率调节；5—滑线电阻ρ，6—R3调节旋钮；7—检流计灵敏度调节旋钮；8—电源开关；9—检测计；10—低压法测量接线柱；11—电源插头及接地端钮

（2）反接线。图8-33所示为QS1型电桥反接线的原理图及实际接线图，反接线适用于现场被试设备一极接地的情况，故应用较多。与正接线相比，D点不是接地而是接高压，C点不是接高压而是接地，故得名反接线。在反接线中，电桥各臂和部件都处于高电压，因此，一切必要的操作都是通过绝缘柄来进行的，或者采用法拉第笼进行等电位带电操作。并且电桥的支持物和调节连接杆对外壳都应有足够的绝缘强度QS1型电桥的桥臂固定绝缘柱及调节传动的绝缘柱都具有15kV的耐压水平。因此可置于反接线下工作。

反接线时，电桥的导线应对地绝缘起来，并且对接地物品的距离应小于100～150 mm，标准电容器高压极板接线端引出的接地导线对电容器外壳（带有高压）的距离也不得小于100～150 mm。

在反接线中，线路中外来电场的影响是依靠全部电桥的屏蔽来消除的。屏蔽做成金属盒状，接到电桥的D点，屏蔽上的感应电荷经过变压器绕组而入地，连接变压器与电桥导线上的电荷不通过电桥而直接入地，所以导线不需要屏蔽。

应当指出，在反接线中，被试设备高压电极及引线对地的杂散电容恰巧与被试设备CX并联，这样会产生测量误差，尤其是被试设备容量较小时，这个误差更大。

3.测量介质损耗因数的影响因素

利用西林电桥测量tanδ时，其结果会受到一系列外界因素的影响，其中主要有：

（1）外界电磁场的干扰。影响外界电磁场的干扰包括试验用高压电源和试验现场高压带电体（如变电所内正在运行的高压线）等所引起的电场干扰。因为在这些高压电源与电桥各元件及其连接线之间存在着杂散电容，产生的干扰电流流过桥臂就会引起测量误差。

另一方面，在现场测试条件下，电桥往往处于一个相当显著的交变磁场中，这时电桥接线内也会感应出一个干扰电势，对电桥的平衡产生影响，也将导致测量误差。

消除上述干扰的方法有远离法、移相法、倒相法和分级加压法等。

（2）温度的影响。温度对tanδ值的影响很大，具体的影响程度随绝缘材料和结构的不同而异。一般来说，tanδ随温度的增高而增大。现场试验时的温度是不一定的，所以为了便于比较，应将在各种温度下测得的tanδ值换算到20℃时的值。应当指出，由于试品内部的实际温度，往往很难测定，换算方法也不很准确，故换算后往往仍有较大的误差。所以测量tanδ时应尽可能在10～30℃的条件下进行。

（3）试验电压的影响。一般说来，良好的绝缘在试验电压范围内，其tanδ值几乎保持不变，如图8-34中的曲线1所示。如果绝缘内部存在空隙或气泡时，情况就不同了，当所加电压尚不足以使气泡电离时，其tanδ值与电压的关系与良好绝缘没有什么差别。但当所加电压大到能引起气泡电离或发生局部放电时，tanδ值即开始随U的升高而迅速增大，电压回落时电离要比电压上升时更强一些，因而会出现闭环状曲线，如图8-34中的曲线2所示，如果绝缘受潮，则电压较低时的tanδ值就已相当大，电压升高时，tanδ更将急剧增大；电压回落时，tanδ也要比上升时更大一些，因而形成不闭合的分叉曲线，如图中的曲线3所示，主要原因是介质的温度因发热而提高了。

图8-34　tanδ试验电压的典型关系曲线

1—良好的绝缘；2—绝缘中存在气隙；3—受潮绝缘

求出tanδ与电压的关系，有助于判断绝缘的状态和缺陷类型。

（4）试品容量的影响。对于电容量较小的试品，如套管、互感器等，测量其tanδ能有效地发现局部集中性缺陷和整体分布性缺陷。但对电容量较大的试品，如大中型发电机、变压器、电力电缆、电力电容器等，测量其tanδ只能发现整体分布性缺陷。另外，上述电磁场干扰，对于容量较小的试品影响较大。

（5）试品表面泄漏的影响。被试品表面脏污和湿度增大都会影响测得的tanδ值，这在试品的CX较小时尤需注意。为减小或排除这种影响，测量应在空气相对湿度小于80％的条件下进行测量时，应将绝缘表面擦拭干净或涂以石蜡、硅油等涂料，实践证明，这是很有效的方法。