电介质能量损耗的研究与分析

1.介质损耗及其形式

由前所述的极化和电导可以看出，电介质在电压作用下有能量损耗：一种是由电导引起的损耗；另一种是由某种极化引起的损耗，如极性介质中偶极子转向极化、夹层极化等。电介质的能量损耗称为介质损耗。

电导损耗为电场作用下由泄漏电流引起的那部分损耗。泄漏电流与电场频率无关，故这部分损耗在直流、交流下都存在。气体电介质以及绝缘良好的液、固体电介质，电导损耗都不大。液、固体电介质的电导损耗随温度升高而按指数规律增大。

极化损耗为偶极子与空间电荷极化引起的损耗。在直流电压作用下，由于极化过程仅在电压施加后很短时间内存在，与电导损耗相比可忽略。而在交流电压作用下，由于电介质随交流电压极性的周期性改变而做周期性的正向极化和反向极化，极化始终存在于整个加压过程之中。极化损耗在频率不太高时随频率升高而增大。但频率过高时，极化过程反而减弱，损耗也减小。极化损耗与温度也有关，在某一温度下极化损耗达到最大。

2.介质损失角正切tanδ

在直流电压作用下，由于无周期性极化，因损耗只是由电导引起的电导损耗，用体积电导率和表面电导率两个物理量已能够表达，所以直流电压作用下不需要再引入介质损耗这个概念。

在交流电压作用下，除电导损耗外，还有由于周期性的极化而引起的能量损耗，因此需要引入一个新的物理量来表示，这个物理量就是tanδ。

电介质两端施加一交流电压U时，应有电流I流过介质。I由3个电流分量组成

I＝I_c＋I_g＋I_a（1-5）式中I_g——电导过程的电流，为阻性电流，与U同相位；I_c、I_a——无损极化和有损极化时的电流。

对应的等值电路如图1-5a所示，此等值电路可进一步简化成如图1-5b所示的由R和C_P相并联的等值电路。此并联等值电路的相量图如图1-5c所示。我们定义功率因数角θ的余角为δ角。由相量图可见，介质损耗功率越大，I_R越大，δ角也越大，因此δ角称为介质损失角。(www.xing528.com)

图1-5 交流电压下电介质的等值电路及相量图

a）、b）等值电路 c）相量图

对此并联等值电路，可写出介质损耗功率P的计算公式：

P＝UI_R＝UIC_P tanδ＝U²ωC_P tanδ（1-6）

上述等值电路只有计算上的意义，并不能确切反映其物理过程。

讨论介质损耗的意义在于：

1）在电工中使用的电介质，要求它的tanδ越小越好。尤其在高频下使用的绝缘材料，tanδ大，介质发热，可使介质老化或者导致击穿。

2）在绝缘预防性试验中，测tanδ是一个基本项目。当绝缘受潮或劣化时，tanδ剧烈上升。对绝缘内部是否普遍发生局部放电，也可以通过测tanδ＝f（u）的曲线加以判断。