絕緣材料介電性能/介質損耗測試儀

絕緣材料介電性能/介質損耗測試儀

一、介電常數和介質損耗因數測試結果有哪些影響因素

1、頻率

絕緣材料能在整個電磁波頻譜上使用，這些頻譜包括從直流電到至少3×1010Hz的無線電頻率。僅存在非常少數的材料，如聚苯乙烯，聚乙烯，熔融二氧化硅，它們的電容率和損耗指數在該頻率范圍內是近似恒定的。有必要在材料將采用的頻率下測量電容率和損耗指數，同時有必要在放置時的幾個合適頻率下測量電容率和損耗指數，如果該材料將在某個頻率范圍使用的話。

當材料存在電介質極化時，則可導致電容率和損耗指數隨著頻率的變化。兩種最重要的極化是由于極性分子導致的偶極極化，以及材料不均勻性導致的界面極化。圖X3.1顯示了電容率和損耗指數隨著頻率的變化（17）。在最高頻率下開始，此時電容率通過一種原子或電子的極化來進行測定，每次成功的極化，不管是偶極極化還是界面極化，都促進電容率結果在零頻率時具有最大值。每一次極化都提供了一個最大的損耗指數和耗散因子。在損耗指數為最大值時的頻率成為該極化的松弛頻率。它也是電容率以最大速率最大的頻率以及發生一半的該極化變化的頻率。這些極化影響相關的知識將常常有助于確定應在哪個頻率下執行測量。

自由離子或電子導致的電介質的任何直流電導不會對電容率產生直接影響，但將產生一個耗散因子，該耗散因子隨著頻率發生相反得變化，同時在零頻率時變得無限大。

2、溫度

溫度對某絕緣材料的主要電學影響是將增大其極化時的松弛頻率。它們隨著溫度以一定速率成倍最大，該速率使得當溫度在6~50℃范圍內增大時，可導致松弛頻率出現十倍的增大。在較低頻率下的電容率的溫度系數將總是為正值，除了許多原子和電子極化導致電容率溫度系數為負值的事實之外。然而在高頻率下，溫度系數將為負值，在某些中間頻率時可變為零，而在偶極或截面極化的松弛頻率下該溫度系數為負值。

損耗指數和耗散因子的溫度系數可為正值或負值，這取決于松弛頻率的測量關系式。當頻率高于松弛頻率時，該值為正值，而對于較低頻率，該值為負值。因為界面極化的松弛頻率通常低于1Hz，損耗指數和耗散因子的相應溫度系數將在所有通用測量頻率下為正值。因為某一電介質的直流電導通常隨著絕對溫度的倒數減小而成倍增大，由此導致損耗指數和耗散因子值將以一種類似的方式增大，同時將產生一個較大的正值溫度系數。

3、電壓

所有電介質極化，除了界面極化幾乎與存在的電位梯度無關，直到該梯度值達到在材料空隙或材料表面上發生電離，或者發生擊穿的數值。在界面極化中，自由離子數量可能隨著電壓而增大，同時可能改變極化和其松弛頻率的大小。直流電導也會受到類似的影響。

4、濕度

濕度對某絕緣材料的主要電學影響是將大大增加其界面極化的大小，因此增大其電容率，損耗指數和其直流電導。這些濕度影響是由水吸入材料體積，以及在材料表面形成離子化水膜而導致的。后者在幾分鐘之內形成，然而前者可能需要幾天，有時甚至是幾個月來達到平衡，特別是對于較厚和相對不透水材料。

5、水浸泡

水浸泡對某絕緣材料的影響近似為100%相對濕度暴露的影響。水被吸入材料體積中，通常其吸水速率大于100%相對濕度下的吸水速率。然而，當最終達到平衡時，在兩種條件下的吸水的總量基本是相同的。如果材料存在水溶性物質，水浸泡下的濾出將顯著快于在100%相對濕度且不冷凝前提下的濾出。如果浸泡所用水不純，其雜質可能進入材料中。當材料去除水進行測量時，與在100%相對濕度且不冷凝前提下產生的效果相比，其表面形成的水膜將變得更厚，同時導電性更好，同時這將要求一些時間來達到平衡。

6、氣候

氣候作為一種自然現象，其包括溫度和濕度改變，降雨，颶風，大氣雜質和太陽紫外線和熱量的影響。在這些條件下，某絕緣材料表面可能發生性變化，如物理上的粗糙化和裂解，化學上的更多易溶成分的損失以及表面沉積的鹽，酸和其它雜質的反應。表面上形成的任何水膜將變得更厚和更容易導電，同時水將更容易滲入材料體積中。

7、損失

在電壓和溫度的工作條件下，由于吸收濕分，材料表面物理變化，材料成分化學變化，以及材料表面和內部空隙表面的電離影響，某絕緣材料可能損失電學強度。通常來說，材料電容率和耗散因子將增大，同時它們的增大值將隨著測量頻率降低而變得更大。在充分理解X3.1-X3.6列出的影響之后，任何電學性能的觀測變化，特別是耗散因子，可作為損失的一種度量方式，也就是指電介質強度減小的一種度量方式。

8、調節

許多絕緣材料的電學特征取決于溫度，濕度和水浸泡性，正如以上章節所述，因此通常有必要規定某一樣本的過去歷史以及其與這些因素相關的試驗條件。除非將在室溫（20-30℃）下執行測量，同時未規定相對濕度，樣本應按規程D618進行調節。所選程序應最能接近匹配工作條件。當數據要求包含寬范圍的溫度和相對濕度時，將有必要使用中間值，同時可調節至平衡。

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二、介質損耗因數試驗目的及影響測量結果因素

1、介質損耗因數的基本概念

  電介質損耗的組成

電介質損耗由以下三部分組成：

1. 電導損耗。當給電介質施加交流電壓時，電介質中 會有電導電流流過，電介質因此而發熱產生損耗，通常這 部分電流都很小。

2. 游離損耗。電介質中局部電場集中處（如固體電介 質中的氣泡，氣體電介質中電極的jian端等），當電場強度 高于某一值時，介質局部就會產生放電，同時伴隨能量損耗。

3. 極化損耗。由于介質結構的不均勻，在交流電場作 用下，使不均勻介質邊界面上的電荷，時而積聚，時而消失， 電荷積聚和消失都要通過介質內部，這樣就造成了一定的 能量損耗。

2、介質損耗因數試驗目的

1. 能較為靈敏地發現中小型電容量電氣設備的絕緣整 體受潮、老化、油質劣化和局部缺陷。

2. 能非常靈敏地發現絕緣油質量的優劣。

3. 對容量較大的電氣設備，若絕緣缺陷占據的體積只 占總體積的一小部分，則測量介質損耗因數較難發現設備 存在的絕緣缺陷。所以我們在測量大型變壓器整體的介質 損耗因數之后，還應再測量其電容型套管的介質損耗因數， 原因后面會具體解釋。

3、影響介質損耗因數測量結果的因素

介質損耗因素不僅受到設備缺陷和電磁場干擾的影響， 還受到溫度、試驗電壓、試品電容的影響。

3.1 溫度的影響

溫度對 tanδ 測量的影響較大，絕大多數情況下，同一 種被試品的 tanδ 隨著溫度的升高而增大。但由于不同絕緣 介質或不同潮濕程度有著不同的隨溫度變化的規律，一般 無法將某一溫度下測得的介質損耗因數值準確換算至另一 溫度下的數值，在 20℃至 80℃之間，tanδ 隨著溫度而變 化的經驗公式為 tanδ=tanδ0e α（t-t0），但這種溫度換算方法 所得的數據也只是近似的。最好在 10℃至 30℃范圍內并與 歷史試驗測量時相近的溫度下對設備進行 tanδ 測量。

3.2 試驗電壓的影響

對絕緣良好的設備而言，在一定試驗電壓范圍內，流 過絕緣介質的電流有功和無功分量隨著電壓的增加成比例 增加，因此介質損耗因數不會有明顯變化。但對于絕緣有 缺陷的設備來說，當電壓上升到介質的局部放電起始電壓 以上時，介質中夾雜氣泡或雜質的部分電場可能很強，會 首先放電，產生附加損耗，使測得的介質損耗因數值增加。 因此在較高電壓下測量 tanδ，可以較為真實地反映出設備的絕緣狀況，便于及時準確地發現設備絕緣存在的缺陷。

3.3 tanδ 與試品電容的關系

對于如套管、電壓互感器、電流互感器等電容量比較 小的設備，測量其介質損耗因數可以有效發現其存在的局 部集中性缺陷和整體分布性缺陷。但若集中性缺陷的體積 所占被試設備絕緣體積的比重很小，如大、中型變壓器等 大體積設備的局部缺陷，其引起的損耗只占總損耗中的極 小部分，則測量其介質損耗因數不能靈敏的反映絕緣缺陷， 應盡量進行分解試驗。下面通過公式來解釋這一現象。設 備絕緣由多種材料、多種部件構成，可以看作是由許多并 聯等值回路組成。