電氣絕緣測試技術(shù)5

1、電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 第三章第三章 電容相對介電常數(shù)及損耗因數(shù)的測量電容相對介電常數(shù)及損耗因數(shù)的測量電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 復(fù)習(xí)內(nèi)容復(fù)習(xí)內(nèi)容一、純電感電路一、純電感電路電壓與電流的關(guān)系：電壓與電流的關(guān)系：)90sin(cos)sin(tUtLIdttIdLdtdiLummm 由上式可知：由上式可知：（1）Um= LIm 即即LIUIUmm 線圈電感線圈電感L越大，交流電頻率越高，則越大，交流電頻率越高，則 L的值越大，也就是對的值越大，也就是對交流電流的阻礙作用越大，我們把這種交流電流的阻礙作用越大，我們把這種“阻力阻力”稱作感抗，用稱作感抗，用XL代表。代表。 XL=

2、L=2 fL電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) （2）電感兩端電壓超前電流相位）電感兩端電壓超前電流相位90 （或（或 /2弧度）弧度）（a）波形圖）波形圖 (b) 相量圖相量圖 (c) 瞬時功率圖瞬時功率圖圖圖1 1 純電感電路的波形圖與相量圖純電感電路的波形圖與相量圖電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) CIUIUmm1fCCXC211 電容器的電容電容器的電容C越大，交流電頻率越高，則越大，交流電頻率越高，則1/ C越小，也就是越小，也就是對電流的阻礙作用越小，我們把電容對電流的對電流的阻礙作用越小，我們把電容對電流的“阻力阻力”稱作容抗，稱作容抗，用用XC代表。代表。 XC與電容與電容C和頻

3、率和頻率f成反比。當(dāng)成反比。當(dāng)C一定時，電容器具有一定時，電容器具有隔直通交隔直通交的特性，當(dāng)?shù)奶匦?，?dāng)f=0時，時，XC=，此時電路可視作開路，即，此時電路可視作開路，即“隔直隔直”作作用。用。二、純電容電路二、純電容電路電壓與電流的關(guān)系：電壓與電流的關(guān)系：)90sin()sin(tItCUdttUdCdtduCimmm（1）Im= Cum 即即電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) （2）電容的電流與它的端電壓是同頻率的正弦量，電流超前于）電容的電流與它的端電壓是同頻率的正弦量，電流超前于電壓電壓90 。 （a）波形圖）波形圖 （b）相量圖）相量圖 （c）瞬時功率圖）瞬時功率圖 圖圖2 純電容電

4、路的波形圖與相量圖純電容電路的波形圖與相量圖電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)是電介質(zhì)與絕緣體的兩個主要特相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因數(shù)是電介質(zhì)與絕緣體的兩個主要特性。性。 在不同應(yīng)用場合下，對這兩個特性的要求也不同，用于儲能元在不同應(yīng)用場合下，對這兩個特性的要求也不同，用于儲能元件，要求相對介電常數(shù)要大，使單位體積中的儲能大；在用于一件，要求相對介電常數(shù)要大，使單位體積中的儲能大；在用于一般絕緣體時，要相對介電常數(shù)小，以減小流過的電容電流。般絕緣體時，要相對介電常數(shù)小，以減小流過的電容電流。 在一般電氣設(shè)備中用的電介質(zhì)和絕緣體，都要求損耗因數(shù)小，

5、在一般電氣設(shè)備中用的電介質(zhì)和絕緣體，都要求損耗因數(shù)小，因為損耗因數(shù)大，不但消耗浪費(fèi)電能，而且使介質(zhì)發(fā)熱，容易造因為損耗因數(shù)大，不但消耗浪費(fèi)電能，而且使介質(zhì)發(fā)熱，容易造成老化或損壞，這在工作電場強(qiáng)度高、電壓頻率高的條件下尤為成老化或損壞，這在工作電場強(qiáng)度高、電壓頻率高的條件下尤為突出。突出。 為了檢驗評定電工設(shè)備、元件的性能，選擇合適的絕緣材料，為了檢驗評定電工設(shè)備、元件的性能，選擇合適的絕緣材料，就必須對其相對介電常數(shù)或電容、損耗因數(shù)進(jìn)行測量。就必須對其相對介電常數(shù)或電容、損耗因數(shù)進(jìn)行測量。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 一、相對介電常數(shù)一、相對介電常數(shù)(電容率電容率) 相對介電常數(shù)相對介電

6、常數(shù)r 是在同一電極結(jié)構(gòu)中，電極周圍充滿介質(zhì)時的是在同一電極結(jié)構(gòu)中，電極周圍充滿介質(zhì)時的電容電容CX 與周圍是真空的電容與周圍是真空的電容 C0 之比，即之比，即若電極為平行板電極，則若電極為平行板電極，則式中：式中：A電極面積（電極面積（m）; t電極間距離（電極間距離（m）；）； 測量測量r實際上是測量電容實際上是測量電容 CX 及電極、試品有關(guān)的尺寸。及電極、試品有關(guān)的尺寸。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，干燥空氣的相對介電常數(shù)為在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，干燥空氣的相對介電常數(shù)為1.0053，因此工，因此工程上可以用空氣電容代替真空電容程上可以用空氣電容代替真空電容 C0，C0

7、稱為幾何電容。稱為幾何電容。絕對介電常數(shù)絕對介電常數(shù)在工程上，材料通常用相對介電常數(shù)來在工程上，材料通常用相對介電常數(shù)來 描述，而為了便描述，而為了便于敘述，于敘述，“相對相對”兩字有時省略，簡稱為介電常數(shù)。兩字有時省略，簡稱為介電常數(shù)。r0r電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 二、損耗因數(shù)二、損耗因數(shù) 介質(zhì)損耗因數(shù)是試品在施加電壓時所消耗的有功功率與無功功介質(zhì)損耗因數(shù)是試品在施加電壓時所消耗的有功功率與無功功率的比值，若絕緣體或介質(zhì)本身沒有損耗，則在電場中通過它的率的比值，若絕緣體或介質(zhì)本身沒有損耗，則在電場中通過它的電流與它兩端的電壓相位差為電流與它兩端的電壓相位差為 90。 若有損耗則相位

8、差為若有損耗則相位差為90-，如圖，如圖3所示。所示。 為介質(zhì)損耗角，介為介質(zhì)損耗角，介質(zhì)損耗角的正切質(zhì)損耗角的正切 tan即為介質(zhì)損耗因數(shù)。即為介質(zhì)損耗因數(shù)。圖圖3 介質(zhì)損耗角示意圖介質(zhì)損耗角示意圖電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 圖圖3 介質(zhì)損耗角示意圖介質(zhì)損耗角示意圖圖圖3 試品的等效阻抗試品的等效阻抗 a) 并聯(lián)并聯(lián) b)串聯(lián)串聯(lián) 用電路的概念來描述，可以把介質(zhì)損耗的絕緣體看成是電容和用電路的概念來描述，可以把介質(zhì)損耗的絕緣體看成是電容和電阻并聯(lián)或串聯(lián)的等效阻抗，如圖電阻并聯(lián)或串聯(lián)的等效阻抗，如圖3所示。所示。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 對于并聯(lián)等效阻抗對于并聯(lián)等效阻抗對于串聯(lián)等

9、效阻抗對于串聯(lián)等效阻抗式中CP、CS分別為并聯(lián)、串聯(lián)等效阻抗中的電容；分別為并聯(lián)、串聯(lián)等效阻抗中的電容；RP、RS分別為并聯(lián)、串聯(lián)等效阻抗中的電阻；分別為并聯(lián)、串聯(lián)等效阻抗中的電阻； 電壓角頻率。電壓角頻率。 實際上介質(zhì)損耗是很微小的，一般不能普通的功率表來測損耗實際上介質(zhì)損耗是很微小的，一般不能普通的功率表來測損耗因數(shù)，而是把試品視為上述的等效阻抗，測得因數(shù)，而是把試品視為上述的等效阻抗，測得 1/(CPRP)或或 CsRs 以求得試品的以求得試品的tan。測得測得 1/(CPRP)或或 CsRs 以求得試品的以求得試品的tan。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 圖圖3 試品的等效阻抗試品的

10、等效阻抗 a) 并聯(lián)并聯(lián) b)串聯(lián)串聯(lián) 上述等效電路是表示有損介質(zhì)的一種電路模型，采用哪種等效上述等效電路是表示有損介質(zhì)的一種電路模型，采用哪種等效電路由具體的問題確定，如果損耗主要由電導(dǎo)引起，一般應(yīng)用并電路由具體的問題確定，如果損耗主要由電導(dǎo)引起，一般應(yīng)用并聯(lián)等效電路；如果損耗主要由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線的電阻引起，聯(lián)等效電路；如果損耗主要由介質(zhì)極化及連接導(dǎo)線的電阻引起，則常用串聯(lián)等效電路。則常用串聯(lián)等效電路。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 對于對于tan兩者完全等效，即兩者完全等效，即同一電介質(zhì)用不同的等效電路表示時，其等效電容和電阻不相等。同一電介質(zhì)用不同的等效電路表示時，其等效電容和電阻

11、不相等。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 三、影響相對介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)的因素三、影響相對介電常數(shù)與介質(zhì)損耗因數(shù)的因素1、電壓幅值、電壓幅值 一般情況下，相對介電常數(shù)及損耗因數(shù)與施加的電壓幅值無關(guān)；若一般情況下，相對介電常數(shù)及損耗因數(shù)與施加的電壓幅值無關(guān)；若有夾層極化，在高場強(qiáng)下將會使相對介電常數(shù)及損耗因數(shù)增大；若在絕有夾層極化，在高場強(qiáng)下將會使相對介電常數(shù)及損耗因數(shù)增大；若在絕緣體中有氣泡，在電壓超過起始放電電壓后，測得的相對介電常數(shù)及損緣體中有氣泡，在電壓超過起始放電電壓后，測得的相對介電常數(shù)及損耗因數(shù)都會增大。耗因數(shù)都會增大。2、頻率、頻率 各種極化過程都需要一定時間，若這時間比交變

12、電場的周期長得多時，各種極化過程都需要一定時間，若這時間比交變電場的周期長得多時，這種極化就來不及完成，相對介電常數(shù)就變小，如圖這種極化就來不及完成，相對介電常數(shù)就變小，如圖4所示，頻率低時，所示，頻率低時，各種極化都存在，所以各種極化都存在，所以 r 就大，而就大，而頻率高頻率高時，夾層極化、偶極子極化時，夾層極化、偶極子極化可能來不及完成，只剩下電子極化、原子極化，所以可能來不及完成，只剩下電子極化、原子極化，所以 r就小就小了。了。電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場作用下，其束縛電荷相應(yīng)與電場電介質(zhì)的極化：電介質(zhì)在電場作用下，其束縛電荷相應(yīng)與電場方向產(chǎn)生彈性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。方向產(chǎn)生彈

13、性位移現(xiàn)象和偶極子的取向現(xiàn)象。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 圖圖4 r、tan與頻率的關(guān)系與頻率的關(guān)系 損耗因數(shù)主要由偶極子極化、夾損耗因數(shù)主要由偶極子極化、夾層極化造成的，但若頻率很低，當(dāng)層極化造成的，但若頻率很低，當(dāng)交變電場的周期比該極化過程所需交變電場的周期比該極化過程所需的時間長得多時，極化完全跟得上的時間長得多時，極化完全跟得上電場變化而沒有滯后現(xiàn)象，極化形電場變化而沒有滯后現(xiàn)象，極化形成的電容電流與外加電壓的相位差成的電容電流與外加電壓的相位差為為90，這時也不會產(chǎn)生損耗，只，這時也不會產(chǎn)生損耗，只有在該極化有滯后現(xiàn)象時才會出現(xiàn)有在該極化有滯后現(xiàn)象時才會出現(xiàn)介質(zhì)損耗，所以在介質(zhì)

14、損耗，所以在 r 有變化時，介有變化時，介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)最大值，如圖質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)最大值，如圖4所示。所示。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 3、溫度、溫度 溫度升高溫度升高會使分子間的束縛力減小，極化容易形成，因而會使分子間的束縛力減小，極化容易形成，因而介電常數(shù)增介電常數(shù)增大大；但當(dāng)溫度升高時，物質(zhì)密度降低，而且分子間的熱運(yùn)動加劇，從而；但當(dāng)溫度升高時，物質(zhì)密度降低，而且分子間的熱運(yùn)動加劇，從而使極化強(qiáng)度降低，如圖使極化強(qiáng)度降低，如圖5所示。所示。圖圖5 r、tan與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系 在溫度較低時，損耗因數(shù)也是在在溫度較低時，損耗因數(shù)也是在介電常數(shù)變化時出現(xiàn)最大值，而在介電常數(shù)變化時

15、出現(xiàn)最大值，而在溫度很高時，由于電導(dǎo)產(chǎn)生的介質(zhì)溫度很高時，由于電導(dǎo)產(chǎn)生的介質(zhì)損耗占主要地位，介質(zhì)損耗就和電損耗占主要地位，介質(zhì)損耗就和電導(dǎo)一樣隨溫度上升而指數(shù)式增長，導(dǎo)一樣隨溫度上升而指數(shù)式增長，如圖如圖5所示。同時溫度升高，極化松所示。同時溫度升高，極化松弛時間減小，弛時間減小，tan隨頻率變化的最隨頻率變化的最大值向高頻方向移動。大值向高頻方向移動。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 4、濕度、濕度 水的相對介電常數(shù)很大（水的相對介電常數(shù)很大（r =81），同時），同時水分滲入水分滲入會起增塑作用，使會起增塑作用，使極化更容易形成，使得極化更容易形成，使得介電常數(shù)明顯增大介電常數(shù)明顯增大，再加上水的電導(dǎo)也較大，再加上水的電導(dǎo)也較大，損損耗因數(shù)也明顯增大耗因數(shù)也明顯增大。電氣絕緣測試技術(shù)電氣絕緣測試技術(shù) 四、試樣與電極四、試樣與電極 在工頻電壓下測量在工頻電壓下測量 r 和和 tan時，所用的試樣和電極與第一章時，所用的試樣和電極與第一章第二節(jié)所述的測量電阻時采用的基本一樣。對于電極材料的導(dǎo)電第二節(jié)所述的測量電阻時采用的基本一樣。對于電極材料的導(dǎo)電性能的要求更高，石墨電極一般不用。采