第三章
测量介质损耗因数

第一节
介质损失的一般概念

电介质就是绝缘材料。当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？我们确实总希望绝缘材料的绝缘电阻愈高愈好，即泄漏电流愈小愈好。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。

一、漏导引起的损耗

电介质总是有一定电导的，在电场作用下会产生泄漏电流，电介质中流过泄漏电流时会发热，造成能量损耗。这种损耗在直流电压和交流电压下都存在，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。

二、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，由于存在周期性的极化过程，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，而质点来回移动需要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，极化损耗只在交流电压下才呈现出来，而且随着电源频率的增加，质点运动更频繁，极化损失就越大。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，从而也消耗能量。

三、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，由于在交流电压下，各层的电场分布与该材料的介电常数成反比，而气体的介电常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缘材料，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E ₀ 作用下移动到气隙壁上，如图3-1（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就不再继续下去。但是如外施的电压为交流电压，半周后外施电场E ₀ 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比直流下强烈。在油纸电容器、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电路时，长期工作电压能提高到原铭牌值的四五倍，而不是峰值与有效值之比的 倍，原因也就在于此。

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，局部放电损耗也不严重），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。在交流电压下，电介质损耗常以介质损耗因数（tanδ）来表示。

由上述可知，电介质在直流电压作用下可以用图1-10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，这里做出图1-10的相量图，如图3-2所示。由图3-2可见，总电流与电压之间的夹角为φ，φ角的余角为δ，称δ为介质损失角，而称δ的正切则为介质损耗因数，记为tanδ，并用它来反映电介质损耗的大小。

为分析方便，根据相量图3-2可以把图1-10所示的等值电路进一步简化为由R和C _P 表示的并联等值电路，如图3-3所示。根据图3-3可得：

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，所以介质损耗因数测量又称为介质损失角测量。

有时为了处理问题方便，也可以将图1-10变换成一个由r和C _S 相串联的等值电路，如图3-4所示。根据图3-4可得

由此可见，P也和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。基于这一点，式（3-1）与式（3-3）应当相等，式（3-2）与式（3-4）也应当相等。这样可以求得两种等值电路中各参数之间的关系为

联立可解得

对于品质优良的电介质，tan ² δ≪1，所以可以认为C _P ≈C _S ≈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进行比较。下面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（3-1）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。 AqHWHcl5eQMYSlVOiE7YK2jxMVzGsGiFs1eJOHYpqrjgCQRKvgLpc1vOGVXjVw1M