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電介質(zhì)產(chǎn)生介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失原因

在電壓作用下,電介質(zhì)產(chǎn)生一定的能量損耗,這部分損耗稱介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失。電介質(zhì)產(chǎn)生介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失原因主要因?yàn)殡娊橘|(zhì)電導(dǎo)、極化和局部放電。

一、電介質(zhì)電導(dǎo)引起的損耗

在電場(chǎng)作用下電介質(zhì)電導(dǎo)(又稱漏導(dǎo))產(chǎn)生的泄漏電流會(huì)造成能量損耗。這種損耗在交流與直流作用下都存在,且這種損耗與極化、局部放電引起的損耗比較是很小的。

二、極化引起的損耗

在交流電壓作用下,電介質(zhì)由于周期性的極化過(guò)程,電介質(zhì)中的帶電質(zhì)點(diǎn)要沿交變電場(chǎng)的方向作往復(fù)的有限位移并重新排列。這時(shí)質(zhì)點(diǎn)需要克服極化分子間的內(nèi)摩擦力而造成能量損耗。極化損耗的大小與電解質(zhì)的性能、結(jié)構(gòu)、溫度、交流電壓頻率等有關(guān)。

三、局部放電引起的損耗

絕緣材料中,不可避免地會(huì)有些氣隙或油隙。在交流電壓下,電場(chǎng)分布主要與該材料的介電系數(shù)ε成反比,氣體的介電系數(shù)一般比固體絕緣材料的要低得多,因此承 受的電場(chǎng)強(qiáng)度就大,當(dāng)外加電壓足夠高時(shí),氣隙中首先發(fā)生局部放電。固體中氣隙放電前后電場(chǎng)示意圖,如圖1-1所示。

電介質(zhì)產(chǎn)生介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失原因

氣隙放電形成的電荷,在外施電場(chǎng)E0作用下移動(dòng)到氣隙壁上,這些電荷又形成反電場(chǎng)量,削弱了氣隙中的電場(chǎng),很可能使氣隙中放電不再繼續(xù)下去,如圖1-1(b)所示。

但是如外加的為交流電壓,半周后外施電場(chǎng)E0就反向了,正好與前半周氣隙中電荷形成的反電場(chǎng)E同向,加強(qiáng)了氣隙中電場(chǎng)強(qiáng)度,使氣隙中放電在更低電壓下發(fā)生。所以交流電壓下絕緣體里的局部放電及介質(zhì)損耗比直流電壓下強(qiáng)烈。在油浸電容器、電容套管等的設(shè)計(jì)制造及運(yùn)行中都要注意這點(diǎn),要盡量避免內(nèi)部氣隙、毛刺等引起的局部放電。一般油浸紙絕緣交流電容器或電纜用于直流時(shí),長(zhǎng)期工作電壓能提高到銘牌電壓的4~5倍,原因就在于此,絕緣介質(zhì)損耗的大小,實(shí)際上是絕緣性能優(yōu)劣的一種表示,同—臺(tái)設(shè)備,絕緣良好,介質(zhì)損耗就小;絕緣受潮劣化,介質(zhì)損耗就大。

四、測(cè)量介質(zhì)損耗角的正切tanδ的目的

在交流電壓ū作用下電介質(zhì)中流過(guò)電流?,在一定ū和f下它反映電解質(zhì)內(nèi)單位體積中能量的大小,能直接反映絕緣情況,電介質(zhì)的并聯(lián)等值電路及相量圖1-2所示。電壓ū與電流?之間的夾角為φ,φ稱為功率因數(shù)角,根據(jù)1-2可得:tanδ=IR/IC=1/ω CPR (4-1)

介質(zhì)損耗:P=UIR=UICtanδ=U2ω (4-2)

電介質(zhì)產(chǎn)生介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失原因

由此可見(jiàn),當(dāng)電介質(zhì)一定,外加電壓及頻率一定時(shí),介質(zhì)損耗P與tanδ成正比,即可以用tanδ來(lái)表示介質(zhì)損耗的大小。同類試品絕緣優(yōu)劣,可直接由tanδ的大小來(lái)判斷;而從同—試品tanδ的歷次數(shù)據(jù)分析,可掌握設(shè)備絕緣性能的發(fā)展趨勢(shì)。

通過(guò)測(cè)量tanδ可以發(fā)現(xiàn)一系列絕緣缺陷,如絕緣整體受潮、劣化,絕緣氣隙放電等。

tanδ是反映絕緣介質(zhì)損耗大小的特性參數(shù),與絕緣的體積大小無(wú)關(guān)。但如果絕緣內(nèi)的缺陷不是分布性而是集中性的,則tanδ有時(shí)反映就不靈敏。被試絕緣的體積越大,或集中性缺陷所占的體積越小,集中性缺陷處的介質(zhì)損耗占被試絕緣全部介質(zhì)損耗的比重就越小,總體的tanδ就增加得也越少,這樣tanδ測(cè)量就不靈敏。因此,測(cè)量各類電氣設(shè)備tanδ時(shí),能分解試驗(yàn)的盡量分解試驗(yàn)。如測(cè)量變壓器整體tanδ時(shí),由于變壓器整體絕緣體積比變壓器套管大得多,套管的缺陷就不能靈敏反映出來(lái),因此還須單獨(dú)測(cè)量套管的tanδ。套管的體積小,測(cè)套管的tanδ不僅可以反映套管絕緣的全面情況,而且有時(shí)可以反映其中的集中性缺陷。

有時(shí)為了處理問(wèn)題方便,也可以將圖1-2所示的并聯(lián)等值電路變成串聯(lián)等值電路,如圖1-3所示

電介質(zhì)產(chǎn)生介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失原因

由圖1-3可得

tanδ=Ur/UC=ir/(i/ωCS)=ωCSr (4-3)

P=i2r=U2r/[r2﹢(1/ωCS)2]

=U2r/{(1/ωCS)2[(rωCS)2﹢1]}

=(U2ωCStanδ)/(1﹢tan2δ) (4-4)

即串聯(lián)等值電路中P也與tanδ有關(guān)。

兩種等值電路都表示同一電介質(zhì)的絕緣特性等值電路情況下的電介質(zhì)能量損耗與tanδ,應(yīng)當(dāng)也是等值的。因此由式(4-1)~式(4-4)有:1/ωCPR=ωCSr

U2ωCPtanδ=(U2ωCStanδ)/(1﹢tan2δ)

聯(lián)立解得

CP=CS/(1﹢tan2δ)

R=r[1﹢(1/tan2δ)]

對(duì)于電介質(zhì)來(lái)講tan2δ<1,所以得

CP≈CS=C,R>r

因此兩種等值電路中的功率損耗可用—個(gè)共同的表達(dá)式表示,即:P=U2ωCtanδ

大多數(shù)電氣設(shè)備的絕緣是組合絕緣,是由不同電介質(zhì)組成的,且具有不均勻結(jié)構(gòu),如油浸紙絕緣,含空氣和水分的電介質(zhì)等等。在對(duì)絕緣進(jìn)行分析時(shí),可把設(shè)備絕緣看成如圖1-4所示的多個(gè)電介質(zhì)串、并聯(lián)等值電路所組成的電路,而所測(cè)得的tanδ值,實(shí)際上是由多個(gè)電介質(zhì)串、并聯(lián)后電路的綜合tanδ值。

電介質(zhì)產(chǎn)生介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失原因

圖1-4(a)是n個(gè)電介質(zhì)并聯(lián)的電路,總損耗P=P1﹢P2﹢…﹢pn。將P=U2ωCtanδ代入,得

U2ωCtanδ=U2ωC1tanδ1﹢U2ωC2tanδ2﹢…﹢U2ωCntanδn

Ctanδ=C1tanδ1﹢C2tanδ2﹢…﹢Cntanδn

而C=C1﹢C2﹢…﹢Cn,所以推得綜合tanδ為:

tanδ=(C1tanδ1﹢C2tanδ2﹢…﹢Cntanδn)/(C1﹢C2﹢…﹢Cn) (4-5)

同理,推得圖1-4(b)的綜合tanδ為:

tanδ=(tanδ1/C’1﹢tanδ2/C’2﹢…﹢tanδn/C’n)/(1/C’1﹢1/C’2﹢…﹢1/C’n) (4-6)

圖1-4(c)的綜合tanδ為tanδ=[C1tanδ2(1﹢tan2δ1)﹢C2tanδ1(1﹢tan2δ2)]/[C1(1﹢tan2δ1)﹢C2(1﹢tan2δ2)] (4-7),從式(4-5)~式(4-7)可以看出:多個(gè)電介質(zhì)絕緣的綜合tanδ值總是小于等值電路中個(gè)別tanδ的最大值,而大于最小值。

這一結(jié)論表明:在測(cè)量多種及多層電介質(zhì)絕緣時(shí),當(dāng)其中一種或一層tanδ偏大時(shí),并不能有效地在綜合tanδ值中反映出來(lái),或者說(shuō)tgδ對(duì)局部缺陷反映不靈敏。如某兩種并聯(lián)電介質(zhì),其中一種電介質(zhì)的電容值C1=1800PF, tanδ1(%)=0.2,另一種電介質(zhì)的C2=200PF ,tanδ2(%)=5.0,其綜合tanδ(%)為

tanδ(%)=[C1tanδ1(%)﹢C2tanδ2(%)]/(C1﹢C2) =(1800×0.2+200×0.5)/(1800﹢200)=0.68,盡管局部tanδ(%)達(dá)5.0,但綜合tanδ(%)僅等于0.68。

通過(guò)測(cè)tanδ判斷絕緣狀況時(shí),必須著重于與該設(shè)備歷年的tanδ值相比較,并和處于同樣運(yùn)行條件下的同類設(shè)備相比較,即使tanδ值未超過(guò)標(biāo)難,但和過(guò)去值比較及和同類設(shè)備比較,若tanδ突然明顯增大時(shí),就必須引起注意,查清原因。

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