介质损耗角检测的意义及测量方法

摘要：介质损耗角又称介电相位角。它是交流电压下电介质中的有功分量和无功分量的比值，是一个无量纲的数，反应的是电介质内单位体积中能量损耗的大小，反映电介质在交变电场作用下，电位移与电场强度的位相差。

介质损耗角又称介电相位角。它是交流电压下电介质中的有功分量和无功分量的比值，是一个无量纲的数，反应的是电介质内单位体积中能量损耗的大小，反映电介质在交变电场作用下，电位移与电场强度的位相差。

定义：

电介质在交变电场作用下，根据电场频率、介质种类的不同，其介电行为可能产生以下两种情况。对于理想介质而言，电位移与电场强度在时间上没有相位差，此时极化强度与交变电场同相位，交流电流刚好超前电压π/2。对于实际介质而言，电位移与电场强度存在位相差。此时介质电容器交流电流超前电压的相角小于π/2。由此，介质损耗角等于介质电容器交流电流与电压相角差的余角。

介质损耗角是在交变电场下，电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角（即功率向量角ф）的余角δ，简称介损角。

介质损耗角（介损角）是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。介损角的变化可反映受潮、劣化变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷，因此测量介损角是研究绝缘老化特征及在线监测绝缘状况的一项重要内容。

电容型设备的绝缘结构通常是由多种绝缘材料组合而成一。电气设备的内绝缘介质分为三类，其中液体介质包括变压器油、电容器油等;固体材料包括云母、电瓷、玻璃、硅橡胶等;气体材料包括六氟化硫等。在电场的作用下，绝缘介质都会发生极化、电导和损耗等物理现象。介质损耗是绝缘设备在电场作用下其内部引起的能量损耗，所消耗的能量转化为热能，引起绝缘材料温度升高，当温度过高时将会导致绝缘材料老化变质。绝缘介质损耗主要分为三种:极化损耗、游离损耗以及电导损耗。

tanδ被称为介质损耗角的正切，它是交流电压下电介质中的有功分量和无功分量的比值，是一个无量纲的数，反应的是电介质内单位体积中能量损耗的大小。

介质损耗

介质损耗与外施电压、电源频率、介质电容C和介质损耗因数tanδ成正比。但是用介质损耗P表示介质品质的优劣是不方便的，因为，P值和试验电压、介质尺寸(形状、大小、厚度等)等因素有关，不同设备间难以互相比较,因此也不能准确的反映电介质的绝缘状况。而当外加电压、频率一定时，介质损耗仅与介质的等值电容和介质损耗因数有关，对于一定结构及形成的电介质，等值电容是定值，因此tanδ就完全反映了介质损耗情况，可以用来评价高压电力设备的绝缘水平，它是仅取决于材料的特性而与材料尺寸无关的物理量。所以，在工程上选用介质损耗角的正切tanδ的值来判断介质的品质，表征电介质的损耗大小。

检测的意义：

通过测量介质损耗角的正切值可以反映出一系列的绝缘缺陷，如绝缘受潮、劣质变化或瓦隙放电等。测量电介质的tanδ值，便于定量分析绝缘材料的损耗特性，有利于绝缘材料的分析研究和结构设计。材料的tanδ大，说明电介质工作时损耗大、易发热和易老化。例如，胶纸电容式套管的机械强度高，下部尺寸可以做的很短，但往往由于胶的质量不够理想，而使tanδ较大，因而难以使用在超高压系统中。蓖麻油可以用于直流或脉冲电容器中，但因其tanδ很大，而不能用于交流电容器中。用于冲击测量的连接电缆，要求其tanδ必须很小，否则，当冲击波在电缆中传播时，波形将发生严重畸变而影响测量精度。

但对于集中性的缺陷，如果其所占的体积小，那么集中性缺陷处的介质损耗占绝缘全部介质损耗的比重就小，此时tanδ法效果就差。因此，对套管或互感器的绝缘介质损耗因数试验是必不可少的，而对电机电缆等设备就没有这个必要了。通过tanδ值判断绝缘状况时，同时必须着重于与该设备历年的tanδ值相比较以及和同样运行条件下的其它设备相比较。即使tanδ未超过标准值，但和过去以及和同样运行条件下的其它设备相比，tanδ突然明显增大时，就必须进行处理。

在绝缘设计时，必须注意绝缘材料的tanδ 值。若tanδ 值过大则会引起严重发热，使绝缘加速老化，甚至可能导致热击穿。而在直流电压下，tanδ 较小而可用于制造直流或脉冲电容器。

值反映了绝缘的状况，可通过测量 tanδ=f(ф)的关系曲线来判断从良状态向劣化状态转化的进程，故tanδ的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本项目。

通过研究温度对tanδ值的影响，力求在工作温度下的tanδ值为最小值而避开最大值。

极化损耗随频率升高而增大，尤其电容器采用极性电介质时，其极化损耗随频率升高增加很快，当电源中出现高次（如3次、5次）谐波时，就很容易造成电容器绝缘材料因过热而击穿。

用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的tanδ必须很小，否则所测冲击电压通过电缆后将发生严重的波形畸变，影响到测量的准确性。

测量方法：

离线测量tanδ时采用的方法基本都是模拟方法，较有代表性的是西林电桥法。利用电桥平衡条件来测算出被试品的电容值C及tanδ值。其优点为准确度相对较高，但在试验电源有较大的谐波干扰或外界强电场干扰时，电桥常常无法平衡，读数误差较大，因而多在实验室等干扰较小的场所使用。为此，曾提出不少解决方法，如屏蔽法、电源倒相法、反干扰源法、移相法、干扰电源法等，这些方法现场使用各有其缺陷，不尽适用。

在线监测方法按照测量原理可分为两类。第一类是主要靠“硬件”的检测方法，即依靠电子线路来实现的检测方法，以过零相位比较法(也称脉冲计数法)、电压比较器法及将西林电桥用于带电检测的一些方法等为代表。二是主要靠“软件”的检测方法，即将数字化的电流产和参考信号比较测得tanδ。然后再计算tanδ。参考信号有两种取法，一种是以电压感为参考信号，先测出成与秘之间的夹角，再计算出8。这类方法也称为绝对测量法。电压信号多取自PT的二次侧。但二次侧的信号容易受PT本身和二次负载的影响。另一种方法称为间接法。参考信号是现场一台tanδ占极小且稳定的设备的总电流，因为tanδ极小，总电流也就接近为容性电流，被测设备与参考设备电流夹角就可认为是tanδ，在要求严格或者参考设备本身的tanδ较大时。可以把用其它方法测出的参考设备的tanδ加进来，前提是参考设备的tanδ稳定。这种方法不但排除了PT本身角差的影响，而且由于被测设备和参考设备所处的环境相同，因此环境引起的tanδ变化也基本相同，相对值也就基本保持不变，从而减弱了环境因素的影响。这种方法的缺点是无法对单台设备进行测量，测量结果为相对值，此外，如果参考设备出现故障还可能误判。