ASTM D150介电常数测试仪

ASTM D150介电常数测试仪—介质损耗因数试验浅析

介质损耗因数试验是判断电气设备绝缘性能较为有效的方法，能直接、明显地反映出绝缘的整体受潮、劣化变质 等分布性缺陷。因此，在电气设备（如电力变压器、高压开关、互感器、套管、耦合电容等）交接和例行试验中，介质损 耗因素试验已得到广泛的应用。本文较为系统地阐述了介质损耗因数的定义、试验等值电路及向量图、试验目的、测量仪 器及影响试验结果的因素。

关键词　介质损耗因数　电气试验　西林电桥

1 介质损耗因数的基本概念

1.1 电介质损耗的组成

电介质损耗由以下三部分组成：

1. 电导损耗。当给电介质施加交流电压时，电介质中 会有电导电流流过，电介质因此而发热产生损耗，通常这 部分电流都很小。

2. 游离损耗。电介质中局部电场集中处（如固体电介 质中的气泡，气体电介质中电极的jian端等），当电场强度 高于某一值时，介质局部就会产生放电，同时伴随能量损耗。

3. 极化损耗。由于介质结构的不均匀，在交流电场作 用下，使不均匀介质边界面上的电荷，时而积聚，时而消失， 电荷积聚和消失都要通过介质内部，这样就造成了一定的 能量损耗。

1.2 介质损耗因数的定义

与介质损耗不同的是，介质损耗因数tanδ 只与材料的性质有关，而与材料的尺寸已经体积大小等外部因素无关， 这样可以便于不同设备之间进行比较。

1.3 介质损耗的等值电路及相量图

根据绝缘介质在交流电压作用下的等值电路及相量图， 可推导出介质损耗各物理量之间的关系。

如下图 1 所示，当对yi绝缘介质施加交流电压时，介质上将流过电容电流 I_C1、吸收电流 I₂ 和电导电流 I_R1。其中又可以将吸收电流 I₂ 分解成有功分量 I_R2 和无功分量 I_C2 两 部分。电容电流 I_C1 和 I_C2 是不消耗能量的，只有电导电流 I_R1 和吸收电流中的有功分量 I_R2 才消耗能量。

介质的功率损耗：

式 中： U—— 电源电压     ω—— 电源角频 tanδ

C——介质的电容   R——介质的电阻     tanδ——角的余角的正切

由上面的式子可知，介质损耗与电源电压的平方 U2 、 角频率 ω、电容 C 以及 δ 角的正切值 tanδ 成正比。当电 压 U、角频率 ω 及电容 C 一定时，介质损耗和 tanδ 成正比。

将 δ 角定义为介质损耗角，tanδ 即为介质损耗角正切值，定义 tanδ 为介质损耗因数。

1.4 介质损耗因数试验目的

1. 能较为灵敏地发现中小型电容量电气设备的绝缘整 体受潮、老化、油质劣化和局部缺陷。

2. 能非常灵敏地发现绝缘油质量的优劣。

3. 对容量较大的电气设备，若绝缘缺陷占据的体积只 占总体积的一小部分，则测量介质损耗因数较难发现设备 存在的绝缘缺陷。所以我们在测量大型变压器整体的介质 损耗因数之后，还应再测量其电容型套管的介质损耗因数， 原因后面会具体解释。

2 测量介质损耗因数的仪器

测量介质损耗因数常用的仪器有西林电桥、M 型介质 试验器、电流比较型电桥三类，本文主要介绍第一类和第三类。

2.1 西林电桥

西林电桥是 80 年代以前广泛使用的现场介损测试仪器， 它有两种接线方式，正接线和反接线。

2.1.1 正接线

试品两极对地均绝缘，此方法在日常试验中经常使用， 如对电容型套管、耦合电容器、电容式互感器等电气设备 均采用正接线方式测量 tanδ。正接线使用时，电桥处于低 电位，测量结果比反接线方法正确，电桥三根导线（出线） 处于低电位。在被试品具有足够绝缘水平时，允许施加大 于 10kV 的电压作为试验电压，但必须使用与额定电压相适 应的标准电容器。

2.1.2 反接线

多数高压电气设备外壳都是直接地的，对于一极接地的电气设备应采用反接线方式测量 tanδ。反接线使用时， 电桥和出线均处于高电位，对地应保持一定的安全距离， 最少不应低于 10cm。电桥面板上的接地端子必须牢固接地。

由于西林电桥使用比较麻烦，且抗干扰能力差，因此目 前电气试验工作已不再将西林电桥作为测量 tanδ 的仪器。

2.2 相位差法抗干扰全自动介损测试仪

相位差法介损仪是携带型西林电桥的更新换代产品。 把标准电容器和升压变压器组合在一起，称为一体化。此 种介损仪采用现代微电子技术以提高测量精度和自动显示， 采用红外技术和光纤传递以提高抗干扰能力，如 AI-6000 型自动抗干扰精密介质损耗测量仪。与西林电桥相比，相 位差法介损仪具有操作简单、自动测量、无须换算、精度高、 抗干扰能力强等优点，仪器内部附有标准电容器及升压装 置，便于携带。

3 影响介质损耗因数测量结果的因素

介质损耗因素不仅受到设备缺陷和电磁场干扰的影响， 还受到温度、试验电压、试品电容的影响。

3.1 温度的影响

温度对 tanδ 测量的影响较大，绝大多数情况下，同一 种被试品的 tanδ 随着温度的升高而增大。但由于不同绝缘 介质或不同潮湿程度有着不同的随温度变化的规律，一般 无法将某一温度下测得的介质损耗因数值准确换算至另一 温度下的数值，在 20℃至 80℃之间，tanδ 随着温度而变 化的经验公式为 tanδ=tanδ0e α（t-t0），但这种温度换算方法 所得的数据也只是近似的。最好在 10℃至 30℃范围内并与 历史试验测量时相近的温度下对设备进行 tanδ 测量。

3.2 试验电压的影响

对绝缘良好的设备而言，在一定试验电压范围内，流 过绝缘介质的电流有功和无功分量随着电压的增加成比例 增加，因此介质损耗因数不会有明显变化。但对于绝缘有 缺陷的设备来说，当电压上升到介质的局部放电起始电压 以上时，介质中夹杂气泡或杂质的部分电场可能很强，会 首先放电，产生附加损耗，使测得的介质损耗因数值增加。 因此在较高电压下测量 tanδ，可以较为真实地反映出设备的绝缘状况，便于及时准确地发现设备绝缘存在的缺陷。

3.3 tanδ 与试品电容的关系

对于如套管、电压互感器、电流互感器等电容量比较 小的设备，测量其介质损耗因数可以有效发现其存在的局 部集中性缺陷和整体分布性缺陷。但若集中性缺陷的体积 所占被试设备绝缘体积的比重很小，如大、中型变压器等 大体积设备的局部缺陷，其引起的损耗只占总损耗中的极 小部分，则测量其介质损耗因数不能灵敏的反映绝缘缺陷， 应尽量进行分解试验。下面通过公式来解释这一现象。设 备绝缘由多种材料、多种部件构成，可以看作是由许多并 联等值回路组成。

从上式分析，不难看出电容量对介质损耗因数的影响。 在测量多材料、多结构、多层绝缘介质的绝缘性能时，当 其中某一种或某一层的绝缘介质损耗因数偏大时，并不能有效地在总介质损耗因数值中反映出来，或者说介质损耗因数对反映绝缘的局部缺陷不灵敏。

ASTM D150介电常数测试仪—“介电常数"不是常数

关键词：电介质  常数  变量  张量

电介质经常是绝缘体，其例子包括瓷器、云母、玻璃、塑料和各种金属氯化物，有些液体和气体可以作为好的电介质材料，干空气是良好的电介质，并被用在可变电容器以及 某些类型的传输线，蒸馏水如果保持没有杂质的话是好的电介质，其相对介电常数约为80，介电常数是表示绝缘能力特性的一个系数。以字母ε表示，单位为法／米(F／m)、真空介电常数：标准值为ε₀=ce²/h=8.85×10^-12法／米(F／m)，c是光波在真空中的光速，相对介电常数ε_r是某种电介质的介电常数ε与真空介电常数ε₀之比,ε_r是无量纲的纯效,介电常数可能是常数也可能为变量,对于介电常数,顾名思义此量首先是一个常数，因此对介电常数的讨论，清楚的理解介电常效的物理意义及正确的运用，避免错误，更好的运用介电常数解决实际问题。

一、电介质的介电常数为张量

对于非各向同性电介质．同一点的P与E可以方向不 同．P的大小不仅与E的大小有关，而且还取决于E与电介质晶轴的夹角(“非各向同性性”)，为了描述P对E在直角坐标系的分量Px．Py．Pz与Ex．Ey．Ez的关系．对绝大多数非各向同性电介质．这一关系可以用如下方程表示:

其中X¹¹，X^12·…·X¹³…等9个常效是由电介质性质决定． 如果选择另一直角坐标系(由原来坐标系旋转得到)，则P及E的分量分别变为为：P‘x．P’y．P‘z及E’x．E‘y．E’z，他们的关系为：

其中X‘¹¹，X’^12·…·X‘³³…是另9个常数，仍然由电介质性质决定．对同一电介质同一点X¹¹，X^22·…·X³³…与X’¹¹，X^12·…·X³³…有一确定的关系·叫做张量关系，或说X¹¹，X^22·…·X³³…和X‘¹¹，X’^12·…·X‘³³…等18个数是同一个张量在不同坐标系中的分量．这个张量由电介质本身决定．叫做电介质的极化率张量。

同理由：

推得：

和：

以上公式可知电介质的介电常散是张量．若用一不变的常数表示的话会出错。

二、电容率为函数

一般物质对于含时外电场的响应．跟真空对于含时外电 场的响应大不相同．一般物质的响应．通常相依于外电场的频率．这属性反映出一个事实．那就是．物质的电极化响应 无法瞬时的跟上外电场．响应总是必须合乎因果关系．这要求可以表达于相位差．

请注意．时间相依性项目的正负号选择(指效函敷的指数的正负号)．裁定了电容率虚值部份的正负号常规，在这里采用的正负号惯用于物理学；在工程学里．必须逆反所有虚值部份的正负号．

一个介质对于静电场的响应．是由电容率的低频率极限来描述，又称为静电容率。

当频率等于或超过等离子频率时． 介电质的物理行为近似理想金属．可以用自由电子模型来计算。对于低频率交流电场．静电容率是个很好的近似．随着频率的增高．可测量到的相位差δ突袭出现于D和E之间． 出现时候的频率相依于温度和介质种类．在中等的电场强度E₀状况，D和E保持成正比。

由于介质对于交流电场的响应特征是复电容率，为了更详细的分析其物理性质，很自然地，必须分离其实数和虚值部份。

三、电介质的介电常数随温度而变化

温度影响气体和液体电介质．由于电介质单位体积内的极化粒子效、热离子松弛极化宰、偶极子转向极化率等都与温度有关，所以电介质的介电常数亦随温度发生变化．

由以上可知介电常数很多时候不是固定的一个值．是由其他条件影响的．会随时改变的．建议以后使用时都改为介电系数更确切．