电气绝缘测试技术5

1、电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 第三章第三章 电容相对介电常数及损耗因数的测量电容相对介电常数及损耗因数的测量电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 复习内容复习内容一、纯电感电路一、纯电感电路电压与电流的关系：电压与电流的关系：)90sin(cos)sin(tUtLIdttIdLdtdiLummm 由上式可知：由上式可知：（1）Um= LIm 即即LIUIUmm 线圈电感线圈电感L越大，交流电频率越高，则越大，交流电频率越高，则 L的值越大，也就是对的值越大，也就是对交流电流的阻碍作用越大，我们把这种交流电流的阻碍作用越大，我们把这种“阻力阻力”称作感抗，用称作感抗，用XL代表。代表。 XL=

2、L=2 fL电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 （2）电感两端电压超前电流相位）电感两端电压超前电流相位90 （或（或 /2弧度）弧度）（a）波形图）波形图 (b) 相量图相量图 (c) 瞬时功率图瞬时功率图图图1 1 纯电感电路的波形图与相量图纯电感电路的波形图与相量图电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 CIUIUmm1fCCXC211 电容器的电容电容器的电容C越大，交流电频率越高，则越大，交流电频率越高，则1/ C越小，也就是越小，也就是对电流的阻碍作用越小，我们把电容对电流的对电流的阻碍作用越小，我们把电容对电流的“阻力阻力”称作容抗，称作容抗，用用XC代表。代表。 XC与电容与电容C和频

3、率和频率f成反比。当成反比。当C一定时，电容器具有一定时，电容器具有隔直通交隔直通交的特性，当的特性，当f=0时，时，XC=，此时电路可视作开路，即，此时电路可视作开路，即“隔直隔直”作作用。用。二、纯电容电路二、纯电容电路电压与电流的关系：电压与电流的关系：)90sin()sin(tItCUdttUdCdtduCimmm（1）Im= Cum 即即电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 （2）电容的电流与它的端电压是同频率的正弦量，电流超前于）电容的电流与它的端电压是同频率的正弦量，电流超前于电压电压90 。 （a）波形图）波形图 （b）相量图）相量图 （c）瞬时功率图）瞬时功率图 图图2 纯电容电

4、路的波形图与相量图纯电容电路的波形图与相量图电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 第一节第一节 概述概述 相对介电常数和介质损耗因数是电介质与绝缘体的两个主要特相对介电常数和介质损耗因数是电介质与绝缘体的两个主要特性。性。 在不同应用场合下，对这两个特性的要求也不同，用于储能元在不同应用场合下，对这两个特性的要求也不同，用于储能元件，要求相对介电常数要大，使单位体积中的储能大；在用于一件，要求相对介电常数要大，使单位体积中的储能大；在用于一般绝缘体时，要相对介电常数小，以减小流过的电容电流。般绝缘体时，要相对介电常数小，以减小流过的电容电流。 在一般电气设备中用的电介质和绝缘体，都要求损耗因数小，

5、在一般电气设备中用的电介质和绝缘体，都要求损耗因数小，因为损耗因数大，不但消耗浪费电能，而且使介质发热，容易造因为损耗因数大，不但消耗浪费电能，而且使介质发热，容易造成老化或损坏，这在工作电场强度高、电压频率高的条件下尤为成老化或损坏，这在工作电场强度高、电压频率高的条件下尤为突出。突出。 为了检验评定电工设备、元件的性能，选择合适的绝缘材料，为了检验评定电工设备、元件的性能，选择合适的绝缘材料，就必须对其相对介电常数或电容、损耗因数进行测量。就必须对其相对介电常数或电容、损耗因数进行测量。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 一、相对介电常数一、相对介电常数(电容率电容率) 相对介电常数相对介电

6、常数r 是在同一电极结构中，电极周围充满介质时的是在同一电极结构中，电极周围充满介质时的电容电容CX 与周围是真空的电容与周围是真空的电容 C0 之比，即之比，即若电极为平行板电极，则若电极为平行板电极，则式中：式中：A电极面积（电极面积（m）; t电极间距离（电极间距离（m）；）； 测量测量r实际上是测量电容实际上是测量电容 CX 及电极、试品有关的尺寸。及电极、试品有关的尺寸。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 在标准大气压下，干燥空气的相对介电常数为在标准大气压下，干燥空气的相对介电常数为1.0053，因此工，因此工程上可以用空气电容代替真空电容程上可以用空气电容代替真空电容 C0，C0

7、称为几何电容。称为几何电容。绝对介电常数绝对介电常数在工程上，材料通常用相对介电常数来在工程上，材料通常用相对介电常数来 描述，而为了便描述，而为了便于叙述，于叙述，“相对相对”两字有时省略，简称为介电常数。两字有时省略，简称为介电常数。r0r电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 二、损耗因数二、损耗因数 介质损耗因数是试品在施加电压时所消耗的有功功率与无功功介质损耗因数是试品在施加电压时所消耗的有功功率与无功功率的比值，若绝缘体或介质本身没有损耗，则在电场中通过它的率的比值，若绝缘体或介质本身没有损耗，则在电场中通过它的电流与它两端的电压相位差为电流与它两端的电压相位差为 90。 若有损耗则相位

8、差为若有损耗则相位差为90-，如图，如图3所示。所示。 为介质损耗角，介为介质损耗角，介质损耗角的正切质损耗角的正切 tan即为介质损耗因数。即为介质损耗因数。图图3 介质损耗角示意图介质损耗角示意图电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 图图3 介质损耗角示意图介质损耗角示意图图图3 试品的等效阻抗试品的等效阻抗 a) 并联并联 b)串联串联 用电路的概念来描述，可以把介质损耗的绝缘体看成是电容和用电路的概念来描述，可以把介质损耗的绝缘体看成是电容和电阻并联或串联的等效阻抗，如图电阻并联或串联的等效阻抗，如图3所示。所示。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 对于并联等效阻抗对于并联等效阻抗对于串联等

9、效阻抗对于串联等效阻抗式中CP、CS分别为并联、串联等效阻抗中的电容；分别为并联、串联等效阻抗中的电容；RP、RS分别为并联、串联等效阻抗中的电阻；分别为并联、串联等效阻抗中的电阻； 电压角频率。电压角频率。 实际上介质损耗是很微小的，一般不能普通的功率表来测损耗实际上介质损耗是很微小的，一般不能普通的功率表来测损耗因数，而是把试品视为上述的等效阻抗，测得因数，而是把试品视为上述的等效阻抗，测得 1/(CPRP)或或 CsRs 以求得试品的以求得试品的tan。测得测得 1/(CPRP)或或 CsRs 以求得试品的以求得试品的tan。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 图图3 试品的等效阻抗试品的

10、等效阻抗 a) 并联并联 b)串联串联 上述等效电路是表示有损介质的一种电路模型，采用哪种等效上述等效电路是表示有损介质的一种电路模型，采用哪种等效电路由具体的问题确定，如果损耗主要由电导引起，一般应用并电路由具体的问题确定，如果损耗主要由电导引起，一般应用并联等效电路；如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻引起，联等效电路；如果损耗主要由介质极化及连接导线的电阻引起，则常用串联等效电路。则常用串联等效电路。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 对于对于tan两者完全等效，即两者完全等效，即同一电介质用不同的等效电路表示时，其等效电容和电阻不相等。同一电介质用不同的等效电路表示时，其等效电容和电阻

11、不相等。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 三、影响相对介电常数与介质损耗因数的因素三、影响相对介电常数与介质损耗因数的因素1、电压幅值、电压幅值 一般情况下，相对介电常数及损耗因数与施加的电压幅值无关；若一般情况下，相对介电常数及损耗因数与施加的电压幅值无关；若有夹层极化，在高场强下将会使相对介电常数及损耗因数增大；若在绝有夹层极化，在高场强下将会使相对介电常数及损耗因数增大；若在绝缘体中有气泡，在电压超过起始放电电压后，测得的相对介电常数及损缘体中有气泡，在电压超过起始放电电压后，测得的相对介电常数及损耗因数都会增大。耗因数都会增大。2、频率、频率 各种极化过程都需要一定时间，若这时间比交变

12、电场的周期长得多时，各种极化过程都需要一定时间，若这时间比交变电场的周期长得多时，这种极化就来不及完成，相对介电常数就变小，如图这种极化就来不及完成，相对介电常数就变小，如图4所示，频率低时，所示，频率低时，各种极化都存在，所以各种极化都存在，所以 r 就大，而就大，而频率高频率高时，夹层极化、偶极子极化时，夹层极化、偶极子极化可能来不及完成，只剩下电子极化、原子极化，所以可能来不及完成，只剩下电子极化、原子极化，所以 r就小就小了。了。电介质的极化：电介质在电场作用下，其束缚电荷相应与电场电介质的极化：电介质在电场作用下，其束缚电荷相应与电场方向产生弹性位移现象和偶极子的取向现象。方向产生弹

13、性位移现象和偶极子的取向现象。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 图图4 r、tan与频率的关系与频率的关系 损耗因数主要由偶极子极化、夹损耗因数主要由偶极子极化、夹层极化造成的，但若频率很低，当层极化造成的，但若频率很低，当交变电场的周期比该极化过程所需交变电场的周期比该极化过程所需的时间长得多时，极化完全跟得上的时间长得多时，极化完全跟得上电场变化而没有滞后现象，极化形电场变化而没有滞后现象，极化形成的电容电流与外加电压的相位差成的电容电流与外加电压的相位差为为90，这时也不会产生损耗，只，这时也不会产生损耗，只有在该极化有滞后现象时才会出现有在该极化有滞后现象时才会出现介质损耗，所以在介质

14、损耗，所以在 r 有变化时，介有变化时，介质损耗因数出现最大值，如图质损耗因数出现最大值，如图4所示。所示。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 3、温度、温度 温度升高温度升高会使分子间的束缚力减小，极化容易形成，因而会使分子间的束缚力减小，极化容易形成，因而介电常数增介电常数增大大；但当温度升高时，物质密度降低，而且分子间的热运动加剧，从而；但当温度升高时，物质密度降低，而且分子间的热运动加剧，从而使极化强度降低，如图使极化强度降低，如图5所示。所示。图图5 r、tan与温度的关系与温度的关系 在温度较低时，损耗因数也是在在温度较低时，损耗因数也是在介电常数变化时出现最大值，而在介电常数变化时

15、出现最大值，而在温度很高时，由于电导产生的介质温度很高时，由于电导产生的介质损耗占主要地位，介质损耗就和电损耗占主要地位，介质损耗就和电导一样随温度上升而指数式增长，导一样随温度上升而指数式增长，如图如图5所示。同时温度升高，极化松所示。同时温度升高，极化松弛时间减小，弛时间减小，tan随频率变化的最随频率变化的最大值向高频方向移动。大值向高频方向移动。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 4、湿度、湿度 水的相对介电常数很大（水的相对介电常数很大（r =81），同时），同时水分渗入水分渗入会起增塑作用，使会起增塑作用，使极化更容易形成，使得极化更容易形成，使得介电常数明显增大介电常数明显增大，再加上水的电导也较大，再加上水的电导也较大，损损耗因数也明显增大耗因数也明显增大。电气绝缘测试技术电气绝缘测试技术 四、试样与电极四、试样与电极 在工频电压下测量在工频电压下测量 r 和和 tan时，所用的试样和电极与第一章时，所用的试样和电极与第一章第二节所述的测量电阻时采用的基本一样。对于电极材料的导电第二节所述的测量电阻时采用的基本一样。对于电极材料的导电性能的要求更高，石墨电极一般不用。采