1、電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 第三章第三章 電容相對介電常數及損耗因數的測量電容相對介電常數及損耗因數的測量電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 復習內容復習內容一、純電感電路一、純電感電路電壓與電流的關系：電壓與電流的關系：)90sin(cos)sin(tUtLIdttIdLdtdiLummm 由上式可知：由上式可知：（1）Um= LIm 即即LIUIUmm 線圈電感線圈電感L越大，交流電頻率越高，則越大，交流電頻率越高，則 L的值越大，也就是對的值越大，也就是對交流電流的阻礙作用越大，我們把這種交流電流的阻礙作用越大，我們把這種“阻力阻力”稱作感抗，用稱作感抗，用XL代表。代表。 XL=

2、L=2 fL電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 （2）電感兩端電壓超前電流相位）電感兩端電壓超前電流相位90 （或（或 /2弧度）弧度）（a）波形圖）波形圖 (b) 相量圖相量圖 (c) 瞬時功率圖瞬時功率圖圖圖1 1 純電感電路的波形圖與相量圖純電感電路的波形圖與相量圖電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 CIUIUmm1fCCXC211 電容器的電容電容器的電容C越大，交流電頻率越高，則越大，交流電頻率越高，則1/ C越小，也就是越小，也就是對電流的阻礙作用越小，我們把電容對電流的對電流的阻礙作用越小，我們把電容對電流的“阻力阻力”稱作容抗，稱作容抗，用用XC代表。代表。 XC與電容與電容C和頻

3、率和頻率f成反比。當成反比。當C一定時，電容器具有一定時，電容器具有隔直通交隔直通交的特性，當的特性，當f=0時，時，XC=，此時電路可視作開路，即，此時電路可視作開路，即“隔直隔直”作作用。用。二、純電容電路二、純電容電路電壓與電流的關系：電壓與電流的關系：)90sin()sin(tItCUdttUdCdtduCimmm（1）Im= Cum 即即電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 （2）電容的電流與它的端電壓是同頻率的正弦量，電流超前于）電容的電流與它的端電壓是同頻率的正弦量，電流超前于電壓電壓90 。 （a）波形圖）波形圖 （b）相量圖）相量圖 （c）瞬時功率圖）瞬時功率圖 圖圖2 純電容電

4、路的波形圖與相量圖純電容電路的波形圖與相量圖電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 第一節第一節 概述概述 相對介電常數和介質損耗因數是電介質與絕緣體的兩個主要特相對介電常數和介質損耗因數是電介質與絕緣體的兩個主要特性。性。 在不同應用場合下，對這兩個特性的要求也不同，用于儲能元在不同應用場合下，對這兩個特性的要求也不同，用于儲能元件，要求相對介電常數要大，使單位體積中的儲能大；在用于一件，要求相對介電常數要大，使單位體積中的儲能大；在用于一般絕緣體時，要相對介電常數小，以減小流過的電容電流。般絕緣體時，要相對介電常數小，以減小流過的電容電流。 在一般電氣設備中用的電介質和絕緣體，都要求損耗因數小，

5、在一般電氣設備中用的電介質和絕緣體，都要求損耗因數小，因為損耗因數大，不但消耗浪費電能，而且使介質發熱，容易造因為損耗因數大，不但消耗浪費電能，而且使介質發熱，容易造成老化或損壞，這在工作電場強度高、電壓頻率高的條件下尤為成老化或損壞，這在工作電場強度高、電壓頻率高的條件下尤為突出。突出。 為了檢驗評定電工設備、元件的性能，選擇合適的絕緣材料，為了檢驗評定電工設備、元件的性能，選擇合適的絕緣材料，就必須對其相對介電常數或電容、損耗因數進行測量。就必須對其相對介電常數或電容、損耗因數進行測量。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 一、相對介電常數一、相對介電常數(電容率電容率) 相對介電常數相對介電

6、常數r 是在同一電極結構中，電極周圍充滿介質時的是在同一電極結構中，電極周圍充滿介質時的電容電容CX 與周圍是真空的電容與周圍是真空的電容 C0 之比，即之比，即若電極為平行板電極，則若電極為平行板電極，則式中：式中：A電極面積（電極面積（m）; t電極間距離（電極間距離（m）；）； 測量測量r實際上是測量電容實際上是測量電容 CX 及電極、試品有關的尺寸。及電極、試品有關的尺寸。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 在標準大氣壓下，干燥空氣的相對介電常數為在標準大氣壓下，干燥空氣的相對介電常數為1.0053，因此工，因此工程上可以用空氣電容代替真空電容程上可以用空氣電容代替真空電容 C0，C0

7、稱為幾何電容。稱為幾何電容。絕對介電常數絕對介電常數在工程上，材料通常用相對介電常數來在工程上，材料通常用相對介電常數來 描述，而為了便描述，而為了便于敘述，于敘述，“相對相對”兩字有時省略，簡稱為介電常數。兩字有時省略，簡稱為介電常數。r0r電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 二、損耗因數二、損耗因數 介質損耗因數是試品在施加電壓時所消耗的有功功率與無功功介質損耗因數是試品在施加電壓時所消耗的有功功率與無功功率的比值，若絕緣體或介質本身沒有損耗，則在電場中通過它的率的比值，若絕緣體或介質本身沒有損耗，則在電場中通過它的電流與它兩端的電壓相位差為電流與它兩端的電壓相位差為 90。 若有損耗則相位

8、差為若有損耗則相位差為90-，如圖，如圖3所示。所示。 為介質損耗角，介為介質損耗角，介質損耗角的正切質損耗角的正切 tan即為介質損耗因數。即為介質損耗因數。圖圖3 介質損耗角示意圖介質損耗角示意圖電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 圖圖3 介質損耗角示意圖介質損耗角示意圖圖圖3 試品的等效阻抗試品的等效阻抗 a) 并聯并聯 b)串聯串聯 用電路的概念來描述，可以把介質損耗的絕緣體看成是電容和用電路的概念來描述，可以把介質損耗的絕緣體看成是電容和電阻并聯或串聯的等效阻抗，如圖電阻并聯或串聯的等效阻抗，如圖3所示。所示。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 對于并聯等效阻抗對于并聯等效阻抗對于串聯等

9、效阻抗對于串聯等效阻抗式中CP、CS分別為并聯、串聯等效阻抗中的電容；分別為并聯、串聯等效阻抗中的電容；RP、RS分別為并聯、串聯等效阻抗中的電阻；分別為并聯、串聯等效阻抗中的電阻； 電壓角頻率。電壓角頻率。 實際上介質損耗是很微小的，一般不能普通的功率表來測損耗實際上介質損耗是很微小的，一般不能普通的功率表來測損耗因數，而是把試品視為上述的等效阻抗，測得因數，而是把試品視為上述的等效阻抗，測得 1/(CPRP)或或 CsRs 以求得試品的以求得試品的tan。測得測得 1/(CPRP)或或 CsRs 以求得試品的以求得試品的tan。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 圖圖3 試品的等效阻抗試品的

10、等效阻抗 a) 并聯并聯 b)串聯串聯 上述等效電路是表示有損介質的一種電路模型，采用哪種等效上述等效電路是表示有損介質的一種電路模型，采用哪種等效電路由具體的問題確定，如果損耗主要由電導引起，一般應用并電路由具體的問題確定，如果損耗主要由電導引起，一般應用并聯等效電路；如果損耗主要由介質極化及連接導線的電阻引起，聯等效電路；如果損耗主要由介質極化及連接導線的電阻引起，則常用串聯等效電路。則常用串聯等效電路。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 對于對于tan兩者完全等效，即兩者完全等效，即同一電介質用不同的等效電路表示時，其等效電容和電阻不相等。同一電介質用不同的等效電路表示時，其等效電容和電阻

11、不相等。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 三、影響相對介電常數與介質損耗因數的因素三、影響相對介電常數與介質損耗因數的因素1、電壓幅值、電壓幅值 一般情況下，相對介電常數及損耗因數與施加的電壓幅值無關；若一般情況下，相對介電常數及損耗因數與施加的電壓幅值無關；若有夾層極化，在高場強下將會使相對介電常數及損耗因數增大；若在絕有夾層極化，在高場強下將會使相對介電常數及損耗因數增大；若在絕緣體中有氣泡，在電壓超過起始放電電壓后，測得的相對介電常數及損緣體中有氣泡，在電壓超過起始放電電壓后，測得的相對介電常數及損耗因數都會增大。耗因數都會增大。2、頻率、頻率 各種極化過程都需要一定時間，若這時間比交變

12、電場的周期長得多時，各種極化過程都需要一定時間，若這時間比交變電場的周期長得多時，這種極化就來不及完成，相對介電常數就變小，如圖這種極化就來不及完成，相對介電常數就變小，如圖4所示，頻率低時，所示，頻率低時，各種極化都存在，所以各種極化都存在，所以 r 就大，而就大，而頻率高頻率高時，夾層極化、偶極子極化時，夾層極化、偶極子極化可能來不及完成，只剩下電子極化、原子極化，所以可能來不及完成，只剩下電子極化、原子極化，所以 r就小就小了。了。電介質的極化：電介質在電場作用下，其束縛電荷相應與電場電介質的極化：電介質在電場作用下，其束縛電荷相應與電場方向產生彈性位移現象和偶極子的取向現象。方向產生彈

13、性位移現象和偶極子的取向現象。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 圖圖4 r、tan與頻率的關系與頻率的關系 損耗因數主要由偶極子極化、夾損耗因數主要由偶極子極化、夾層極化造成的，但若頻率很低，當層極化造成的，但若頻率很低，當交變電場的周期比該極化過程所需交變電場的周期比該極化過程所需的時間長得多時，極化完全跟得上的時間長得多時，極化完全跟得上電場變化而沒有滯后現象，極化形電場變化而沒有滯后現象，極化形成的電容電流與外加電壓的相位差成的電容電流與外加電壓的相位差為為90，這時也不會產生損耗，只，這時也不會產生損耗，只有在該極化有滯后現象時才會出現有在該極化有滯后現象時才會出現介質損耗，所以在介質

14、損耗，所以在 r 有變化時，介有變化時，介質損耗因數出現最大值，如圖質損耗因數出現最大值，如圖4所示。所示。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 3、溫度、溫度 溫度升高溫度升高會使分子間的束縛力減小，極化容易形成，因而會使分子間的束縛力減小，極化容易形成，因而介電常數增介電常數增大大；但當溫度升高時，物質密度降低，而且分子間的熱運動加劇，從而；但當溫度升高時，物質密度降低，而且分子間的熱運動加劇，從而使極化強度降低，如圖使極化強度降低，如圖5所示。所示。圖圖5 r、tan與溫度的關系與溫度的關系 在溫度較低時，損耗因數也是在在溫度較低時，損耗因數也是在介電常數變化時出現最大值，而在介電常數變化時

15、出現最大值，而在溫度很高時，由于電導產生的介質溫度很高時，由于電導產生的介質損耗占主要地位，介質損耗就和電損耗占主要地位，介質損耗就和電導一樣隨溫度上升而指數式增長，導一樣隨溫度上升而指數式增長，如圖如圖5所示。同時溫度升高，極化松所示。同時溫度升高，極化松弛時間減小，弛時間減小，tan隨頻率變化的最隨頻率變化的最大值向高頻方向移動。大值向高頻方向移動。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 4、濕度、濕度 水的相對介電常數很大（水的相對介電常數很大（r =81），同時），同時水分滲入水分滲入會起增塑作用，使會起增塑作用，使極化更容易形成，使得極化更容易形成，使得介電常數明顯增大介電常數明顯增大，再加上水的電導也較大，再加上水的電導也較大，損損耗因數也明顯增大耗因數也明顯增大。電氣絕緣測試技術電氣絕緣測試技術 四、試樣與電極四、試樣與電極 在工頻電壓下測量在工頻電壓下測量 r 和和 tan時，所用的試樣和電極與第一章時，所用的試樣和電極與第一章第二節所述的測量電阻時采用的基本一樣。對于電極材料的導電第二節所述的測量電阻時采用的基本一樣。對于電極材料的導電性能的要求更高，石墨電極一般不用。采