絕緣油的介質(zhì)損耗因數(shù)特性

一、有關(guān)名詞術(shù)語的定義

介質(zhì) dielectric:能把帶電的導(dǎo)體隔開的媒質(zhì)。

介質(zhì)損耗dielectric loss:絕緣材料在電場作用下，由于介質(zhì)電導(dǎo)和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，在其內(nèi)部引起的能量損耗。

介質(zhì)損耗角 dielectric loss angle:在交變電場作用下電介質(zhì)內(nèi)部流過的電流相量和電壓相量之間的夾角(功率因數(shù)角)的余角(δ)。

(介質(zhì))損耗因數(shù) dielectric dissipation factor:又稱(介質(zhì))損耗角正切(loss tangent，tgδ)，介質(zhì)損耗角的正切值。

二、絕緣油的介質(zhì)損耗角的決定因素

絕緣油的介質(zhì)損耗通常以對(duì)介質(zhì)損耗角δ的正切值(tgδ)來表示，它由有功分量和無功分量兩部分組成。而有功分量又包括有效電流I(·)_i(直接在電場下的有功損耗)和吸收電流I(·)_r(在交流電壓下所形成的極化損耗)，無功部分就是電容電流I(·)_c(在高頻時(shí)還有電感電流)。這樣損耗值大小就是全部合成電流I(·)，見下圖。

絕緣油的介質(zhì)損耗相量圖

合成電流I(·)取決于有功電流，而在恒定的交流頻率下有效電流I(·)_i具有決定性的作用。實(shí)驗(yàn)證明:有效電流I(·)_i與油的內(nèi)分子狀況又有直接的關(guān)系，如在溫度影響下，黏度的變化是很好的例證。同時(shí)由于在不同黏度下，電子通過油中空穴的阻力是變化的，所以有效電流I(·)_i實(shí)際上也是溫度及黏度的函數(shù)。

一般油的介質(zhì)損耗角由下列三個(gè)主要因素所決定，即油的電導(dǎo)、空間電荷和雙極分子。

1.電導(dǎo)

油的電導(dǎo)所產(chǎn)生的損失是比較容易明了的，因?yàn)槿魏卫硐氲慕橘|(zhì)都是存在著極微的導(dǎo)電性。目前發(fā)現(xiàn)的一切絕緣液體介質(zhì)中，幾乎沒有一個(gè)是絕對(duì)不導(dǎo)電的。油的電導(dǎo)與油中的雜質(zhì)有很大關(guān)系。對(duì)于含有雜質(zhì)包括水分)的絕緣油，其電導(dǎo)就是由這些雜質(zhì)的電阻率所決定的。

2.空間電荷

空間電荷是由油的電極化性質(zhì)所決定的，但油的電極化性質(zhì)對(duì)于運(yùn)動(dòng)的離子速度來說，又是由電場頻率所決定的。當(dāng)頻率越高時(shí)，離子獲得的質(zhì)量越大，即離子在電場中互相牽制得越強(qiáng)，其介質(zhì)損耗值就會(huì)減小。

3.雙極分子

對(duì)于雙極分子，主要為電場下的中性分子轉(zhuǎn)變?yōu)闃O性分子之間的無功摩擦極性損耗，即熱損耗。如果電流的有功分量為常數(shù)時(shí)，這種無功分量所造成的熱損耗卻隨頻率的增高而增高(電感電流的增大)。在頻率f=10⁸ Hz時(shí):介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ有一極大值存在。

在工頻和規(guī)定的90℃試驗(yàn)溫度之下，損耗主要?dú)w于油的電導(dǎo)。

三、雜質(zhì)對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)值的影響

在含有雜質(zhì)的絕緣油中，雜質(zhì)在電場作用下將形成電場偶極化損失，因而使油的介質(zhì)總損耗增加。品質(zhì)非常純凈的油為非極性分子，其介質(zhì)損耗因數(shù)主要決定于油的電導(dǎo)。

四、水分對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)值的影響

水分是影響介質(zhì)損耗因數(shù)的重要因素，即使對(duì)于品質(zhì)十分純凈、沒有發(fā)生氧化的油，當(dāng)含有水分時(shí)，其對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響也是十分顯著。一般來說，因水分造成介質(zhì)損耗的增大，是基于油的電導(dǎo)值的增大。我們知道，純水并不是導(dǎo)體。但是油中的水，卻因?yàn)槿芙饬四承┑头肿佑袡C(jī)酸類(它能充分地被纖維素吸附)，而這些酸類又是絕緣油氧化不可避免的產(chǎn)物，因而成了良導(dǎo)體。

五、溫度對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)值的影響

1.好油

在一般情況下，介質(zhì)損耗因數(shù)與絕對(duì)溫度倒數(shù)成指數(shù)式關(guān)系變化。這是因?yàn)闇囟瓤梢愿淖冇偷奈锢硇再|(zhì)。在一定范圍內(nèi)，黏度是取決于溫度的，因?yàn)闇囟壬邥r(shí)油的黏度值減小，對(duì)油的電極化性質(zhì)來說，由于其離子在電場中所獲得的平均速度與離子的牽移率有關(guān)，而離子的牽移率的增長又與離子的質(zhì)量及油的黏度減低有關(guān)，所以當(dāng)溫度增加時(shí)，使油的電導(dǎo)性能加強(qiáng)。

2.壞油

老化的油的介質(zhì)損耗因數(shù)值隨溫度變化比好油要快得多，例如在20℃時(shí)，如果老化的油的tgδ只相當(dāng)于好油tgδ的2倍，那么在100℃就可能相差20倍。因此可能出現(xiàn)這種情況:油在20℃時(shí)tgδ合格，而在90℃時(shí)tgδ超過標(biāo)準(zhǔn)。所以應(yīng)盡可能采用在較高的溫度進(jìn)行。當(dāng)溫度提高到80~100℃，測得的介質(zhì)損耗值反映油的劣化及受潮程度的靈敏度較高，故GB/T 5654-2007《液體絕緣材料 相對(duì)電容率、介質(zhì)損耗因數(shù)和直流電阻率的測量》和GB/T 7595-2017 《運(yùn)行中變壓器油質(zhì)量》中規(guī)定測定的溫度為 90℃。

通常認(rèn)為初始值能較好地代表液體的實(shí)際狀態(tài)，因?yàn)樵谳^高溫度下，介質(zhì)損耗因數(shù)會(huì)隨試樣加熱及恒溫時(shí)間而變化，甚至不加電場時(shí)也是如此，故要求在溫度一達(dá)到平衡時(shí)就測量絕緣油介質(zhì)損耗因數(shù)值。