摘要：电力系统中检测高压设备的运行可靠性和发现电气绝缘方面缺陷，电介质损耗角的测量必不可少。电介质损耗角是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。本文介绍了介质损耗角的基本概念和其意义，简单分析了介质损耗角检测的方法。
关键词：电介质损耗角；方法；测量；因素
一.引言
1.电介质损耗角研究的意义
电气设备是组成电力系统的基本元件，是保证供电可靠性的基础。无论是大型关键设备如发电机、变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发生失效，必将引起局部甚至全部地区的停电。而导致设备失效的主要原因是其绝缘性能的劣化。绝缘劣化有很多原因，不仅电应力可引起绝缘劣化，导致绝缘故障，而且机械力或热得作用，或者和电场的共同作用，最终也会发展为绝缘性故障。鉴于绝缘故障在电力故障中所占的比重及其后果的严重性，电力运行部门历来十分重视电气设备的绝缘监督。
电介质的电气特性，主要表现为它们在电场作用下的导电性能、介电性能和电气强度，它们分别以四个主要参数，即电导率（或绝缘电阻率）、介电常数、介质损耗角正切和击穿场强来表示。电介质损耗角是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。电介质损耗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，因此测量介质损耗角是研究绝缘老化特征及在线监视绝缘状况的一项重要内容。而在实际测量中，由于电介质损耗很小，所以需要测量系统有较高的测量精度，这样才能正确及时地反映电介质损耗的变化。对于电容型绝缘设备，通过对其介质特性的监视，可以发现尚处于早期发展阶段的缺陷。
2.电介质损耗角正切的理论基础
对电介质施加正弦波电压，外施电压与相同频率的电流之间相角的余角的正切值。其物理理论基础为
二.电介质损耗与电介质损耗角
1.电介质损耗
电介质在电场作用下（加电压后），要发生极化过程和导电过程。有损极化过程中有能量损耗；在导电过程中，电导性泄漏电流流过绝缘电阻当然也有能量损耗。损耗程度一般用单位时间内损耗的能量，即损耗功率表示。电介质出现功率损耗的过程称为介质损耗。
显然，介质损耗过程随极化过程和电导过程同时进行，话句话说，由于极化、电导过程的存在也有损耗过程。电介质损耗掉得能量也就是电能全部转变成了热能，使电介质温度升高。若介质损耗过大，则电介质温度将升得过高，这将加速电介质的热分解与老化，最终导致绝缘性能的完全失去。
2.电介质损耗角
介质损耗角是在交变电场下，电介质内流过向量和电压向量之间的夹角（即功率向量角）的余角，简称介损角，常用百分数（%）来表示如下图1—1所示。
图1—1 介质在交流电压的等值电路和向量图
a 示意图 b 等值电路 c 向量图
在交流电压下，流过电介质的电流包含有功分量和无功分量，即
由图1—1可以看出，此时的介质功率损耗
(1--1)
式中 ----电源角频率；
----功率因数角；
-----介质损耗角。
采用介质损耗P作为比较各种绝缘材料损耗特性优劣的指标是不合适的，因为P值得大小与所加电压U、试品电容量、电源频率等一系列因素有关，而式中的切是一个仅仅取决于材料损耗特性，而与上述种种因素无关的物理量。正因于此，通常均采用介质损耗角正切作为综合反映电介质损耗特性优劣的指标，测量和监控各种电力设备绝缘的值已成为电力系统中绝缘预防性试验的最重要项目之一。
有损介质更细致的等值电路如图1—2所示
图1—2 电介质的三条支路等值电路和向量图
a 等值电路 b向量图
图中 ----介质无损极化；
， ----各种有损极化；
----电导损耗。
在这个等值电路上加上直流电压时，电介质中流过的将是电容电流、吸收电流和传导电流。在电容电流在加压瞬间数值很大，但迅速下降到零，是一极短暂的充电电流；吸收电流则随着加电压时间增长而逐渐减小，比充电电流的下降要慢得多，约经数十分钟才衰减到零，具体时间长短取决于绝缘的类型、不均匀程度和结构；传导电流是唯一长期存在的电流分量。这三个电流分量加在一起即得出吸收曲线，如图1—3所示。
上述三条支路等值电路可进一步简化为电阻、电容的并联等值电路或串联等值电路。若介质损耗主要由电导所引起，常用并联等值电路；如果介质损耗主要由极化所引起，常用串联等值电路。
三.等值电路
1.并联等值电路
如果把图1—2中的电流归并成由有功电流和无功电流两部分组成，即可得到图1—1b所示并列电路，图中代表无功电流的等值电容、则代表有功电流的等值电阻。其中
介质损耗角正切等于有功电流和无功电流的比值，即
此时电路的功率损耗为：
可见与式（1--1）所得介质损耗完全相同。
2.串联等值电路
用一只理想的无损耗电容和一个电阻相串联的等值电路来代替，如果1—3a所示。且由如1—3b的向量图可得：
由于，，所以电路的功率损耗将为：
因为介质损耗角值很小，，所以
由并联等值电路和串联等值电路可知，串联等值电路中的电阻要比并联等值电路中的电阻小得多。
图1—3 电介质的简化串联等值电路及向量图
a 串联等值电路 b 向量图
四.介质损耗角正切的测量
由于介质的功率损耗与介质损耗角正切成正比，所以是绝缘品质的重要指标，测量值是判断电气设备的绝缘状态的一项灵敏有效方法。能反映绝缘的整体性缺陷（例如全面老化）和小电容试品中的严重局部缺陷。由于随电压而变化的曲线，可判断绝缘是否受潮、含有气泡及老化程度。但是测量不能灵敏地反映大容量发电机、变压器和电力电缆绝缘中的局部性缺陷，这是应尽可能将这些设备分解成几部分，然后分别测量它们的，值得测量，最常用的是高压交流电桥，即西林电桥法。
1.西林电桥原理
西林电桥的接线原理如图1—4所示。其中被试品以并联等值电路表示，其等值电容和电阻分别为和；为可调的无感电阻；为高压标准电容器的电容；为定值无感电阻；为交流检流计。
在交流电压的作用下，调节和，使电桥到达平衡，即通过检流计的电流为零，说明此时两点间无电压差，因而
可得
（1--2）
桥臂CA，AD中流过的电流相等，均为；桥臂CB，BD中流过的电流也相等，均为.所以各桥臂电压之比亦即相应桥臂阻抗之比，由上式（1--2）可写出：
或 （1--3）
式中
分别代入（1--3），并使等式两侧实数部分与虚数部分各各相等，即可求得试品电容和等值电阻
因为介质并联等值电路的介质损耗角正切
（1--4）
如果被试品用和的串联等值电路表示，则，代入后，等到的介质损耗角也一样。
因为，如果取，并取的单位为，则式1—4可以简化为
同时，试品的电容可按下式求得
2.测量的影响因素
a) 外界电磁场的干扰影响
外界电磁场的干扰包括实验用高电压电源和实验现场高压带电体所引起的电场干扰，因为在这些高压源与电桥各元件及其连接之间存在着杂散电容，产生的干扰电流如流过桥臂就会引起测量误差。
另一方面，在现场测试条件下，电桥往往处于一个相当显著的交变磁场中，这是电桥接线也会感应出一个干扰电势，对电桥的平衡产生影响，也将导致测量误差。消除干扰的方法就是金属屏蔽网和屏蔽电缆。
b) 温度的影响
温度对值影响很大，具体的影响程度随绝缘材料和结构的不同而异。一般来说，值随温度的增高而增大。现场试验时的绝缘温度是不一定的，所以为了便于比较，应将在各种温度下测量值换算到20℃时的值。
c) 试验电压的影响
一般来说，良好的绝缘在额定电压范围内，其值几乎保持不变，如图1—4曲线1所示。如果绝缘内部存在空隙或气泡时，情况就不同了，当所加的电压不足以是气泡电离时，值与电压的关系与良好绝缘没有什么差别，但当所加电压大到能引起气泡电离或者发生局部放电时，值开始随电压U的升高而增大，电压回落时电离要比电压上升时更快，因而会出现闭环状曲线，如图1—4曲线2所示。如果绝缘受潮，则电压较低时的值就已相当很大，电压升高时，值更将急剧增大；电压回落时，值也要比电压上升时要更大一些，因而形成不闭环的分叉曲线，如图1—4曲线3所示，主要原因是介质的温度因热而提高了。求出与电压的关系，有助于判断绝缘的状态和缺陷类型。
图1—4 与实验电压的典型关系曲线
1—良好的绝缘体 2--绝缘中存在气隙
3—受潮绝缘
d) 试品表面泄漏的影响
试品表面泄漏电阻总是与试品等值电阻并联着，显然会影响所测得的值，
e) 试品电容量的影响
对于电容较小的试品，测得能有效的发现局部集中性缺陷和整体分布性缺陷。但对于电容较大的试品，测量值只能发现整体分布性缺陷，因为集中性缺陷引起的介质损耗增大值只是只占总损耗的一个很小的部分，因而用测量的方法来判断绝缘状态就很不灵敏了，对于可以分解成几个彼此绝缘的被试品，可分别测量其各个部分的值，更能有效地发现缺陷。
五.结论
介质损耗是指在一定电压作用下，介质所产生各种形式的损耗。在工程实际测试中，介质损耗是用介质中流过的电流的有功分量和无功分量的比值来表示，即值。它与绝缘材料的性质有关，而与它的结构、形状、几何形状等无关，的大小是绝缘优劣的体现。
介质损耗角正切值又称介质损耗因素或简称介损。测量介质损耗因素是一项灵敏度很高的实验项目，它可以发现电力设备绝缘整体受潮、劣化变质以及小体积被试设备贯通和未贯通的局部缺陷。而用测量绝缘电阻检测，受潮前后等的数值相差不大。由于测量介质损耗因素具有较高的灵敏度，所以在电工制造及电力设备交接和预防性试验中得到广泛的应用。
高电压电气设备中，对绝缘介质损耗的测量具有很重要的意义。在高压预防性试验中，介质损耗因素的测量属于高准确度测量，通常是在被测试品两端加以工频50Hz的高电压，使被测试品流过一个极其微小的电流，利用电压与电流之间夹角的余角的正切值来反映被测试品的介质损耗大小。
六．参考文献
【1】 赵智大.高电压技术.中国电力出版社,2006.8:53～55,79～82.下载本文
