§1-4电介质中的能量损耗

教学要求：理解介质损耗的概念，掌握介质损耗的计算，理解各种电介质介质损耗随外加电压的大小、温度以及外加电压的频率的变化关系。

1、介质损耗的概念

介质在电压作用下有能量损耗。一种是由电导引起的损耗，另一种是由某种极化引起的损耗（如极性介质中偶极子转向极化、夹层极化等引起的损耗）。电介质的能量损耗简称为介质损耗。

（1）电介质的等值电路

当电介质两端施加交流电压的时候，由于介质中有电导损耗和极化损耗，所以流经电介质的电流是交流电流，包含有功电流与无功电流。（思考：当介质两端施加直流电压的时候，情况如何？）由此，可以得到电流相量图与功率三角形，如图1.2与1.3所示。

                     

图1.2 电流相量图                           图1.3 功率三角形

图1.2中，表示流过电介质的电流相量，表示电容电流，表示电导电流，表示电介质上的电压。表示有功损耗（电导损耗），表示无功损耗，表示总的功率损耗。且有：，。

通过图1.2及图1.3可以知道功率损耗为：

介质损耗角：介质损耗角为。一般用介质损耗角的正切来判断介质的品质。与一样是仅取决于材料的特性而与材料尺寸无关的物理量。

由此可以得到介质的等值电路。如果损耗主要是由电导引起，则常用并联等值电路；如果损耗主要是由介质极化及连接导线的电阻等引起，则常用串联等值电路。实际上对于有损介质，电导损耗和极化损耗都是存在的，则可用三个并联支路的等值回路来表示。其等值电路如图1.4所示。

图1.4 电介质在电场作用下的等值电路

图1.4中，反映的是电子式和离子式极化；支路反映吸收电流（空间电荷极化、偶极子极化等具有损耗的极化）；反映电导损耗。

此处需要注意的是，当在介质上施加的是直流电压的时候，其上面电流的变化过程如图1.5所示。

图1.5 介质上施加直流电压时的电流变化

（2）介质损耗角正切

介质损耗角正切即为介质在交流电压的情况下，功率因数角的余角的正切。一般用来考察介质损耗。

2、各种电介质的介质损耗

（1）气体电介质的介质损耗

考察各种电介质的介质损耗是考察各种电介质的介质损耗角正切的情况。

气体介质的介质损耗随外施电压的升高而增大。特别是当电压U超过电晕起始电压之后，急剧增加。这是因为电导增大，而取决于电导。

（2）液体电介质的介质损耗

①中性或弱极性液体电介质的损耗主要起因由于电导，所以损耗较小。所以其介质损耗与温度的关系和电导类似。

②极性液体电介质以及极性和中性液体的混合油都具有电导和极化两种损耗，故介质损耗与温度、频率都有关系。当温度较低的时候，电介质损耗较小；温度进一步升高，介质损耗增大，并到达一个最大值；当温度继续升高是，介质损耗减小，这是因为极化损耗的减小比电导损耗的增加要快；温度再升高的时候，电导损耗急剧增大，故又增大。

而当频率升高的时候，电介质损耗减小，这是因为极化程度变小。

（3）固体电介质的介质损耗

①中性或者弱极性固体电介质的损耗主要起因于电导，所以损耗较小，所以其介质损耗与温度的关系和电导类似。

②极性固体电介质的介质损耗与温度—频率的关系和极性液体相似。（实际上是极性固体电介质与频率的关系是随频率增大而增大。）