介損測試原理及應(yīng)用(2010-12)

電壓作用下電介質(zhì)中產(chǎn)生的一切損耗稱為介質(zhì)損耗或介質(zhì)損失。如果介質(zhì)損耗很大，會使電介質(zhì)溫度升高，促使材料發(fā)生老化，如果介質(zhì)溫度不斷上升，甚至?xí)央娊橘|(zhì)融化、燒焦，喪失絕緣能力，導(dǎo)致熱擊穿，因此，電介質(zhì)損耗的大小是衡量絕緣介質(zhì)電性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。然而不同設(shè)備由于運(yùn)行電壓、結(jié)構(gòu)尺寸等不同，不能通過介質(zhì)損耗的大小來衡量對比設(shè)備好壞。因此引入了介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ（又稱介質(zhì)損失角正切值）的概念。

介質(zhì)損耗因數(shù)的定義是：介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ只與材料特性有關(guān)，與材料的尺寸、體積無關(guān)，便于不同設(shè)備之間進(jìn)行比較。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『測量介質(zhì)損耗因素的意義』測量介質(zhì)損耗因素的意義

等效模型：

當(dāng)對一絕緣介質(zhì)施加交流電壓時，介質(zhì)上將流過電容電流I1、吸收電流I2和電導(dǎo)電流I3，如圖所示。其中反映吸收過程的吸收電流，又可分解為有功分量和無功分量兩部分。電容電流和反映吸收過程的無功分量是不消耗能量的，只有電導(dǎo)電流和吸收電流中的有功分量才消耗能量。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『測量介質(zhì)損耗因素的意義』測量介質(zhì)損耗因素的意義

為了討論問題方便，可進(jìn)一步將等值電路簡化為由純電容和純電阻組成的并聯(lián)和串聯(lián)電路。

并聯(lián)模型串聯(lián)模型COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『測量介質(zhì)損耗因素的意義』測量介質(zhì)損耗因素的意義

測量介質(zhì)損耗因數(shù)tgδ判斷電氣設(shè)備的絕緣狀況是一種傳統(tǒng)的、十分有效的方法。它能反映出絕緣的一系列缺陷，如絕緣受潮，油或浸漬物臟污或劣化變質(zhì)，絕緣中有氣隙發(fā)生放電等。這時流過絕緣的電流中有功分量IRX增大了，tgδ也加大。按照電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程的規(guī)定，對多種電力設(shè)備（如電力變壓器、發(fā)電機(jī)組、高壓開關(guān)、電壓電流互感器、套管、耦合電容等）都需要做介質(zhì)損耗因素（tgδ）的測量。所以tgδ試驗(yàn)是一項(xiàng)必不可少而且非常有效的試驗(yàn)。能較靈敏地反映出設(shè)備絕緣情況，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。

COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『測量介質(zhì)損耗因素的意義』測量介質(zhì)損耗因素的意義tgδ試驗(yàn)與發(fā)現(xiàn)缺陷的關(guān)系

對絕緣的分布性缺陷反映很靈敏。介質(zhì)損耗因素試驗(yàn)所測定的是整體的tgδ值，能對絕緣的整體受潮、劣化變質(zhì)等分布性缺陷產(chǎn)生直接的，明顯的反映。因此，電氣設(shè)備交接和預(yù)防性試驗(yàn)中，介質(zhì)損耗因素（tgδ）項(xiàng)目已得到廣泛的應(yīng)用。

對大體積絕緣的集中性缺陷反映不靈敏，試品的體積越大，就越不靈敏。因此，對大容量的變壓器、整個發(fā)電機(jī)繞組以及較長的電力電纜進(jìn)行tgδ試驗(yàn)時，只能發(fā)現(xiàn)它們的分布性缺陷，而不容易發(fā)現(xiàn)可能存在的集中性缺陷。

對小體積絕緣的集中性缺陷和可以分解成部件的試品，tgδ試驗(yàn)仍然有一定的效果。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『測量介質(zhì)損耗因素的意義』測量介質(zhì)損耗因素的意義

西林電橋（如QS1）COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理

電流比較儀電橋（如QS30）

數(shù)字型高壓介損測試儀（目前廣泛使用的介損儀）介質(zhì)損耗測量電橋分類COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理西林電橋BR16高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器QS1高壓電容電橋

QS1電橋是80年代以前廣泛使用的現(xiàn)場介損測試儀器。試驗(yàn)時需配備外部標(biāo)準(zhǔn)電容器（如BR16型標(biāo)準(zhǔn)電容器），以及10kV升壓器及電源控制箱。需要調(diào)節(jié)平衡，結(jié)果需要換算，使用不太方便。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理西林電橋工作原理高壓西林電橋是由：交流阻抗器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、檢流計、高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器等組成。調(diào)節(jié)R3、C4使電橋平衡，此時a、b兩點(diǎn)電壓幅值相位完全相等，即R3、C4兩端電壓相等。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理西林電橋工作原理電橋平衡時：其中：代入化簡后得到：COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理西林電橋工作原理按復(fù)數(shù)相等實(shí)部、虛部分別相等的規(guī)定可得到：按并聯(lián)模型介損定義：由于R4是固定的3184Ω，頻率是50Hz、C4單位為μF時，tgδ=C4，因此可以直接在C4刻度盤上讀出介損測量值。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理西林電橋工作原理按復(fù)數(shù)方程中虛部相等可得到：由于tgδ很小，所以可以寫成：總結(jié)：現(xiàn)場使用QS1電橋時，需要先將升壓裝置，標(biāo)準(zhǔn)電容器和電橋等進(jìn)行連線，然后調(diào)節(jié)R3和C4，使得檢流計指示為零。這時電橋平衡。讀得C4值即為tgδ值，R3值經(jīng)過計算可得出被試品電容值?，F(xiàn)場操作使用比較麻煩，抗干擾能力差，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前電氣試驗(yàn)工作的需要。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理電流比較儀電橋工作原理電流比較儀電橋的工作原理是采用安匝平衡的原理。平衡過程見右圖，當(dāng)交流電源加在試品、標(biāo)準(zhǔn)電容器和電橋及地之間，在試品上產(chǎn)生一個電流Ix，在標(biāo)準(zhǔn)電容器上也產(chǎn)生一個電流In，當(dāng)兩個電流流過Wx、Wn時，由于Ix、In兩個電流的相位、幅值不相同，使Wd有電流Id產(chǎn)生，通過調(diào)整Wx、Wn、C、R使IxWx、InWn幅值相同，相位相反。這時Id等于0，平衡指示器指向零，表示電橋平衡。特點(diǎn)測量精度高，適合實(shí)驗(yàn)室高精度測量COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理數(shù)字式介損測試儀工作原理數(shù)字式介損測試儀基本測量原理是基于傳統(tǒng)西林電橋的原理基礎(chǔ)上，測量系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)側(cè)R4和被試側(cè)R3分別將流過標(biāo)準(zhǔn)電容器和被試品的電流信號進(jìn)行高速同步采樣，經(jīng)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換裝置測量得到兩組信號波形數(shù)據(jù)，再經(jīng)計算處理中心分析，分別得出標(biāo)準(zhǔn)側(cè)和被試側(cè)正弦信號的幅值、相位關(guān)系，從而計算出被試品的電容量及介損值。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理數(shù)字高壓介損測試儀工作原理智能型電橋的測量回路還是一個橋體。R3、R4兩端的電壓經(jīng)過A/D采樣送到計算機(jī)，求得:試品阻抗：進(jìn)一步計算可得：介損值可通過測量Ux與Un之間的相位計算得出tgδ值。測量相位的方法有很多種，如過零比較法，波形分析法（FFT變換）等等，也可采用測量有功分量和無功分量的方法來求得tgδ值。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理數(shù)字高壓介損測試儀工作原理特點(diǎn)：測量系統(tǒng)一體化，接線簡單無機(jī)械調(diào)節(jié)部件，不受人為因素影響便于實(shí)現(xiàn)各種抗干擾模式，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠只需簡單的設(shè)置（如試驗(yàn)電壓、接線方式），就可以實(shí)現(xiàn)全自動測量COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）原理』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）試驗(yàn)儀器及測量原理數(shù)字高壓介損測試儀工作原理

顯示控制單元人機(jī)界面，控制儀器的測量過程可程控的電子調(diào)壓10kV高壓電源產(chǎn)生測量用的高壓電源一般可以從0.5kV-10kV連續(xù)平緩升壓測量部分完成對標(biāo)準(zhǔn)回路和被試回路電流信號實(shí)時同步采樣，由計算機(jī)分析計算出tgδ及電容量。內(nèi)部組成COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式正接線UST試品不接地，橋體E端接地，在需要屏蔽的場合，E端也可用于屏蔽。此時橋體處于地電位，R3、C4可安全調(diào)節(jié)。各種介損測試儀器正接線接線方法基本一致。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式反接線GST這是一種標(biāo)準(zhǔn)反接線接法，在試品接地，橋體U端接地，E端為高壓端，在需要屏蔽的場合，E端也可用于屏蔽。此時橋體處于高電位，R3、C4需通過絕緣桿調(diào)節(jié)。這種方式橋體處于高電位，儀器內(nèi)部高低壓之間需要做好絕緣防護(hù)措施。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式側(cè)接線這是一種采用側(cè)接線代替反接線的接法，在試品一端接地（a點(diǎn)），E端為屏蔽端，U端為高壓端。此時橋體處于低電位，R3、C4可以安全調(diào)節(jié)。這種方式高壓電源、高壓線對地電容都將經(jīng)過R3回路與真正的試品電流混雜到一起，極易受到干擾。為提高精度，需要雙層屏蔽，消除內(nèi)部和外部干擾。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式高壓電流隔離反接線使橋體處于地電位，又能克服側(cè)接線易受干擾的缺陷的另一個方法就是使用高壓隔離電流傳感器（如采用光纖、電磁隔離）。采用高精度高壓傳感器，將高壓側(cè)采集的信號傳遞到低壓側(cè)進(jìn)行分析，使得測量單元始終處于低電位，既保證了準(zhǔn)確性，又保證了安全。此方法電流傳感器的精度會給測量帶來一定附加誤差。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式自激法測量CVT對于電容式電壓互感器的分壓單元，由于C1和C2連接處是封閉的，不能直接采用正接線測試，如果測量C1和C2的串聯(lián)值。由于與中間變壓器對地電容跟C1和C2形成“T形網(wǎng)絡(luò)”，如果中間變壓器介損較大，可能出現(xiàn)負(fù)值。因此應(yīng)采用自激磁法進(jìn)行測試。采用自激磁法測試C1原理如右圖：COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式自激法測量CVT測量C1時，C2與標(biāo)準(zhǔn)電容CN串聯(lián)，由于C2>>CN,串聯(lián)后標(biāo)準(zhǔn)臂電容≈CN，介損也取決于CN可看作零。通過二次繞組加壓在中間變壓器一次側(cè)感應(yīng)出高壓施加于試品上進(jìn)行測量。由于二次繞組容量及電容尾端絕緣水平限制，施加電壓不能超過3000V。一般采用2500V測量。測量C2原理與測量C1時相同。如有圖所示。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式』介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）測量方式自激法測量CVT由于C1較C2電容量要小，所以測量C2時，C1與Cn串聯(lián)等效的誤差就比較大。為了減小這種測量誤差，我們在測量C2的時候，以C1作為電橋的標(biāo)準(zhǔn)電容器，這樣可測得C2相對C1的容量比及相對介損值，由于第一次已經(jīng)將C1的介損及電容量測出，通過C1就可以推算出C2的值。另外用于串聯(lián)C1與標(biāo)準(zhǔn)電容器的導(dǎo)線對地電容與C1、Cn形成了T型網(wǎng)絡(luò)，對測量精度有影響。為了減小這種影響，一般可以采用將導(dǎo)線懸空減小對地電容的辦法，目前有些儀器已經(jīng)加了補(bǔ)償算法。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干擾方法』抗干擾方法干擾源介損測量受到的主要干擾是感應(yīng)電場產(chǎn)生的工頻電流。無論何種測量方式，它都會進(jìn)入橋體：COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干擾方法』抗干擾方法倒向法測量一次介損，然后將試驗(yàn)電源倒相180度再測量一次，取平均值。倒相法是抗干擾最簡單的方法，也是效果最差的方法。因?yàn)閮纱螠y量之間干擾電流或試品電流的幅度會發(fā)生波動，會引起明顯誤差。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干擾方法』抗干擾方法移相法另一種工頻抗干擾方法是采用大功率移相電源，調(diào)整試驗(yàn)高壓的相位，使試品電流與干擾電流方向相同或相反，這樣干擾電流影響減小，再配合倒相測量，能大大提高測量精度。再一種方法是采用小功率調(diào)幅調(diào)相信號源，從R3橋臂上抵消干擾電流（干擾抵償法），再配合倒相測量，能大大提高測量精度。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干擾方法』抗干擾方法變頻法干擾十分嚴(yán)重時，變頻測量能顯示更強(qiáng)的抗干擾能力。例如用55Hz測量時，測量系統(tǒng)采用了數(shù)字濾波技術(shù)，只允許55Hz信號通過，50Hz干擾信號被有效抑制。變頻測量時，儀器對流過標(biāo)準(zhǔn)電容的電流In和被試品的電流Ix進(jìn)行實(shí)時同步采樣。得到兩組包含有干擾及信號源的混合信號，儀器再運(yùn)用快速傅立葉變換算法，將混合信號中信號源的信號（如55Hz信號）與干擾源（如50Hz信號）信號分離。這樣就很容易把我們關(guān)心的信號源信號分離出來。達(dá)到了抗干擾的目的。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干擾方法』抗干擾方法變頻法由于介損值與試驗(yàn)頻率有關(guān)，為了更好地與50Hz下的介損值等效，通常儀器分別的50Hz±5Hz進(jìn)行兩次測量，再取平均值得到等效50Hz的介損值。為了使試驗(yàn)頻率更接近50Hz，有時也采用50Hz±2.5Hz進(jìn)行測量。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介損測試儀現(xiàn)場使用注意事項(xiàng)』影響tgδ的因素TextinhereTextinhere

介質(zhì)損耗因素不僅受到設(shè)備缺陷和電磁場干擾的影響，還受到溫度、電壓、頻率等的影響。1、溫度的影響tgδ與溫度的關(guān)系，隨著介質(zhì)的組成成分和結(jié)構(gòu)的不同而有顯著差異。一般不能將某一溫度下所測的tgδ準(zhǔn)確換算至另一溫度下的數(shù)值，因?yàn)椴煌^緣介質(zhì)或不同潮濕程度，各有不同的隨溫度變化的規(guī)律。目前一些溫度換算方法所得的數(shù)據(jù)也只是近似的。因此，tgδ測量工作最好在10～30℃范圍內(nèi)并與前次測量時相近的溫度下進(jìn)行，且符合《規(guī)程》的規(guī)定：“進(jìn)行絕緣試驗(yàn)時，被試品溫度不應(yīng)低于+5℃，戶外試驗(yàn)應(yīng)在良好的天氣進(jìn)行，且空氣相對濕度一般不高于80%。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介損測試儀現(xiàn)場使用注意事項(xiàng)』影響tgδ的因素TextinhereTextinhere2、頻率的影響

當(dāng)頻率為零時，tgδ亦為零。在一定的頻率范圍內(nèi)，tgδ隨著頻率的增加而增加。這是由于介質(zhì)極化的時間與交流半周期時間相等時，產(chǎn)生的介質(zhì)損耗最大。若頻率再增高時，則因時間太快，極化不完全（偶極子來不及排列），介質(zhì)損耗將隨著頻率的增加而減少。由于電氣設(shè)備均處在50Hz的工作頻率下，所以tgδ試驗(yàn)所采用的電源也應(yīng)滿足工頻范圍（通常為45～65Hz）。在異頻下測量時應(yīng)考慮頻率對介損的影響。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介損測試儀現(xiàn)場使用注意事項(xiàng)』影響tgδ的因素TextinhereTextinhere3、電壓的影響

當(dāng)外加電壓升高時，tgδ與電壓無直接的關(guān)系，只有在電壓上升到某一數(shù)值，即達(dá)到介質(zhì)的局部放電起始電壓以上時，tgδ才急劇增加。因?yàn)樵谝欢ǖ慕蛔冸妷鹤饔孟?，介質(zhì)中局部（夾雜的氣泡或雜質(zhì)）電場可能很強(qiáng)，從而首先放電，產(chǎn)生附加損耗，使tgδ隨著電壓的升高而增加。也有一部分試品在電壓升至一定值時介損值出現(xiàn)下降的情況。因此在較高電壓下（設(shè)備額定工作電壓下）測量tg