电气设备介质损失角正切tanδ测量仪器及方法

 测量tanδ仪器有平衡电桥法(QS1、QS3型西林电桥法)、不平衡电桥法(M型介质试验器)、瓦特表法、相敏电路法四种。最普遍应用测tanδ的仪器是QS1型高压西林电桥、YCJSY异频抗干扰介质损耗测试仪等。
    一、QS1型高压西林电桥工作原理
    QS1型高压西林电桥(简称QS1电桥)的原理接线如图1-1所示。不管采用正接线、反接线，电桥平衡时检流仪计G中的电流İ_g＝0，即
        İ_CE＝İ_AC＝İ_X
        İ_DE＝İ_AD＝İ_N
        Ū_CE＝Ū_DE
        Ū_AD＝Ū_AC＝Ū_X
    各桥臂复数阻抗值应满足
        Z₃Z_N＝Z₄Z_X                (4-8)
    式中 Z_X---被试品绝缘的等值阻抗；
         Z₄---R₄C₄并联的等阻值复阻抗。

图1-1 QS1电桥的原理接线图

 以Z₃＝R₃，Z_N＝1／(jωC_N)，Z₄＝1／[(1/R₄)﹢jωC₄]，Z_X＝1／[(1/R_X)﹢jωC_X]代入式(4-8)得，{1／[(1/R_X)﹢jωC_X]}×{1／[(1/R₄)﹢jωC₄]}＝R₃／(jωC_N)
    整理后 
        1／(R_XR₄)—ω2C_XC₄+j(ωC₄/R_X﹢ωC_X/R₄)＝j(ωC_N／R₃)                (4-9)
    令式(4-9)左右的实部相等即得
        1／(R_XR₄)—ω2C_XC₄＝0
        1／(ωR_XC_X)＝ωR₄C₄
    则有 
        tanδ＝1／(ωR_XC_X)＝ωR₄C₄                (4-10)
    在电桥中，取R₄＝104／π≈3184(Ω)当电源频率为50H_z时，ω＝2πf=100π则有
        tanδ＝2πf×(104／π)×106C₄  (C₄单位为F)
        tanδ＝C₄ (C₄单位为μF)                (4-11) 
    C₄是可调电容，当电桥调到平衡时，C₄的微法数就等于被试品的tanδ值。 
    由式(4-9)虚部相等可得 
        (ωC₄)／R_X﹢(ωC_X)／R₄＝(ωC_N)／R₃ 
        C_X＝(C_NR₄)／R₃×1／(1﹢tanδ)＝(C_NR₄)／R₃,pF                (4-12) 
    为了扩大可测得被试品电容值范围，也就是扩大允许的试品电流İ_X的范围，在电阻R₃旁并联可分档调节的分流电阻，可使最大可测试品电容由3000pF扩大到0.4μF，如图1-2所示。

图1-2 分流电阻接线图

 图中电桥的电阻R₃,与分流电阻接成电阻三角形，三角形三边全部电阻值为(100﹢R₃)Ω，电桥平衡后，电桥的左下臂电阻值R'₃为R_N与R₃并联后的电阻，即：
        R'₃＝[n(R₃﹢ρ)]／(100+ R₃)
    式中n---分流电阻值，可以从表1-1查得

 所测得的C_X为
        C_X＝C_N(R₄／R'₃)＝C_N{[R₄(100﹢R₃)]／n(R₃﹢ρ)}                (4-13)
    测量电量C_X对判断绝缘状况也有价值。如对耦合电容器，如果C_X明显增加，常表示电容层中间有短路或水分浸入；C_X明显减小，常表示内部渗油严重或层间有断线。
    二、QSI电桥的主要部件及参数
    (一)主要部件
    QS1电桥体包括桥及标准电容器，试验变压器三大部分。现以图1-3示出十五QS1电桥为例，分别介绍该电桥的各主要部分的作用。
    1.桥体调整平衡部分
    综上所述，电桥平衡是通过调整R₄、C₄和R₃来实现的。R₄是电阻值为3184Ω(1000／π)的无感电阻。C₄是由25只无损电容组成的可调十进制电容箱电容(5×0.1μF﹢10×0.1μF﹢5×0.001μF)，C₄的电容(μF)数值直接表示为tanδ的值，C₄的刻盘度未接电容值刻度，而是直接刻出tanδ的百分数。R₃是十进制电阻箱电阻值(10×1000Ω﹢100×10Ω﹢10×10Ω﹢10×1Ω)，它与滑线电阻ρ(ρ＝1.2Ω)串联，实现在0～11111.2Ω范围内连续可调的目的。由于R₃的最大允许值电流为0.01A。为扩大测量电容的范围，当被试品电容量大于3184pF时。应接入分流电阻R_N(R_N=100Ω，包括ρ=1.2Ω在内)，接入R_N后与R₃形成三角形电阻回路，如图1-4所示。被试品电流İx在B点被分成İ_n和İ₃两部分：
        İn／İ3＝(R_N﹣R_n﹢R₃)／R_n，İ_x＝İ₃﹢İ_n 可得
        İ3＝İx×[R_n／(R_N+R₃)]
    因为R₃≥R_n，所以İ₃≤İ_x，保证了电流不超过允许值；而且在转换开关B上降压就很小，避免分流转换器开关接触电阻对桥体的影响，保证了测量的准确性。

图1-3 QS1电桥反接线测量原理图

图1-4 QS1电桥接入分流电阻测量原理图

 2.平衡性指示器
    桥体内装有振动式交流计G作为平衡指示器，当振动式检流计线圈通过电流时，将产生交变磁场，这一磁场使得贴在吊丝上的小磁钢振动，并通过光学系统将这一振动反射到面板玻璃上，通过观察面板毛玻璃上的光带宽窄，即可知道电流的大小。面板上的“频率调节”旋钮与检流计内另一永久磁铁相连，转动这一旋钮可改变磁钢及吊丝的固有振动频率，使之与所测电流谐振，检流计大最大灵敏，这就是所谓的“调谐振”。“调零“旋钮是用来调节检流计光带的零点位置的，检流计的灵敏度是通过改变与检流计线圈并联的分流阻值来调节的。分流阻值共有11位置，其值的改变通过面板上的灵敏度转换开关进行，可从0增至10000Ω.当检流仪与电流精确共振，灵敏转换开关在10”位置时，检流计光带缩至最小，即认为电桥平衡。
    检流仪主要技术参数为：
    (1)电流常数不大于12×10-8A/mm；
    (2)阻尼时间不大于0.2s；
    (3)线圈直流电阻为40Ω；
    3.过电压保护装置。
    在R₃、Z₄臂上分别并联了一只放电电压为300V的放电管作为过电压保护。当电桥在使用中出现试品击穿或标准电容器击穿时，R₃、Z₄将承受全部试电电压，可能损坏电桥，危机人身安全，故采用了R₃、Z₄并联放电管的过电压保护措施。
    4.标准的电容器C_N
    QS1电桥多采用BR-16型标准电容，内部为CKB50/13型真空电容器，其工作电压为10kV,电容量为50±1pF，tanδ_N≤0.1%.真空电容器的玻璃泡上的高、低压引起出现端子间无屏蔽，壳内空气潮湿时，表面泄漏电流增大，常使tanδ较小的试品出现负的tanδ的测量结果。标准电容器内有硅胶，需要经常更换保证壳内空气干燥。
    当用正接线测量试品时tanδ，需要更高的电压时，须选用工作电压10kV以上的标准电容器。
    5.转换开关位置“-tanδ”
    电桥面板上有一转换开关位置“-tanδ”，一般测量过程中当转换开关在“﹢tanδ”位置不能平衡时，可切换于“-tanδ”位置测量，切换后电容C₄改为与R₃并联，如图1-5所示。

图1-5 “-tanδ”测量原理图

 电桥平衡时，
        Z_XZ₄=Z_NZ₃
    将Z_X＝R_X／(1+jωR_XC_X)，Z_N＝1／(jωC_N)，Z₃＝R₃／(1+jωR₃C₄)，Z₄＝R₄代入 求解，可得
        C_X＝R₄／R₃×R_N
        tanδ_r＝1／(ωR_XC_X)＝ωR₃(﹣C₄)×10^-6
    式中 tanδ_r---实际试品的负介质损耗因数值；
         -C₄--断臂，“-tanδ”测量值，即“-tanδ”读数  
    应当指出，“-tanδ”是没有物理意义的，仅仅是一个测量结果。出现这样的测量结果意味着流过电桥R₃的电流İX超前于流过电桥Z₄臂的电流İ_N,这既可能是İ_N,不变的电流İX由于某种原因超前于İ_N，也可能是电流İ_X不变而由于某种原因使İ_N落后于İ_X，还可能是上述两种原因同时存在的结果。
    “-tanδ”的测量值，并不是试品的实际介质损耗因数值，即“-tanδ”测量值不是实际试品的tanδ值。测量中得到的“-tanδ”时，首先应将其按式4-14换算为实际试品的介质损耗因数值，即
        tanδ_r＝ωR₃(-C₄)×10^-6
        ＝314R₃(-C₄)×10^-6
        ＝(106／3184)R₃(-C₄)×10^-6
        ＝R₃／R₄(-C₄)＝R₃／R₄(-tanδ)
    为方便计算，一般令
        tanδ_r＝(R₃／R₄)|-tanδ|
    如一试品在“-tanδ”测得R₃=500Ω，ρ=,0.4Ω，tanδ(%)＝-12，代入式(4-15)中得
        tanδ_r＝(R₃／R₄)|-tanδ|＝500.4／3184|-12|＝1.88
    接入分流电阻后，换算公式为
        tanδ_r＝100R₃／[(R₃+100)R₄]|-tanδ|
        由于出现一个“-tanδ”均须倒相测量，上述换算值可作为倒相的一个测量计算值计算。
    -tanδ产生主要原因有：
    (1)强电场干扰。如图1-6所示，当信号İg叠加于信号İ_X时，造成叠加信号即流过电桥第三臂R₃的电流R'_x相位超前于İ_N，造成-tanδ值(-tanδ_m＜0)。这种情况只有把切换开关置于“-tanδ”时，电桥才能平衡。
    (2)tanδ_N＞tanδ_X。当电容器真空饱受潮湿后，其tanδ_N值大于被试品的tanδ_X值，如图1-7所示，由于İ_N滞后于İ_X，故出现-tanδ值(tanδ_m＜0)测量结果。

图1-6 电场干扰下产生-tanδ的相量图

图1-7 标准电容tanδ_N＞tanδ_X时，产生-tanδ的相量图

 (3)空间干扰。如图1-8所示，测量有抽取电压装置的电容式套管时，当装有抽取电压装置的套管表面脏污，测量电容器C₁和抽取电压的电容C₂串联时等值介质损耗因数时，抽取电压套管表面脏污造成的电流İ_g使得İ_X超前于İ_N，造成-tanδ测量结果。

图1-8 测量有电压抽取装置的电容式套管时的原理接线图和产生-tanδ的相量图
(a)原理接线图；(b)相量图

 另外，如出现接线错误等其他情况时，也会出现-tanδ测量结果。
    (二)QS1电桥的技术参数
    高压50H_z测量时QS1电桥的技术参数
    (1)tanδ测量范围为0.005～0.6
    (2)测量电容范围为0.3×10^-3～0.4μF
    (3)tanδ值的测量误差：当tanδ为0.005～0.03时，绝对误差不大于±0.003，当tanδ为0.03～0.06时，相对误差不大于测定值的±10%
    (4)电容量测量误差不大于±5%。
    低压50H_z测量时QS1电桥的参数：
    (1)tanδ测量范围及误差与高压测量相同
    (2)电容测量范围：标准电容为0.001μF时，测量范围为0.3×10^-3～10μF，标准电容为0.01μF时，测量范围为0.3×10^-3～100μF
    (3)电容测量误差为测定值的±5%。
    三、YCJSY异频抗干扰介质损耗测试仪
    YCJSY抗干扰介质损耗测试仪是发电厂、变电站等现场全自动测量各种高压电力设备介损正切值及电容量的高精度仪器。主电源的频率为45H_z和55H_z，避开了工频电场对试品的干扰，从根本上解决了强电场干扰下准确测量的难题。同时适用于全部停电后用发电机供电的场合。
    该仪器可用正、反接线方法测量不接地或直接接地的高压电器设备。同时还可以测试全密封的CVT(电容式电压互感器)。
    (一)仪器特性
    1.仪器采用复数电流法，测量电容、介质损耗及其它参数。测试结果精度高，便于实现自动化测量；
    2.仪器采用了变频技术来消除现场50H_z工频干扰，即使在强电磁干扰的环境下也能测得可靠的数据；
    3.仪器采用大屏幕液晶显示器，测试过程通过汉字菜单提示既直观又便于操作；
    4.仪器操作简便，测量过程由微处理器控制，只要选择好合适的测量方式，数据的测量就可在微处理器控制下自动完成；
    5.一体化机型，内附标准电容和高压电源，便于现场测试，减少现场接线；
    6.仪器测量准确度高，可满足油介损测量要求，因此只需配备标准油杯，和专用测试线即可实现油介损测量；
    7.设CVT测试功能，可实现CVT的自激法测试，无需外置附件，一次测量C₁，C₂的电容和介损全部测出；
    8.反接线测试采用ivddv技术,消除了以往反接线数据不稳定的现象；
    9.当试品为阻性时候，自动显示电阻值；
    10.过流保护功能，在试品短路或击穿时仪器不受损坏；
    11.接地保护功能，当仪器不接地线或接地不良时，仪器不进入正常程序，不输出高压；
    12.触电保护功能，当仪器操作人员不小心触电时候，仪器会立即切断高压，保障试验人员的安全。
    (二)技术参数
    1.量    程：电容值：4pF～60nF    介损值：0～100%
    2.精    度：
      电容精度：±(1.0%读数+5pF)
      介损精度：±(1%读数+0.04%)
    3.分 辨 率：
      电容分辨率：最小可分辨0.001pF
      介损分辨率：最小可分辨0.001%
    4.高压电源：设定范围：0.5kV～10kV    最大输出电流：200mA
    5.低压输出：输出电压：3V～50V        输出电流：3A～30A
    6.工作环境：
      工作电源：AC220V±10%，50±1H_z
      工作温度：0～40℃
      环境湿度：≤90%RH，不结露