电气设备的介质损失角tgδ试验方法

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在电压作用下电介质中产生的一切损耗称为介质损耗或介质损失。如果电介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化(发脆、分解等)，如果介质温度不断上升，甚至会把电介质熔化、烧焦，丧失绝缘能力，导致热击穿，因此电介质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标。
    在外加交流电压作用下，绝缘介质就流过电流，电流在介质中产生能量损耗，这种损耗成为介质损耗。介质损耗很大时，就会使介质温度升高而老化，甚至导致热击穿。因此，介质损耗的大小就反映了介质的优劣状况。
    加交流电压时的等值电路：

图1-1 在绝缘物上加交流电压时的等值电路及相量图

 由相量图可知，介质损耗由I_R^＆产生，夹角I_R^＆大时， 就越大，故称δ为介质损失角，其正切值为
      tgδ＝I_R／I_C＝(U／R)／(U／ωC)＝1／ωCR    (1-1)
    介质损耗 P＝U²／R＝U²ωCtgδ    (1-2)
    由上式可见，当U、ω、C一定时，P正比于tgδ，所以用tgδ来表征介质损耗。
    当绝缘受潮、老化时，有功电流I_R将增大，tgδ也增大。通过测tgδ可以反映出绝缘的分布性缺陷。
    如果缺陷是集中性的，有时测tgδ就不灵敏，这是因为集中性缺陷为局部的，可以把介质分为缺陷和无缺陷的两部分；无缺陷的部分为R₁和C₁的并联；有缺陷部分为R₂和C₂的并联。当有缺陷部分占的比例很小时， 就很小，所以测整体的tgδ时就不易发现局部缺陷。
    在《电力设备预防性试验规程》中对电机、电缆等绝缘，因为缺陷的集中性及体积较大，通常不做此项试验；而对套管、电力变压器、互感器、电容器等则做此项试验。
    一、测量原理及方法
    介质损失角正切的测量方法：平衡测量法和角差测量法。
    平衡测量法为传统的测量方法，即高压西林电桥法。
    角差测量法，现代的数字式介损测量仪，采用变频抗干扰、数字处理DSP和傅立叶变换数字滤波技术，操作简单，精度高。
    1.用高压西林电桥法测量tgδ
    (1)接线：正接线、反接线、对角线接线法
    正接线用于两极对地绝缘的设备，用于试验室或绕组间测 。
    反接线用于现场被试设备为一极接地的设备，要求电桥有足够的绝缘。
    由于R₃和C₄处于高电位，为保证操作的安全应采取一定的措施。一个办法是将电桥本体和操作者一起放在绝缘台上或放在一个叫法拉第笼的金属笼里对地绝缘起来，使操作者与R₃、C₄处于等电位。另一种办法是人通过绝缘连杆去调节R₃和C₄。现场试验通常采用反接线试验方法。
    对角线接线用于被试设备为一极接地的设备且电桥没有足够的绝缘。

图1-2 QS1型西林电桥原理接线
(a)正接线  (b)反接线  (c)对角线接线
Z_X—被测绝缘阻抗；C_N—标准电容；R₃—可变电阻；C₄—可变电容；G—检流计

 (2)电桥测试中的注意事项
    在电桥测试中，有些问题往往容易被忽视，使测量数据不能反映被试设备的真实情况，常被忽视的问题有：
    A.外界电场干扰的影响。在电压等级较低(例如35kV电压等级)的电气设备tgδ测试中，容易忽视电场干扰的影响。
    B.高压标准电容器的影响。现场经常使用的BR-16型标准电容器，电容量为50pF，要求tgδ%＜0.1%。由于标准电容器经过一段时间存放、应用和运输后，本身的质量在不断变化，会受潮、生锈，如忽视了这些质量问题，同样会影响测试的数据。
    C.试品电容量变化的影响。在用QS1型西林电桥测量电气设备绝缘状况时，往往重视 值，而容易忽视试品电容量的变化，由此而产生一些事故。
    D.消除表面泄漏的方法。当测量电气设备绝缘的tgδ时，空气相对湿度对其测量结果影响很大，当绝缘表面脏污，且又处于湿度较大的环境中时，表面泄漏电流增加，对其测量结果影响更大。
    采取其有效的方法，如电热风法、瓷套表面瓷群涂擦法、化学去湿法等。
    E.测试电源的选择。在现场测试中，有时会遇到试验电压与干扰电源不同步，用移相等方法也难以使电桥平衡的情况。
    F.电桥引线的影响：
    引线长度的影响。分析研究表明，在一般情况下，C_X引线长度约为5～10m，其电容约为1500～3000pF；而CN引线约为1～1.5m，其电容约为300～500pF。当R₄＝3184欧和R₃较小时，对测量结果影响很小，但若进行小容量试品测试时，就会产生偏大的测量误差。
    高压引线与试品夹角的影响。测量小容量试品时，高压引线与试品的杂散电容对测量的影响不可忽视。
    引线电晕的影响。高压引线的直径较细时，当试验电压超过一定数时，就可能产生电晕。例如若用一般的导线做高压引线，当电压超过50kV后，就会出现电晕现象。电晕损耗通过杂散电容将被计入被试品的tgδ内。严重影响测量结果，并可能导致误判断。
    引线接触不良的影响。当QS1电桥高压线或测量引出线与被试品接触不良时，相当于被试支路串联一个附加电阻。该电阻在交流电压作用下会产生有功损耗并与被试品自身有功损耗叠加，使测量的介质损耗因数超过规定的限值，导致误判断。
    接线的影响。小电容(小于500pF)试品主要有电容型套管、3～110kV电容式电流互感器等。对这些试品采用QS1型电桥的正、反接线进行测量时，其介质损耗因数的测量结果是不同的。
    按正接线测量一次对二次或一次对二次及外壳(垫绝缘)的介质损耗因数，测量结果是实际被试品一次对二次及外壳绝缘的介质损耗因数。而一次和顶部周围接地部分的电容和介质损耗因数均被屏蔽掉(电桥正接线测量时，接地点是电桥的屏蔽点)。
    由于正接地具有良好的抗电场干扰，测量误差较小的特点，一般应以正接线测量结果作为分析判断绝缘状况的依据。
    2.角差测量法测量tgδ--异频抗干扰介质损耗测试仪
    由于介质损耗角很小，如果直接测量其角差很困难，因此，传统的测量方法均采用平衡测量法。随着计算机技术的进步，可以通过直接测量电压和电流的角差来测量tgδ，即角差法测量tgδ。这种方法免去了平衡测量法中需要调节平衡的繁琐，大大减少了试验的工作量。角差法测量方法很多，如图1-3所示为角差法典型的测量原理接线图，其工作原理如下：

图1-3 角差法(非平衡法)测量tgδ接线示意图

 测量tgδ实际上就是测量流过试品容性电流与全电流的相角差，在试验时同时测量流过标准电容器电流(其相角与流过试品的容性电流的相角一致)和流过试品的电流(全电流)，这样可测得到二者之间的相角差，从而可以计算tgδ的数值。采样电阻是无感精密电阻。测量回路将电流信号变为数字信号，通过傅立叶变换能精确稳定地测量畸变波形的相位差。但测量精度完全由高速高精度器件和计算处理的精度决定。考虑到正、反接线及高低压隔离问题，数据传输可以通过光纤传输或将数据转换为红外光并发送到接收器来进行隔离。

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