介质损失角正切tanδ测量仪器及方法

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    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、HSXJS-IV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1-5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İ̇g=0，即
        İ̇_CE＝İ̇_AC＝İ_X
        İ̇_DE＝İ_AD＝İ̇_N
        Ū̇_CE＝Ū̇_DE
        Ū̇_AD＝Ū̇_AC＝Ū̇_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1-5 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50Hz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İ̇ ̇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1-6所示。

图1-6 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RN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

表1-1 分流电阻值

分流位置	0.01	0.025	0.06	0.15	1.25
分流电阻	100﹢R3	60	25	10	4
可测最大电容值	3000	8000	19400	48000	40000

    所测得的Cx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1-7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1-8所示。被试品电流İ_x在B点被分成İ_n和İ₃两部分;
        İ_n／İ₃＝(R_N﹣R_n﹢R₃)／R_n，İ_x＝İ₃﹢İ_n 可得
        İ₃＝İ_x×[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1-7 QS1电桥反接线测量原理图

图1-8 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1-9所示。

图1-9 “-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İ_X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İ_X由于某种原因超前于İ_N，也可能是电流İ̇_X不变而由于某种原因使İ̇_N落后于İ̇_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1-10所示，当信号İ̇_g叠加于信号İ̇̇_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İ̇_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1-11所示，由于İ̇_N滞后于İ̇_X，故出现-tanδ值（tanδ_m＜0)测量结果。

图1-10 电场干扰下产生-tanδ的相量图

图1-11 标准电容tanδ_N＞tanδ_X时，产生-tanδ的相量图

    (3)空间干扰。如图1-12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İ̇_g使得İ̇_X超前于İ̇_N，造成-tanδ测量结果。

图1-12 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50Hz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%。

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来源：恒盛兴电力