关于介质损耗的一些基本概念

关于介质损耗的一些基本概念

（泛华电子）

1、介质损耗

什么是介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。也叫介质损失，简称介损。

2、介质损耗角δ

在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角Φ)的余角(δ)。简称介损角。

3、介质损耗正切值tgδ

又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。介质损耗因数的定义

如下:

如果取得试品的电流相量和电压相量，则可以得到如下相量图：

总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此：

这正是损失角δ=(90°-Φ)的正切值。因此现在的数字化仪器从本质上讲，是通过测量δ或者Φ得到介损因数。

测量介损对判断电气设备的绝缘状况是一种传统的、十分有效的方法。绝缘能力的下降直接反映为介损增大。进一步就可以分析绝缘下降的原因，如：绝缘受潮、绝缘油受污染、老化变质等等。

测量介损的同时，也能得到试品的电容量。如果多个电容屏中的一个或几个发生短路、断路，电容量就有明显的变化，因此电容量也是一个重要参数。

4、功率因数cosΦ

功率因数是功率因数角Φ的余弦值，意义为被测试品的总视在功率S中有功功率P所占的比重。功率因数的定义如下:

有的介损测试仪习惯显示功率因数(PF:cosΦ)，而不是介质损耗因数(DF:tgδ)。一般cosΦ

5、高压电容电桥

高压电容电桥的标准通道输入标准电容器的电流、试品通道输入试品电流。通过比对电流相位差测量tgδ，通过出比电流幅值测量试品电容量。因此用电桥测量介损还需要携带标准电容器、升压PT和调压器。接线也十分烦琐。

国内常见高压电容电桥有：

6、高压介质损耗测量仪

简称介损仪，是指采用电桥原理，应用数字测量技术，对介质损耗角正切值和电容量进行自动测量的一种新型仪器。一般包含高压电桥、高压试验电源和高压标准电容器三部分。

AI-6000利用变频抗干扰原理，采用傅立叶变化数字波形分析技术，对标准电流和试品电流进行计算，抑制干扰能力强，测量结果准确稳定。

国内常见高压介质损耗测量仪有：

7、外施

使用外部高压试验电源和标准电容器进行试验，对介损仪的示值按一定的比例关系进行计算得到测量结果的方法。

8、内施

使用介损仪内附高压电源和标准器进行试验，直接得到测量结果的方法。

9、正接线

用于测量不接地试品的方法，测量时介损仪测量回路处于地电位。

10、反接线

用于测量接地试品的方法，测量时介损仪测量回路处于高电位，他与外壳之间承受全部试验电压。

11、常用介损仪的分类

现常用介损仪有西林型和M型两种，QS1和AI-6000为西林型。

12、常用抗干扰方法

在介质损耗测量中常见抗干扰方法有三种：倒相法、移相法和变频法。AI-6000采用变频法抗干扰，同时支持倒相法测量。

13、准确度的表示方法

tgδ：±（1%D+0.0004）

Cx：±（1%C+1pF）

+前表示为相对误差，+后表示为绝对误差。相对误差小表示仪器的量程线性度好，绝对误差小表示仪器的误差起点低。校验时读数与标准值的差应小于以上准确度，否则就是超差。

14、抗干扰指标

抗干扰指标为满足仪器准确度的前提下，干扰电流与试验电流的最大比例，比例越大，抗干扰性能越好。AI-6000在200%干扰（即I干扰 / I试品≤2）下仍能达到上述准确度。

介损与频率的关系及变频测量原理

（泛华电子）

1、变频测量原理

干扰十分严重时，变频测量能得到准确可靠的结果。例如用55Hz 测量时，测量系统只允许55Hz 信号通过，50Hz 干扰信号被有效抑制，原因在于测量系统很容易区别不同频率，由下述简单计算可以说明选频测量的效果：

两个频率相差1倍的正弦波叠加到一起，高频的是干扰，幅度为低频的10倍：

Y=1.234sin(x+5.678°)+12.34sin(2x+87.65°)

在x=0/90/180/270°得到4个测量值Y 0=12.4517，Y 1= -11.1017，Y 2=12.2075，Y 3= -13.5576，计算A=Y 1 - Y 3=2.4559，B=Y 0 - Y 2=0.2442，则：

这刚好是低频部分的相位和幅度，干扰被抑制。实际波形的测量点多达数万，计算量很大，结果反映了波形的整体特征。

2、频率和介损的关系

任何有介损的电容器都可以模拟成RC 串联和并联两种理想模型： (1) 并联模型

认为损耗是与电容并连的电阻产生的。这种情况RC 两端电压相等：

有功功率

，

无功功率 ，

因此

并联模型

其中ω＝2πf ，f 为电源频率。可见，如果用真正用一个纯电阻和一个纯电容模拟介损的话，它与频率成反比。当R=∞时，没有有功功率，介损为0。

这种方法常用于试验室模拟10％以上的大介损，或用于制做标准介损器。 (2) 串联模型

认为损耗是与电容串连的电阻产生的。这种情况电路的电流相等：

有功功率

，

无功功率

，

因此

串联模型

由上分析可知，串联模型tg δ=2πfRC ，并联模型tg δ=1/(2πfRC)，R 和C 基本不变，f 是变化量。把45Hz 、50Hz 、55Hz 分别代入公式，可看到tg δ分别随频率f 成正比和反比。如下图所示，f 对完全正比和完全反比两种模型影响较大。但实际电容器是多种模型交织的混合模型，此时f 的影响就小。

3. 实际电容试品： (1) 固定频率下测量

实际电容试品在一个固定频率下，即可以用串连模型也可以用并联模型表示。例如50Hz 下，下面两个电路对外呈现的特性完全一样：

高压电容电桥的基本工作原理

（泛华电子）

（1）西林电桥

调节R3、C4使电桥平衡，此时a、b两点电压相等，即R3、C4两端电压相等。

因为交流电路中电容阻抗为。电路中R4、C4的并联阻抗为两者倒数和的倒数

按阻抗元件分压原理，不难得到：

两边取倒数得：

按复数相等实部、虚部分别相等的规定得到

按串连模型介损定义：,由于R4是固定的可以从C4刻度盘上读出介损，通过R3、R4、Cn可以计算Cx。

采用这个原理的仪器有现场用的QS1、试验室用的2801等。

（2）M型电桥

将试品改为并联模型。注意到Ir与Icx、Icn差90度：

调节R4使Uw最小。这时IcnR4=IcxR3, Uw=IrR3，因此：

由于a、b间电压没有完全抵消，因此M型电桥也称为不平衡电桥。Uw测量的是绝对值，小介损时电压很低，难以保证测量精度。

（3）数字电桥

数字电桥的测量回路还是一个桥。R3、R4两端的电压经过A/D采样送到计算机，求得

:

进一步可求得试品介损和电容量。

数字电桥的最大优势在于：可以实现自动测量，可以补偿所有原理性误差，没有复杂的机械调节部件，测量以软件为主，性能十分稳定。

测量介损时常用的抗干扰方法

（泛华电子）

1、干扰源

介损测量受到的主要干扰是感应电场产生的工频电流。无论何种测量方式，它都会进入桥体：

一般介损仪都能抗磁场干扰，因为内部的升压变压器就是一个强烈的磁场干扰源。

2、倒相法

测量一次介损，然后将试验电源倒相180度再测量一次，然后取平均值。

倒相法是抗干扰最简单的方法，也是效果最差的方法。因为两次测量之间干扰电流或试品电流的幅度会发生波动，会引起明显误差。

一般干扰电流不超过试验电流2％时，这种方法是很有效的。

3、移相法

一种方法是采用大功率移相电源，调整试验高压的相位，使试品电流与干扰电流方向相同或相反，这样干扰电流影响减小，再配合倒相测量，能大大提高测量精度。

另一种方法是采用小功率移相电源，从R3桥臂上抵消干扰电流，再配合倒相测量，能大大提高测量精度。

通常在升压之前先检测干扰电流的大小和方向，然后调整移相电源。由于测量过程中无法再了解干扰的信息，因此测量过程中干扰或电源发生相位波动，仍会引起明显误差。

一般干扰电流不超过试验电流20％时，这种方法是很有效的。

4、变频法

干扰十分严重时，变频测量能得到准确可靠的结果。例如用55Hz测量时，测量系统只允许55Hz信号通过，50Hz干扰信号被有效抑制，原因在于测量系统很容易区别不同频率，由下述简单计算可以说明变频测量的效果：

两个频率相差1倍的正弦波叠加到一起，高频的是干扰，幅度为低频的10倍：

Y=1.234sin(x+5.678°)+12.34sin(2x+87.65°)

在x=0/90/180/270°得到4个测量值Y0=12.4517，Y1= -11.1017，Y2=12.2075，Y3= -13.5576，

计算A=Y1- Y3=2.4559，B=Y0- Y2=0.2442，则：

这刚好是低频部分的相位和幅度，干扰被完全抑制。

变频测量时，仪器需要知道的唯一信息是干扰频率。因为仪器供电频率就是干扰频率，整个电网的频率是一样的。仪器在测量中可以动态实时跟踪干扰频率，将数字滤波器的吸收点时刻调整到干扰频率上。而干扰信号的幅值和相位变化对这种测量是没有影响的。

表面泄漏或屏蔽不良引起正接线测量介质损耗减小的分析

（泛华电子）

用末端屏蔽法测量电磁式PT 、正接线测量CT 或变压器套管，有时会出现介损极小或负值的现象，这主要是绝缘受潮、表面泄漏或屏蔽不良引起的，可分析如下：

示意图

等效电路图

CX：试品

C1：高压端对瓷套的杂散电容

C2：低压端对瓷套的杂散电容

R：瓷套表面泄漏对地电阻

1：为试验电压

2：为仪器输入

这样，C1、C2、R形成T形网络，由于C1和R微分移相作用，使通过C2的电流超前，而使介损减小。设1为外加电压U、2接地电位，流过2的电流为：

介质损耗因数为实部电流与虚部电流之比，由于第一项为负值，故介损因数减小。

以CX=120pF，C1=1pF，C2=0.1pF，R=1000MΩ，CX无介损，按上式计算，T形网络引起的附加介损为：-0.025%同理，检修用脚手架及包装箱引起正接线测量介质损耗减小：试品对包装箱形成杂散电容，也形成T型网络干扰。

解决方法：

1、擦干净瓷套表面的脏污。

2、在阳光下曝晒试品或加热烤干瓷套，变压器套管吹干中间三裙。

3、高压线尽量水平拉远，不要贴近瓷套表面。

4、改用末端加压法或常规法测量电磁式PT。

5、新设备吊装前试验时，一定要拆掉包装箱和脚手架，移开木梯，解开绳套。做变压器套管时一定要放在套管架上试验，不能斜靠在墙上或躺放在地上。

为什么升压显示不到10kV--仪器防"容升效应"电压自校正技术的介绍

（泛华电子）

AI-6000介损测试仪在升压测量时，尤其是测量大容量试品（>1000P，如变压器试品），用户有时看到升不到10kV（如9.8kV、9.5kV）的现象，而测量结束后打印的测量电压已到10kV，这就是仪器启动了防“容升”电压自校正技术。

仪器内部升压变压器(L)和试品电容(C)，形成了一个LC回路，回路内电压会抬高，这就是“容升效应”。由于“容升效应”造成回路电压抬高，就使试品和仪器的工作电压>10kV，易造成绝缘击穿或参数变化，造成仪器损坏或测量结果误差。仪器自动跟踪输出电压和回路电压，进行准确升压控制，对试品和仪器起到了有效的保护作用。

在CVT自激法做介损试验时“容升”现象更明显，由于CVT下节耦合电容的容量很大（>4万P），在二次侧升几伏电压，一次侧就能达到上千伏。一定要严格监测一次侧（A点）电压小于3kV，二次侧电流小于6A。所以AI-6000C、D两个型号在CVT测量时提供了高压电压、高压电流、低压电压和低压电流四个保护限制，根据这四个保护限制，AI-6000准确调制电压，确保试验仪器和设备的安全。

用AI-6000D做不拆高压引线的CVT自激法测量试验及电位

（泛华电子）

用AI-6000D做CVT自激法测量非常方便，可按下图接线。如果C1是单节电容，母线不能接地；如果C1是多节电容，高压引线可不拆，母线也可接地，C11和C12可用常规正反接线测量，C13和C2用自激法测量。

一、接线方法如下图：

二、测量过程及电位

CVT自激法测量中，仪器先测量C13，然后自动倒线测量C2，并自动校准分压影响。

测C13时，高压线芯线和屏蔽带高压，C X线芯线和屏蔽都是低压。

测C2时，高压线芯线和屏蔽、C X线芯线和屏蔽都是低压。

三、为什么先测量C13，再测量C2

大家知道，C13电容量较小，约2万pF；c2电容量较大，至少4万pF；C N为50pF标准电容器。测量C13时，C2和内C N串连当作标准电容器，根据电容串联公式C串=(C2C N)/(C2+C N)，由于C2>>C N，C串≈C N，这样C2对测量结果影响较小，可忽略不计。反之，如果先测C13，因C13容量较小，和内C N串连后，会把C13的介损加进去，造成标准臂介损增大，引起C2介损减小，造成测量误差。

四、自激法时高压线拖地会引起介损增大

自激法时高压线应悬空不能接触地面，否则其对地附加介损会引起介损增大，可用细电缆连接高压插座与CVT试品并吊起。

上图蓝色框内为电缆拖地时附加杂散电容的RC串联模型，使δ点的电压U N超前变成U N'，相应的I N变成I N'，I x相位不变，造成δ角增大，既介质损耗增大。感兴趣的用户也可用公式推导出来。

用AI-6000C、D型介损测试仪做CVT自激磁测量

（泛华电子）

一、CVT测量的基本原理

电容式电压互感器（CVT）为叠装式结构，由于现场试验时叠装式CVT的电容分压器和电磁单元不能分开，给电容分压器的电容及介损测量造成了一定的困难。CVT生产制造厂在CVT叠装前对电容分压器的电容及介损进行分体测量。而对组装好的，将中压端子(A点)引出的CVT，可采用正接线直接测量，对没有抽头的CVT只能采用自激法测量。

500kV CVT示意图

二、CVT自激法测量时需要采取的保护措施

在CVT自激法做介损试验时，由于“回路谐振”和“容升效应”，绝对不能简单的用变比衡量一次侧电压。CVT分压电容的容量很大（>4万P），在二次侧升几伏电压，一次侧就能达到上千伏。一定要严格监测一次侧（A点）电压小于3kV，二次侧电流小于6A。所以AI-6000C、D两个型号在CVT测量时提供了高压电压、高压电流、低压电压和低压电流四个保护限制，根据这四个保护限制，AI-6000准确调制电压，确保试验仪器和设备的安全。

三、CVT自激法介绍

1、传统CVT自激法：

需外接标准电容、低压激励电源和监控用电压电流表，具体接线参见高压试验规程。

2、用AI-6000C型做母线不接地CVT自激法测量