数字化测量介质损耗角的方法
3.3 介质损耗角正切的检测
误差来源
1. 频率f引起的误差 2. 电压互感器引起的固有误差 3. 谐波的影响 4. 两路信号在处理过程中存在时延差：
① ② ③ ④ 低通滤波器的建立约为10μs，这将造成信号0.003rad 的系统误差。 过零整形的时延引起误差。 整形波形引起的误差。 其他因素，例如环境温度的变化。
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3.3.3 全数字测量法
k 1
k
co s k t b k sin k t
（20）
根据三角函数的性质经过变换后K次系数：
ak
bk
1
1
2 0
2
f ( t ) co s( k t )d ( t )
f ( t ) sin ( k t )d ( t )
（21） （22）
2 2
则：
tan 0.5 ( B A )
本法主要是通过数字运算得到tanδ，它完全避免了 运算硬件带来的诸多误差因素。在最后的运算中，虽存 在大数相减的问题，但计算机能保证运算的准确性。同 时，通过只对基波作运算，等于对谐波进行了理想滤波， 从而排除了谐波对检测的影响。
（18）
（19）
式中，k为参与平衡的电压互感器PT1、PT2构成 的变比；CN、R4是固定值：
K kC N R 4
高压电桥法
优点：是较准确、可靠，与电源波形频率无关， 数据重复性好。 缺点：接入了R3后改变了设备原有的运行状态， 其他元件的接入也增加了PT1发生故障的概率。要 选择可靠性高的元件和采取一些保护措施。可用 低频电流传感器代替相应的电阻元件，但效果并 不理想。
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电桥法是一种间接测量法，而相位差法则是直 接测量介质损耗角的正切值tanδ
关于介质损耗测试
关于介质损耗的一些基本概念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<tgδ，在损耗很小时这两个数值非常接近。
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。
电容型设备介质损耗因数在线检测技术方法
电容型设备介质损耗因数在线检测技术方法现代社会对电力的依赖性极高，安全、可靠、优质地供电是对现代电力系统运行提出的基本要求。
电网事故和大面积停电造成的经济损失无法估量，因此，提高电力设备运行的可靠性是保证电力系统运行的关键。
对于高压电力设备而言，一方面，要求制造商使用优质绝缘材料，改善绝缘结构、改进制造工艺；另一方面，在设备运行中通过必要的检测手段来评估设备绝缘状态、及早且有效地发现绝缘缺陷，将会对减少事故的发生、提高设备的运行具有重要的意义。
介质损耗因数检测电容型设备的绝缘特性重要性及原理电力系统中，高压电容式套管、电容式电流互感器、耦合电容器等设备是由若干个电容器串联而成的，故将它们统称为电容型设备。
介质损耗因数tanδ是反映绝缘介质损耗大小的特征参量，实际经验表明，对于体积较小的电容型设备，测量其整体绝缘介质损耗因数可较灵敏地发现设备中发展性的局部缺陷、设备绝缘受潮和劣化变质等，因而，测量tanδ对于判断电容型设备的绝缘状态十分重要。
电容型设备在交流电压作用下的绝缘特性可以等效为并联电路或串联电路。
在相量图中，为电流电压间的相位角即功率因数角，δ为其余角，称为介质损耗角。
对于无损耗的理想介质，=90°，δ=0；对于有损耗介质，0。
介质损耗角的正切值很好地反映了设备绝缘介质损耗的大小。
流过绝缘介质的电流由两部分组成：有功电流分量IR、无功电流分量IC，通常IC>IR，介质中的有功损耗功率为：（式1）由上式可以看出，介质损耗P与外施电压U的平方成正比，与电源角频率、介质的电容量C成正比，所以在高压、高频及大容量的电气设备介质的损耗也大。
当绝缘介质、外加电压和频率一定时，介质损耗和介质损耗因数tanδ成正比，即可用介质损耗因数tanδ来表征介质损耗的大小。
因此对电容型设备进行在线检测就是要测量电气设备的介质损耗角正切。
影响介质损耗因数在线检测结果的主要因素(一)基准电压的测量误差。
介质损耗角测量方法
(a)
(b)
QS-1型西林电桥原理接线图
4.2.1 西林电桥测量法的基本原理
4-6 西林电桥原理接线图
图中Cx，Rx为被测试样的等效并联电容与电阻，
R3、R4表示电阻比例臂，Cn为平衡试样电容Cx的标准， C4为平衡损耗角正切的可变电容。
根据电容平衡原理，当: ZxZ4 ZnZ3
(4-6)
式中Zx、Zn、Z3、Z4分别是电桥的试样阻抗，标
短接BD点，干扰电流 I 和 原设该电电流流I x为同I '时x 。通过验流计G，
调节移相器，改变电源相 位，使电流I ' x 最小，此时干 扰电流与原电流相位相同，不 影响介质损耗角正切值的测量。
撤 消 BD 短 接 ， 再 调 节 测 量 介质损耗角正切值。
（3）倒相法
不用移相器，接一反向开 关，分别测量开关正向和开关 反向时的介质损耗角正切值。
图4-8 西林电桥反接线原理图
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4.2.2 西林电桥测量法的电磁干扰
在现场进行测量时，试品和桥体往往处在周 围带电部分的电场作用范围之内，虽然电桥本体 及连接线都如前所述采取了屏蔽，但对试品通常 无法做到全部屏蔽。这时等值干扰电源电压就会 通过对试品高压电极的杂散电容产生干扰电流， 影响测量。
图4-9 外接电源引起的电磁干扰
小结
➢ 测量tg 值是判断电气设备绝缘状态地一项灵敏 有效的方法。
➢tg 值的测量，最常用的是西林电桥。 ➢tg 的测量受一系列外界因素的影响。试验中应尽
可能采用屏蔽，除污等方法消除这些影响。
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(本节完)
为了确保人身和设备安全，在低压臂上并联 有放电管（A、B两点对地），以防止在R3、C4等需 要调节的元件上出现高压。
测量介质损耗角正切值tgδ试验工艺
测量介质损耗角正切值tgδ试验工艺本工艺包括：电力变压器绕组连同套管介质损耗角正切值tgδ的测量、电抗器绕组连同套管介质损耗角正切值tgδ的测量、互感器绕组连同套管介质损耗角正切值tgδ的测量、非纯磁套管介质损耗角正切值tgδ和电容值的测量、断路器电容器的介质损耗角正切值tgδ和电容值的测量一、试验准备1．人员组织表1序号项目单位数量备注1 工作负责人人 1 全面负责2 试验员人 2 试验2．仪器、设备及材料配置表2 序号名称型号技术规格单位数量备注1 全自动介损测试仪HVM1B ±（1%读数+0.001）台 12 干湿温度计只 13 专用电缆条 34 地线25mm2裸铜线条 25 开关板5A 块 16 放电棒只 17 细铁线米10 用于短封8 绝缘靴高压双 19 绝缘手套高压双 110 绝缘垫块 111 围栏套 112 产品出厂试验报告份 113 原始记录本本 1二、操作程序1．试验流程图试验准备选择仪器仪器检查接线测试记录测试完毕填写报告2．试验接线图介质损耗角正切值tg δK高压允许图1 介损测试仪前面板示意图图2 介损测试仪后面板示意图Cx图3 变压器高压绕组对地 图4 变压器低压绕组对地介质损耗角正切值tg δ测试接线图 介质损耗角正切值tg δ测试接线图Cx图5电抗器高压绕组对地介质损耗角正切值tg δ测试接线图A B C O a b c A B C Oa b cHVM1B工作方式 正/反接线 参数选择 电压选择 被广选择 电压选择接地 插座 启动 高压电源HV Cx CnA X图6 电流互感器高压绕组对地 图7 电压互感器高压绕组对地 介质损耗角正切值tg δ测试接线图 介质损耗角正切值tg δ测试接线图图8断路器电容器 图9 非纯瓷套管介质损耗角正切值tg δ测试接线图 介质损耗角正切值tg δ测试接线图三、试验步骤 1．试验准备该项试验应在被试物安装就位后进行。
试验现场应有稳定的电源和良好的接地点。
实验二 介质损耗角的测量
实验二介质损耗角的测量一．实验目的1．了解MS-101型抗干扰介损自动测量仪的使用方法及工作原理。
2．掌握电桥正、反接线的测量方法，比较测试结果。
3．掌握测量时电场干扰的消除方法原理。
4．了解高电压实验时基本的安全技术、注意事项。
二．实验内容1．了解MS-101型抗干扰介损自动测量仪的操作方法及注意事项。
2．变压器介质损耗因数tgδ和Cx用反桥接线测量，套管用正反接线测量。
3．采取措施消除电场及磁场干扰。
4．整理实验数据。
二．实验仪器MS-101型抗干扰介损自动测量仪变压器（试品）：额定电压6KV套管（试品）：10KV套管三．实验仪器面板介绍1、控制面板图（图1）及高压背板图（图2）C X试品输入：正接线时输入试品电流，正接线时芯线（红夹子）接试品低压信号端，如果试品低压端有屏蔽极可接屏蔽线（黑夹子），无屏蔽时可悬空。
反接线时，C X试品输入线不接或悬空。
测量接地：它同外壳连在一起，在正、反两种测量过程中，仪器都应可靠独立接地。
应仔细检查接地导体不能有油漆或锈蚀，否则应将接地导体刮干净，并保证零电阻接地。
接地不良可能引起误差或数据波动，严重时，呈带高压开路可能引起危险。
内高压允许：打开此开关，仪器有高压输出。
关闭此开关仪器内部无高压产生，亦无高压输出。
总电源开关：打开该开关，屏幕显示测量内容。
按键盘： “退出”、“确认”、“、““退出”：对光标所在的内容否认时，或者已完成该内容；复用功能是历史数据查询。
“确认”：对光标所在处的内容认同时，可按此键加以确认，并将光标移至它处。
”、”：改变数值或改变正、反接线，异频、工频等内容。
屏幕显示：显示菜单、测量信息、测量结果。
应避免长时间阳光爆晒。
亮度调节：调节屏幕对比度。
打印机：测量完毕按“确认”键，打印显示结果。
图1 控制面板图图2高压背板图四．实验接线及注意事项1. 本仪器只能在停电的设备上使用；2. 接地端应可靠接在接地网；3. 根据被试设备接地情况正确选择正、反接法；正接法：（被试设备的低压测量端或二次端对地绝缘）专用高压电缆从仪器后侧的HVx端上引出，高压屏蔽线接被试设备高压端;专用低压电缆从仪器面板上的Cx端引出，低压芯线接被试设备低压端L（见图11）；低压屏蔽线接被试设备屏蔽端E。
高电压技术：4.2 介质损耗角正切的测量
3. 试品电容量的影响
对于电容量较小的试品(例如套管、互感器 等)，测量tanδ能有效地发现局部集中性缺陷和整 体分布性缺陷。但对电容量较大的试品(例如大 中型发电机、变压器、电力电缆、电力电容器等) 测量tanδ只能发现整体分布性缺陷
4. 试品表面泄漏的影响
试品表面泄漏电阻总是与试品等值电阻Rx并 联，显然会影响所测得的tanδ值，这在试品的Cx较 小时尤需注意。
（4）全面老化劣化，绕组上附积油泥
（5）绝缘油脏污、劣化等 测量介损不易发现的局部性缺陷：大容量设备的局部缺陷
（1）非穿透性局部损坏（测介损时没有发生局部放电）
（2）很小部分绝缘的老化劣化
（3）个别的绝缘弱点
本节内容
4.2.1 西林电桥测量法的基本原理
4.2.2 西林电桥测量法的电磁干扰 4.2.3 西林电桥测量法的其他影响因素
CN C
量结果
4.2.3 西林电桥测量法的其他影响因素
1.温度的影响
温度对tanδ值的影响很大，具体的影响程度随绝缘材料 和结构的不同而异。一般来说，tanδ随温度的增高而增大。 现场试验时的绝缘温度是不一定的，所以为了便于比较， 应将在各种温度下测得的tanδ值换算到20℃时的值。
当温度在10～30℃间变化时，tanδ与温度的换算公式
• （1）加设屏蔽，用金属屏蔽罩或网把试品与 干扰源隔开；
• （2）采用移相电源；
• （3）倒相法。
• 4-5什么是测量tanδ的正接线和反接线?它们各 适用于什么场合?
答：
• 正接线是被试品CX的两端均对地绝缘，连接 电源的高压端，
• 反接线是被试品接于电源的低压端。
• 反接线适用于被试品的一极固定接地时，而正 接线适用于其它情况。
介质损耗角正切值的在线监测
介质损耗角正切值的在线监测绝缘在线监测损耗因数tgδ的方法很多，如电桥法、全数字测量法等，常用的方法是监测绝缘体的泄漏电流及PT信号，通过计算泄漏电流和电压的相角差而得到介质损耗角正切值tgδ的数值。
其测量原理大都使用硬件鉴相及过零比较的方法。
目前的绝缘在线监测产品基本都是用快速傅立叶变换（FFT）的方法来求介损。
取运行设备PT的标准电压信号与设备泄漏电流信号直接经高速A/D采样转换后送入计算机，通过软件的方法对信号进行频谱分析，仅抽取50Hz的基本信号进行计算求出介损。
这种方法能消除各种高次谐波的干扰，测试数据稳定，能很好地反映出设备的绝缘变化。
但由于绝缘体的泄漏电流非常微弱，而且现场的干扰较大，要准确监测绝缘体的泄漏电流比较困难。
因此，要实现绝缘损耗因数tgδ的在线监测，必须解决微弱电流的取样及抗干扰问题。
一、电桥法电桥法在线监测tgδ的原理图如4-2所示，由电压互感器带来的角差，可通过RC移相电路予以校正。
然而角差会随负载大小等因素的影响有所变动，所以校正也不可能是很理想的。
电桥中R3，C4的调动可以手动，也可以自动。
由于是有触头的调节，为了长年的使用，必须选择十分可靠的R3，C4可调节元件。
电桥法的优点是，它的测量与电源波形及频率不相关；其缺点是，由于R3的接入，改变了被测设备原有的状态。
为了安全，还要装有周密的保护装置。
图4-2 电桥法在线监测tgδ原理图C x——试品；C0——标准电容器；PT——电压互感器；G——指零仪二、全数字测量法全数字测量法又称数字积分法，这是一种用A/D转换器分别对电压和电流波形进行数字采集，然后根据傅里叶分析法的原理进行的数字运算，最终可以求得tgδ值。
被测设备的电压信号由同相的电压互感器PT提供，或再经电阻分压器输出。
电流信号由电容式套管末屏C x2接地线或设备接地线上所环绕的低频电流传感器CT获得。
由后者把电流信号转换为电压信号。
这种CT需要特殊设计，以使所产生的角差极小。
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1 引言
高压电气设备中，对绝缘介质损耗的测试具有很重要的意义。
在高压预防性试验中，介质损耗因素的测量属于高准确度测量，通常是在被测试品两端加以工频50Hz 的高电压（10kV），使被测试品流过一个极其微小的电流，利用电压与电流之间夹角的余角δ的正切值来反映被测试品的介质损耗大小。
这种高电压、微电流、小角度的精密测量要求测量系统应具有很高的灵敏度和准确性，在现场条件下还需要具有较强的抗干扰能力。
过去介质损耗角的测量采用模拟测量方法，主要有谐振法、瓦特表法和电桥法，谐振法只适用于低压高频状态下的测量。
瓦特表法是由介质损失的功率和经过的电流计算求得，瓦特表法由于测量准确度低，现已基本淘汰。
电桥法是采用交流电桥差值比较原理，准确度相对较高，其典型代表是西林电桥，见图1所示。
由电桥平衡条件可得出被试品的电容值Cx及tanδ：CX=（R4/R3）CN tanδ=ωC4R4
目前数字化自动电桥其实只是采用数字化技术来调节电桥的平衡，而实际的测量原理仍然是用标准电容和电阻与被试品进行比较的模拟方法。
其缺点是：（1）测量程序复杂，操作工作量大，自动化水平低，易受人为因素的影响。
（2）随着输变电工程电压等级的提高，强电场干扰严重，使变电站高压电器设备的tanδ测量误差过大。
（3）当试验电源有较大谐波干扰时，即使基波电压已获平衡，检流计仍不能为零，不能排除与基波相近的谐波干扰。
2 几种介损的数字化测量方法
数字化测量方法的原理是利用传感器从试品上取得所需的信号U和I，经前置预处理电路数字化后送至数据处理计算机或单片机，算出电流电压之间的相位差△ψ，最后得到tanδ的测量值，见图2.
2.1过零电压比较法
过零电压比较法是测量两个频率相同，幅值相等，相角差小的正弦电压波之间的相角差的方法。
满足上述条
这种方法的特点是电路简单，对启动采样电路、A/D转换电路要求不高，且以过零点附近两个正弦波的平均电压差来评价两正弦波的相位差，所以抗干扰扰能力强。
但要求满足的测量条件十分苛刻，如要求两个被测的正弦波谐波分量和谐波相位相等，增大了测量难度[1].
2.2过零时差比较法
这是一种将相位测量变为时间测量的方法其原理见图3.系统先通过采样电路
捕捉电流和电压信号的过零点（图3（b），（c）），然后通过一系列的逻辑转换电路形成宽度为△t的方波信号（图3（d））。
由于方波的宽度反映了电流电压信号的相位差，所以通过测量△t即可求出试品的介损值。
该方法具有测量分辨率高、线性好、易数学化的优点。
但误差因素有时对测量结果影响很大，从而限制了应用。
其中最重要的误差原因是由于零线漂移和波形畸变而导致信号过零点偏移。
2.3谐波分析法
谐波分析法就是用离散付立叶变换（DFT）对试品的电压和电流信号进行谐波分析，得出基波，再求出介质损耗角。
高次谐波主要以3次和5次谐波为主，试品上的电压和电流可表示为：
谐波分析法把对波形的处理放在后期的软件程序中进行，简化了硬件线路和结构，提高了系统可靠性。
由于电网频率不稳，加之同步采样环节的误差，造成对采样信号做DFT时产生较大的误差，所以在对信号DFT计算时应采取相应的措施尽量消除频谱泄漏和栅栏效应带来的误差[2].
2.4自由矢量法
本方法的原理来自于电压/电流法测量元件阻抗的原理，根据被测试品的端电压相量和流过试品的电流相量之比，可以得到被测试品的阻抗相量，根据ZX的实部和虚部，进一步求得介质损耗角正切tanδ。
设to时刻方向上的矢量为参考矢量时，见图4，电压和电流用矢量表示为：
自由矢量法实现的电路简单、体积小、重量轻、价格便宜，但存在电源频率不稳，波形不准，外界电磁场干扰等误差因素，限制了该方法的准确度和应用。
2.5异频电源法
异频电源法的原理为在介质测量过程中，试验电源频率偏离干扰电源频率，通过频率识别和滤波技术排除干扰电源的影响。
使用DFT或FFT可将异频频率波和干扰频率波分辨开来。
理论上只要满足同步采样条件，DFT或FFT就不会有泄漏效应，可准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来，也就可得到该频率波的初相位。
实际上，介质随频率的变化而变化，这就出现不同频率下的测量结果的等同性问题。
异频电源频率不能偏离工频太远，否则测量结果与工频下的介损值失去等同性，也不能偏离太近，这样会增大频率分辨的难度，同样会造成较大的误差[4].正弦电压和电流在时域的表达式可写为：
该方法要求A/D转换的位数N不小于10，采样率不低于1KHz[5].由于在方法的设计上把流过试品的电压和电流理想化为标准的正弦波，没有考虑信号中有谐波等干扰成分，容易造成测量的误差。
以上介损的数字化测量方法之间并不是孤立的。
例如在正弦波参数法和自由矢量法中，可先用谐波法滤除高次谐波，得到电压和电流的基波再计算各个参数。
而异频电源的采用是为了克服工频干扰，它几乎可以应用到其他所有的数字化测量方法中。
因每种测量方法的特点，过零时差比较法和过零点电压比较法多用于现场及在线监测的测量仪器，而自由矢量法和正弦波参数法多用于便携式带电检测仪器。
3 结语
介损的数字化测量技术在不断地发展和完善。
数字化测量的优点在于它的智能化和多功能趋势，特别是将后级处理与高压设备绝缘的诊断专家系统联系起来，实现自动检测和诊断报警。
介损的数字化测量是有着光明的发展前景，如何提高抗干扰能力和测量准确性仍是当前研究的课题。