介损测试原理及应用(2010-12)

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。如果介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化，如果介质温度不断上升，甚至会把电介质融化、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。然而不同设备由于运行电压、结构尺寸等不同，不能通过介质损耗的大小来衡量对比设备好坏。因此引入了介质损耗因数tgδ（又称介质损失角正切值）的概念。

介质损耗因数的定义是：介质损耗因数tgδ只与材料特性有关，与材料的尺寸、体积无关，便于不同设备之间进行比较。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『测量介质损耗因素的意义』测量介质损耗因素的意义

等效模型：

当对一绝缘介质施加交流电压时，介质上将流过电容电流I1、吸收电流I2和电导电流I3，如图所示。其中反映吸收过程的吸收电流，又可分解为有功分量和无功分量两部分。电容电流和反映吸收过程的无功分量是不消耗能量的，只有电导电流和吸收电流中的有功分量才消耗能量。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『测量介质损耗因素的意义』测量介质损耗因素的意义

为了讨论问题方便，可进一步将等值电路简化为由纯电容和纯电阻组成的并联和串联电路。

并联模型串联模型COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『测量介质损耗因素的意义』测量介质损耗因素的意义

测量介质损耗因数tgδ判断电气设备的绝缘状况是一种传统的、十分有效的方法。它能反映出绝缘的一系列缺陷，如绝缘受潮，油或浸渍物脏污或劣化变质，绝缘中有气隙发生放电等。这时流过绝缘的电流中有功分量IRX增大了，tgδ也加大。按照电力设备预防性试验规程的规定，对多种电力设备（如电力变压器、发电机组、高压开关、电压电流互感器、套管、耦合电容等）都需要做介质损耗因素（tgδ）的测量。所以tgδ试验是一项必不可少而且非常有效的试验。能较灵敏地反映出设备绝缘情况，发现设备缺陷。

COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『测量介质损耗因素的意义』测量介质损耗因素的意义tgδ试验与发现缺陷的关系

对绝缘的分布性缺陷反映很灵敏。介质损耗因素试验所测定的是整体的tgδ值，能对绝缘的整体受潮、劣化变质等分布性缺陷产生直接的，明显的反映。因此，电气设备交接和预防性试验中，介质损耗因素（tgδ）项目已得到广泛的应用。

对大体积绝缘的集中性缺陷反映不灵敏，试品的体积越大，就越不灵敏。因此，对大容量的变压器、整个发电机绕组以及较长的电力电缆进行tgδ试验时，只能发现它们的分布性缺陷，而不容易发现可能存在的集中性缺陷。

对小体积绝缘的集中性缺陷和可以分解成部件的试品，tgδ试验仍然有一定的效果。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『测量介质损耗因素的意义』测量介质损耗因素的意义

西林电桥（如QS1）COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理

电流比较仪电桥（如QS30）

数字型高压介损测试仪（目前广泛使用的介损仪）介质损耗测量电桥分类COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理西林电桥BR16高压标准电容器QS1高压电容电桥

QS1电桥是80年代以前广泛使用的现场介损测试仪器。试验时需配备外部标准电容器（如BR16型标准电容器），以及10kV升压器及电源控制箱。需要调节平衡，结果需要换算，使用不太方便。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理西林电桥工作原理高压西林电桥是由：交流阻抗器、转换开关、检流计、高压标准电容器等组成。调节R3、C4使电桥平衡，此时a、b两点电压幅值相位完全相等，即R3、C4两端电压相等。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理西林电桥工作原理电桥平衡时：其中：代入化简后得到：COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理西林电桥工作原理按复数相等实部、虚部分别相等的规定可得到：按并联模型介损定义：由于R4是固定的3184Ω，频率是50Hz、C4单位为μF时，tgδ=C4，因此可以直接在C4刻度盘上读出介损测量值。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理西林电桥工作原理按复数方程中虚部相等可得到：由于tgδ很小，所以可以写成：总结：现场使用QS1电桥时，需要先将升压装置，标准电容器和电桥等进行连线，然后调节R3和C4，使得检流计指示为零。这时电桥平衡。读得C4值即为tgδ值，R3值经过计算可得出被试品电容值。现场操作使用比较麻烦，抗干扰能力差，已经不能满足当前电气试验工作的需要。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理电流比较仪电桥工作原理电流比较仪电桥的工作原理是采用安匝平衡的原理。平衡过程见右图，当交流电源加在试品、标准电容器和电桥及地之间，在试品上产生一个电流Ix，在标准电容器上也产生一个电流In，当两个电流流过Wx、Wn时，由于Ix、In两个电流的相位、幅值不相同，使Wd有电流Id产生，通过调整Wx、Wn、C、R使IxWx、InWn幅值相同，相位相反。这时Id等于0，平衡指示器指向零，表示电桥平衡。特点测量精度高，适合实验室高精度测量COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理数字式介损测试仪工作原理数字式介损测试仪基本测量原理是基于传统西林电桥的原理基础上，测量系统通过标准侧R4和被试侧R3分别将流过标准电容器和被试品的电流信号进行高速同步采样，经模数（A/D）转换装置测量得到两组信号波形数据，再经计算处理中心分析，分别得出标准侧和被试侧正弦信号的幅值、相位关系，从而计算出被试品的电容量及介损值。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理数字高压介损测试仪工作原理智能型电桥的测量回路还是一个桥体。R3、R4两端的电压经过A/D采样送到计算机，求得:试品阻抗：进一步计算可得：介损值可通过测量Ux与Un之间的相位计算得出tgδ值。测量相位的方法有很多种，如过零比较法，波形分析法（FFT变换）等等，也可采用测量有功分量和无功分量的方法来求得tgδ值。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理数字高压介损测试仪工作原理特点：测量系统一体化，接线简单无机械调节部件，不受人为因素影响便于实现各种抗干扰模式，数据准确可靠只需简单的设置（如试验电压、接线方式），就可以实现全自动测量COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）原理』介质损耗因数（tgδ）试验仪器及测量原理数字高压介损测试仪工作原理

显示控制单元人机界面，控制仪器的测量过程可程控的电子调压10kV高压电源产生测量用的高压电源一般可以从0.5kV-10kV连续平缓升压测量部分完成对标准回路和被试回路电流信号实时同步采样，由计算机分析计算出tgδ及电容量。内部组成COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）测量方式』介质损耗因数（tgδ）测量方式正接线UST试品不接地，桥体E端接地，在需要屏蔽的场合，E端也可用于屏蔽。此时桥体处于地电位，R3、C4可安全调节。各种介损测试仪器正接线接线方法基本一致。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）测量方式』介质损耗因数（tgδ）测量方式反接线GST这是一种标准反接线接法，在试品接地，桥体U端接地，E端为高压端，在需要屏蔽的场合，E端也可用于屏蔽。此时桥体处于高电位，R3、C4需通过绝缘杆调节。这种方式桥体处于高电位，仪器内部高低压之间需要做好绝缘防护措施。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）测量方式』介质损耗因数（tgδ）测量方式侧接线这是一种采用侧接线代替反接线的接法，在试品一端接地（a点），E端为屏蔽端，U端为高压端。此时桥体处于低电位，R3、C4可以安全调节。这种方式高压电源、高压线对地电容都将经过R3回路与真正的试品电流混杂到一起，极易受到干扰。为提高精度，需要双层屏蔽，消除内部和外部干扰。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）测量方式』介质损耗因数（tgδ）测量方式高压电流隔离反接线使桥体处于地电位，又能克服侧接线易受干扰的缺陷的另一个方法就是使用高压隔离电流传感器（如采用光纤、电磁隔离）。采用高精度高压传感器，将高压侧采集的信号传递到低压侧进行分析，使得测量单元始终处于低电位，既保证了准确性，又保证了安全。此方法电流传感器的精度会给测量带来一定附加误差。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）测量方式』介质损耗因数（tgδ）测量方式自激法测量CVT对于电容式电压互感器的分压单元，由于C1和C2连接处是封闭的，不能直接采用正接线测试，如果测量C1和C2的串联值。由于与中间变压器对地电容跟C1和C2形成“T形网络”，如果中间变压器介损较大，可能出现负值。因此应采用自激磁法进行测试。采用自激磁法测试C1原理如右图：COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）测量方式』介质损耗因数（tgδ）测量方式自激法测量CVT测量C1时，C2与标准电容CN串联，由于C2>>CN,串联后标准臂电容≈CN，介损也取决于CN可看作零。通过二次绕组加压在中间变压器一次侧感应出高压施加于试品上进行测量。由于二次绕组容量及电容尾端绝缘水平限制，施加电压不能超过3000V。一般采用2500V测量。测量C2原理与测量C1时相同。如有图所示。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介质损耗因数（tgδ）测量方式』介质损耗因数（tgδ）测量方式自激法测量CVT由于C1较C2电容量要小，所以测量C2时，C1与Cn串联等效的误差就比较大。为了减小这种测量误差，我们在测量C2的时候，以C1作为电桥的标准电容器，这样可测得C2相对C1的容量比及相对介损值，由于第一次已经将C1的介损及电容量测出，通过C1就可以推算出C2的值。另外用于串联C1与标准电容器的导线对地电容与C1、Cn形成了T型网络，对测量精度有影响。为了减小这种影响，一般可以采用将导线悬空减小对地电容的办法，目前有些仪器已经加了补偿算法。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干扰方法』抗干扰方法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：COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干扰方法』抗干扰方法倒向法测量一次介损，然后将试验电源倒相180度再测量一次，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。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干扰方法』抗干扰方法移相法另一种工频抗干扰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。再一种方法是采用小功率调幅调相信号源，从R3桥臂上抵消干扰电流（干扰抵偿法），再配合倒相测量，能大大提高测量精度。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干扰方法』抗干扰方法变频法干扰十分严重时，变频测量能显示更强的抗干扰能力。例如用55Hz测量时，测量系统采用了数字滤波技术，只允许55Hz信号通过，50Hz干扰信号被有效抑制。变频测量时，仪器对流过标准电容的电流In和被试品的电流Ix进行实时同步采样。得到两组包含有干扰及信号源的混合信号，仪器再运用快速傅立叶变换算法，将混合信号中信号源的信号（如55Hz信号）与干扰源（如50Hz信号）信号分离。这样就很容易把我们关心的信号源信号分离出来。达到了抗干扰的目的。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『抗干扰方法』抗干扰方法变频法由于介损值与试验频率有关，为了更好地与50Hz下的介损值等效，通常仪器分别的50Hz±5Hz进行两次测量，再取平均值得到等效50Hz的介损值。为了使试验频率更接近50Hz，有时也采用50Hz±2.5Hz进行测量。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介损测试仪现场使用注意事项』影响tgδ的因素TextinhereTextinhere

介质损耗因素不仅受到设备缺陷和电磁场干扰的影响，还受到温度、电压、频率等的影响。1、温度的影响tgδ与温度的关系，随着介质的组成成分和结构的不同而有显著差异。一般不能将某一温度下所测的tgδ准确换算至另一温度下的数值，因为不同绝缘介质或不同潮湿程度，各有不同的随温度变化的规律。目前一些温度换算方法所得的数据也只是近似的。因此，tgδ测量工作最好在10～30℃范围内并与前次测量时相近的温度下进行，且符合《规程》的规定：“进行绝缘试验时，被试品温度不应低于+5℃，户外试验应在良好的天气进行，且空气相对湿度一般不高于80%。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介损测试仪现场使用注意事项』影响tgδ的因素TextinhereTextinhere2、频率的影响

当频率为零时，tgδ亦为零。在一定的频率范围内，tgδ随着频率的增加而增加。这是由于介质极化的时间与交流半周期时间相等时，产生的介质损耗最大。若频率再增高时，则因时间太快，极化不完全（偶极子来不及排列），介质损耗将随着频率的增加而减少。由于电气设备均处在50Hz的工作频率下，所以tgδ试验所采用的电源也应满足工频范围（通常为45～65Hz）。在异频下测量时应考虑频率对介损的影响。COPYRIGHT(C)WWW.SCEEC.COMALLRIGHTSRESERVED.『介损测试仪现场使用注意事项』影响tgδ的因素TextinhereTextinhere3、电压的影响

当外加电压升高时，tgδ与电压无直接的关系，只有在电压上升到某一数值，即达到介质的局部放电起始电压以上时，tgδ才急剧增加。因为在一定的交变电压作用下，介质中局部（夹杂的气泡或杂质）电场可能很强，从而首先放电，产生附加损耗，使tgδ随着电压的升高而增加。也有一部分试品在电压升至一定值时介损值出现下降的情况。因此在较高电压下（设备额定工作电压下）测量tg