断路器断口并联电容测量的基本原理及方法

断路器总装配完成后 （气室在非真空状态下） ， 在套管接线板处取信号，进行测量，测量方式：反 接法， 频率 45～55Hz， 断路器罐体和一侧套管接线 板有效接地，如图 18，测量结果见表 3，标准要求 值 电 容为 {720 （ +30 固有 ） }/2 ± 5%pF ， 介 损 值 <0.05%。 6
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测量 tgδ的电路模型
介质损耗因数(tg )＝
1.1 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，叫介 质损耗。介质损耗的定义是：
P 100％ Q
UI R I 100% R 100% UI C IC
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

R4 按阻抗元 1 jωω4C 4
cn Un , I R4
cx Ux , I R3
件分压原理，不难得到：
R4 R3 1 jR 4C 4 Ua U Ub U 1 R4 1 Rx R3 jCx 1 jR 4C 4 jCn
I cn 标准电容阻抗＝ Icn U jCn n U R3 U 1 试品阻抗Zx Icx R 4 Ux jCn
Q I 2 电容容抗
1 I2 ，因此 C C
P tg 100% RC 100% Q
可见，如果真正用一个纯电阻和一个纯电容模 拟介损的话，它与频率成正比。当 R=0 时，没有有 功功率，介损为 0。 这种方法常用于模拟 10％以下的介损， 或用于 制做标准介损器。 （3）固定频率下，模型不同，等效电容量不 同，但介损相同，如图 4。 实际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：
a）图 13 左端，C 是一个被试电容，如果支撑 工装表面受潮，会出现一个等效接地电阻 R，电容 C 上端对支撑工装有分布电容 C1，支撑工装对 C 的下端有分布电容 C2。 b）图 13 中部，C1/C2/R 形成 T 型网络。这个 网络对正接线产生负介损，对反接线产生正介损。 如果周围是绝缘良好的介质 R=无限大，对测量没 有影响。 c）图 13 右端，假定忽略 C2，注意到流过 C1 和 R 的电流相同，R 两端电压 U1 与该电流同相， C1 两端电压 UC1 落后该电流 90°。因此，U1 超前 UC1 90°。另外，U1 与 UC1 之和必定等于 U。因此 U1 总是超前 U 的。 又因为流过 C2 的电流 I1 必定超前 U1 90°，因 此 I1 与流过 C 的电流 I 之和 I2 的相位超前 U 将超 过 90°。这样便会出现负介损。 可以看出，I 越小（即 C 越小）负介损越严重。 计算表明，R 在数十 MΩ~数 GΩ之间都会引起负介 损。 d）为了减小 T 型网络干扰影响，应采取以下 措施： ①测量小电容时，周围 2 米内不能有竹木制品 （脚手架、梯子、包装箱、垫板、桌子等），也不 要靠近半绝缘状态的墙壁或地面。 ②制作一个金属板工装，测量时金属板接地， 用洁净的包装泡沫如图 14 支撑电容器管。
根据测量结果分析，断路器断口并联电容测 量，尽可能灭弧室在罐体外，采用正接法测量；如 果只能总装后测量，应采用正接法，断路器筒体可 靠接地。
断路器总装配完成后 （气室在非真空状态下） ， 在套管接线板处取信号，进行测量。测量方式：正 接法，频率 45～55Hz，断路器筒体有效接地，示意 图及实物照片见图 17，测量结果见表 2，标准要求 值电容为 {720 （ +30 固有） }/2 ± 5% pF ，介损值 <0.05%。。
断路器断口并联电容测量的基本原理及方法
聂海全，邓 亚，关 晓，谷喜秀 （平高集团有限公司，河南 平顶山，467001）
摘要：断路器断口并联电容承担着多断口均压及抑制暂态恢复电压的重要作用，因此并联电容的可靠性至关重要，并联电容 出厂例行试验的主要手段有：工频耐压、局放、雷电冲击、电容量及介损测量。实践中发现，高品质的并联电容器，不但能 够耐受标准要求的工频耐压、雷电冲击，而且工频耐压、雷电冲击试验后，电容量及介损测值没有变化，劣质的并联电容器， 不但在耐受标准要求的工频耐压、雷电冲击时，容易击穿，而且勉强通过工频耐压、雷电冲击试验的电容器，也会造成电容 器劣化，表现为介损值变大，因此电容器介损测量尤为关键，这就要求电容器介损测量要准确，以免误判。电容、特别是单 根小电容小介损的测量过程中，测量工况不同，测量结果变化很大，甚至于显示负介损值，本文介绍介损测量的方法，分析 影响介损测量误差的因素，提出正确的测量方式。 关键词：电容；介损；测量
被测试品的有功功率P 得到介损因数。 100％ 被测试品的无功功率Q 1.2 介质的两种电路模型及与频率的关系 ，则可以 如果取得试品的电流相量 I和电压相量U 介质损耗因数(tg )＝
得到图 1 相量图： 联两种理想模型进行分析：
含有介损的电容器都可以模拟成 RC 串联和并
图 1-电容介损测量的原理模型
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图 18-罐式断路器断口电容测量反接法示意图及照片 图 16-在罐体外断路器断口电容测量接线照片 表1
断口单元 机构侧 非机构侧 电容（PF） 758.7 757.3 介损（%） 0.031 0.033 测量电压 5kV 10kV
表3
电容（pF） 977.8 979.3 介损（%） 0.039 0.047
P 1 100% 100% Q RC
图 4-固定频率下等效模型
其中ω＝2πf，f 为电源频率。可见，如果真正 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， 如图 3， 这种情况电路的电流相等： 有 功 功 率 P I2R ， 无 功 功 率
图 8-数字智能电桥正接法接线示意图
Leabharlann Baidu
x、U n : U
2.3.2 标准反接线（GST） 测量接地试品，最常用的是反接线，此时桥体 处于高压端，R3、C4 必须通过绝缘杆调节(QS1、
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HV9001 方案)，见图 9、图 10。
围有杂物，特别是木质物品，都会造成测量误差及 测量值异常，因此测量环境湿度应不大于 70%，远 离杂物特别是木质物品。 （3）断口附属物的影响：如绝缘支撑杆防磕 碰保护膜等，也会影响测量结果，甚至造成介损测 量值超标，造成误判，因此测试时必须解下保护膜 等附属物。
图 5-西林电桥电路模型
加工频高压 U，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
1 。 电路中 R4、 jC
C4 的 并 联 阻 抗 为 两 者 倒 数 和 的 倒 数
2
1 1 R4 1 1 jωω 4

1 1 jωω 4 R4
3.1 电容量较大 （几百 pF 以上， 如断路器整个断口 并联电容测量）测量（见图 11），影响因素及 解决措施
图 12-小电容（电容器串）测量
（1）环境因素的影响：环境湿度大，试品周 围有杂物，特别是木质物品，都会造成测量误差及 测量值异常，因此测量环境湿度应不大于 70%，远 离木质物品，采用正接法、测试电压 5～10kV。 （2）试验支撑工装的影响：如图 12 测量结果 出现负介损值异常情况， 这是 T 型网络干扰造成的，
2.3.1 正接线（UST） 试品不接地，桥体 E 端接地。此时桥体处于地 电位 R3、C4 可以安全调节，见图 7、图 8。
图 7-西林电桥正接法接线原理图
图 6-数字智能电桥电路模型
数字智能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
按复数相等实部、虚部分别相等的规定得到
C4 Rx R3 Cn
按 串 连 模
R4 Cx Cn R3
型 介 损 定 义 ：
tg RxCx 100% R4C 4 100% ,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。 2.2 数字智能电桥
通常认为介损在 10％以上时， 并联模型更接近 实际情况，这是因为有功电流穿过电极之间的绝缘 层， 更象是损耗电阻并联在电极之间。 当介损在 1％ 以下时，这种电容量的差别很小。
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常用测量 tgδ的电桥和介损仪工作原理 及接线方式
2.1 西林电桥 电桥的标准通道输入标准电容器 Cn （一般标准 电容的绝缘介质为 SF6 气体，SF6 气体绝缘介损可 以认为 0%）的电流、试品通道输入试品 Cx 与 Rx 串联电流，见图 5。
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结论
在断路器断口并联电容测量过程中，由于电容
值及介损值较小，测量工况及测量方法对测量结果 影响较大，因此，必须采取合理的测量工况及正确 的测量方法，来保证测量数据的准确，以免造成误 判。
图 17-罐式断路器断口电容测量正接法示意图及照片 表2
测量电压 5kV 10kV 电容 （pF） 325.7 325.6 介损（%） 0.040 0.045
图 9-西林电桥反接法接线原理图
（4）接线的影响：接线接触不良，会使测量 数据不稳定，因此试品与大地之间要绝缘，测量线 接触可靠，接地线接地良好。 3.2 小电容值（几十 pF，如单体电容器串）小介损 值测量（见图 12），影响因素及解决措施
图 10-数字智能电桥反接法接线示意图
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出厂试验中， 影响 tgδ测量结果的因素及 解决措施
图 11-断路器灭弧室电容测量
分析如下：
（1）测量方式方法的影响：试品在罐体内， 会形成一定的杂散电容，为避免其影响，断路器断 口并联电容的测量，应在断路器罐体外进行，测试 采用正接法、测试电压 5～10kV。 （2）环境因素的影响：环境湿度大，试品周 4
图 13-小电容（电容器串）误差分析等效电路
图 15-在罐体内断路器断口电容测量接线示意图 图 14-小电容（电容器串）测量消除误差干扰措施示意 图及照片
3.3 断路器断口并联电容值 （灭弧室装配到罐体内） 测量，正确的测量方式（见图 15）
（1）接线方式的影响：试品在罐体内，会形 成一定的杂散电容， 为减小影响， 测试采用正接法、 测试电压 5～10 kV。 （2）断口附属物的影响：如绝缘支撑杆防磕 碰保护膜等，也会影响测量结果，甚至造成介损测 量值超标，造成误判，因此测试时必须解下保护膜 等附属物。 （3）接线的影响：接线接触不良，会使测量 数据不稳定，因此测量线接触可靠，罐体及测量设 备接地线接地要可靠。 3.4 罐式断路器断口并联电容在几种测量状态方式 下测量结果的比较 罐式断路器的灭弧室装配完成后，对灭弧室单 断口的电容和介损值进行测量。测量方法：正接线 法测量，频率 45～55Hz，测量电压 5～10kV，见图 16，测量结果见表 1，标准要求值电容为 720（+30 固有）±5%，介损值<0.05%。
进一步可求得试品介损和电容量，见图 6。 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，采用这 个原理的仪器有济南泛华 AI-6000 介质损耗测量仪 等。 2.3 接线方式
两边取倒数得：
1 Rx 1 jR4C 4 1 C4 jR3Cx R3 jR4Cn jR4Cn Cn
总电流可以分解为电容电流 Ic 和电阻电流 IR 合成，因此：
图 2-并联模型 图 3-串联模型
（1）并联模型 认为损耗是与电容并连的电阻产生的， 如图 2， 1
这种情况 RC 两端电压相等：
U2 有 功 功 率 P R
Q
， 无 功 功 率
U2 CU 2 ，因此 电容容抗1 / C
tg