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<tg δ，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。

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tgδ=2πfRC，并联模型tgδ=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tgδ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：
不同的电桥测量这两个试品，其介损都是31.4％，但西林电桥（2801或QS1）测量的电容量是10000pF ，电流比较仪电桥（如QS30）测量的电容量是9101.7pF 。

这是因为2801电桥认为试品损耗是串连模型，QS30认为试品是并联模型。

通常认为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，而电极本身电阻为零，没有损耗。

实际上当介损在10％以下时，这种电容量的差别是很小的。

(2) 变频测量
从事现场试验的专家都有这样的经验：使用传统仪器，如QS1，在干扰严重的现场环境下测量介损，采用移相、倒相方法反复测量，仍无法使电桥平衡。

随着电压等级提高，干扰越来越严重。

这种情况下变频测量是一个很好的、甚至是唯一的选择。

变频测量的抗干扰能力比移相、倒相法提高一个数量级以上。

这好比两个电台在同一个频率上，很难将另一个信号抑制掉，但如果两个电台的频率不同，则很容
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。

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。