电气设备的质损失角正切值试验

电气设备的介质损失角正切值试验

电介质就是绝缘材料。当研究绝缘物质在电场作用下所发生的物理现象时，把绝缘物质称为电介质；而从材料的使用观点出发，在工程上把绝缘物质称为绝缘材料。既然绝缘材料不导电，怎么会有损失呢？我们确实总希望绝缘材料的绝缘电阻愈高愈好，即泄漏电流愈小愈好，但是，世界上绝对不导电的物质是没有的。任何绝缘材料在电压作用下，总会流过一定的电流，所以都有能量损耗。把在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。

如果电介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化（发脆、分解等），如果介质温度不断上升，甚至会把电介质熔化、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。

在外加交流电压作用下，绝缘介质就流过电流，电流在介质中产生能量损耗，这种损耗成为介质损耗。介质损耗很大时，就会使介质温度升高而老化，甚至导致热击穿。因此，介质损耗的大小就反映了介质的优劣状况。

当绝缘物上加交流电压时，可以把介质看成为一个电阻和电容并联组成的等值电路，如图1-15（a ）所示。根据等值电路可以作出电流和电压的相量图，如图1-15（b ）所示。

U I

I R I (a)(b)

图1-15 在绝缘物上加交流电压时的等值电路及相量图

（a ）介质等值电路 （b ）等值电路电流、电压相量

由相量图可知，介质损耗由R I &产生，夹角δ大时，R I &就越大，故称δ为介质损失角，

其正切值为

R C I U/R 1tg I U/C CR

δωω=== （1-8） 介质损耗 22U P=U Ctg R

ωδ= （1-9） 由上式可见，当U 、ω、C 一定时，P 正比于tg δ，所以用tg δ来表征介质损耗。 测量tg δ（cos ϕ）的灵敏度较高，可以发现绝缘的整体受潮、劣化、变质及小体积设备的局部缺陷。

一、介质损失角正切值的测量原理

介质损失角正切的测量方法很多，从原理上来分，可分为平衡测量法和角差测量法两类。传统的测量方法为平衡测量法，即高压西林电桥法。由于技术的发展和检测手段的不断完善，角差测量法使用的越来越普遍。

（一）用高压西林电桥法测量tgδ

当绝缘受潮、老化时，有功电流R I 将增大，tg δ也增大。通过测tg δ可以反映出绝缘的

分布性缺陷。如果缺陷是集中性的，有时测tg δ就不灵敏，这是因为集中性缺陷为局部的，可以把介质分为缺陷和无缺陷的两部分；无缺陷的部分为R 1和C 1的并联；有缺陷部分为R 2和C 2的并联。则：

12

P P P =+ （1-10） 2221122CU tg C U tg C U tg ωδωδωδ=+ （1-11）

1212C C tg tg tg C C

δδδ=+ （1-12） 当有缺陷部分占的比例很小时，22δtg C

C 就很小，所以测整体的tg δ时就不易发现局部缺陷。

在《电力设备预防性试验规程》中对电机、电缆等绝缘，因为缺陷的集中性及体积较大，通常不做此项试验；而对套管、电力变压器、互感器、电容器等则做此项试验。

我国目前使用的测tg δ试验装置有西林电桥（图1-16给出了QS 1西林电桥的三种试验接线），M 型介质试验器，还有P5026M 型交流电桥、GWS-1型光导微机介质损耗测试仪等，具体的使用方法可参见制造厂说明。本节主要介绍西林电桥法测量tg δ。

西林电桥的两个高压桥臂，分别由试品Z N 及无损耗（tg 0δ≈）的标准电容器C N 组成；两个低压桥臂，分别由无感电阻R 3及无感电阻R 4与电容C 4并联组成，如图1-16所示。各桥臂的导纳为

X X C R Y ωj 1x

+= N N j C Y ω=

331R Y = 44

4j 1C R Y ω+= 调节R 3、C 4使电桥达到平衡时，应满足

N X Y Y Y Y 34=

即 N 344j 1j 1j 1C R C R C R X X ωωω⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+ （1-13）

解此方程，实部、虚部分别相等，可得

44x

1R C R C tg x ωωδ== （1-14） δ2N 3411tg C R R C x += （1-15）

当tgδ<0.1，误差允许不大于1%时，式（1-15）可改写为

34N R R C C x = （1-16）

高压西林电桥是用于工频高压，于是ω=2πf =100π是固定的；同时电桥中的R 4取

Ωπ410，也是固定的，这时

tgδ=ωR 4C 4=KC 4×106 （1-17）

式中C 4的单位是F ，若C 4以μF 计则上式可写为

tgδ=KC 4 （1-18）

式中 K=F -1。

于是C 4就可以直接读为tgδ。在西林电桥上tgδ是直读的。C x 是按R 3的读数，通过式（1-15）计算得出。C N 一般都用100pF ，个别也有用50pF 或1000pF ，但都是固定已知值。

高压西林电桥的高压桥臂的阻抗比对应的低压臂阻抗大得多，所以电桥上施加的电压绝大部分都降落在高压桥臂上，只要把试品和标准电容器放在高压保护区，用屏蔽线从其低压端连接到低压桥臂上，则在低压桥臂上调节R 3和C 4就很安全，而且测量准确度较高，但这种方法要求被试品高低压端均对地绝缘。

(a)

(b)

(c)

图1-16 QS1型西林电桥原理接线

（a）正接线（b）反接线（c）对角线接线

Z x—被测绝缘阻抗；C N—标准电容；R3—可变电阻；C4—可变电容；G—检流计

图1-16（a）正接线用于两极对地绝缘的设备，用于试验室或绕组间测tgδ。图1-16（b）

反接线用于现场被试设备为一极接地的设备，要求电桥有足够的绝缘。由于R3和C4处于高电位，为保证操作的安全应采取一定的措施。一个办法是将电桥本体和操作者一起放在绝缘台上或放在一个叫法拉第笼的金属笼里对地绝缘起来，使操作者与R3、C4处于等电位。另一种办法是人通过绝缘连杆去调节R3和C4。现场试验通常采用反接线试验方法。图1-16（c）对角线接线用于被试设备为一极接地的设备且电桥没有足够的绝缘。

电桥测试中的注意事项：

在电桥测试中，有些问题往往容易被忽视，使测量数据不能反映被试设备的真实情况，常被忽视的问题有：

（1）外界电场干扰的影响。在电压等级较低（例如35kV电压等级）的电气设备tgδ测

试中，容易忽视电场干扰的影响。

（2）高压标准电容器的影响。现场经常使用的BR-16型标准电容器，电容量为50pF，要求tgδ%<0.1%。由于标准电容器经过一段时间存放、应用和运输后，本身的质量在不断

变化，会受潮、生锈，如忽视了这些质量问题，同样会影响测试的数据。

（3）试品电容量变化的影响。在用QS1型西林电桥测量电气设备绝缘状况时，往往重

视tgδ值，而容易忽视试品电容量的变化，由此而产生一些事故。

（4）消除表面泄漏的方法。当测量电气设备绝缘的tgδ时，空气相对湿度对其测量结

果影响很大，当绝缘表面脏污，且又处于湿度较大的环境中时，表面泄漏电流增加，对其测量结果影响更大。

采取其有效的方法，如电热风法、瓷套表面瓷群涂擦法、化学去湿法等。

（5）测试电源的选择。在现场测试中，有时会遇到试验电压与干扰电源不同步，用移相等方法也难以使电桥平衡的情况。

（6）电桥引线的影响：

1）引线长度的影响。分析研究表明，在一般情况下，Cx引线长度约为5~10m，其电