高低频下测量介质损耗角正切的原理

如前所述，介质损耗角正切tanδ是在交流电压作用下，电介质中电流的有功分量与无功分量的比值，它是一个无量纲的数。在一定的电压和频率下，它反映电介质内单位体积中能量损耗的大小，它与电介质的体积尺寸大小无关。因此，能从测得的tanδ 数值直接了解绝缘情况。

介质损耗角正切tanδ的测量是判断绝缘状况的一种比较灵敏和有效的方法，从而在电气设备制造、绝缘材料的鉴定以及电气设备的绝缘试验等方面得到了广泛的应用，特别对受潮、老化等分布性缺陷比较有效，对小体积设备比较灵敏，因而tanδ的测量是绝缘试验中一个较为重要的项目。

如果绝缘内的缺陷不是分布性而是集中性的，则用测tanδ值来反映绝缘的状况就不很灵敏，被试绝缘的体积越大，越不灵敏，因为此时测得的tanδ反映的是整体绝缘的损耗情况，而带有集中性缺陷的绝缘是不均匀的，可以看成是由两部分介质并联组成的绝缘，其整体的介质损耗为这两部分损耗之和，即

或              

得                        

且                             

若整体绝缘中体积为V₂的一小部分绝缘有缺陷，而大部分良好的绝缘的体积为V₁，即V₂≪V₁，则得C₂≪C₁，C≈C₁)，于是

                    （3-3）

由于式(3-3)中的系数很小，所以当第二部分的绝缘出现缺陷，tanδ增大时，并不能使总的tanδ值明显增大。只有当绝缘有缺陷部分所占的体积较大时，在整体的tanδ中才会有明显的反映。例如在一台110kV大型变压器上测得总的tanδ为0.4%，是合格的，但把变压器套管分开单独测得tanδ达3.4%就不合格。所以当变压器等大设备的绝缘由几部分组成时，最好能分别测量各部分的tanδ，以便于发现绝缘的缺陷。

电机、电缆等设备，运行中的故障多为集中性缺陷发展造成的，用测tanδ的方法不易发现绝缘的缺陷，故对运行中的电机、电缆等设备进行预防性试验时，不测tanδ。而对套管绝缘，因其体积小，故tanδ测量是一项不可少且较为有效的试验。当固体绝缘中含有气隙时，随着电压的升高，气隙中将产生局部放电，使tanδ急剧增大，因此在不同电压下测量tanδ，不仅可判断绝缘内部是否存在气隙，而且还可以测出局部放电的起始电压U₀，显然U₀的值不应低于电气设备的工作电压。

在用tanδ 值判断绝缘状况时，除应与有关标准规定值进行比较外，同样必须与该设备历年的tanδ值相比较以及与处于同样运行条件下的同类型其他设备相比较。即使tanδ值未超过标准，但与过去比较或与同样运行条件下的同类型其他设备比，tanδ值有明显增大时，必须要进行处理，以免在运行中发生事故。

一、QS1型电桥原理

在绝缘预防性试验中，常用来测量设备绝缘的tanδ值和电容C值和方法是采用QS1电桥(平衡电桥)，其原理接线图如图3-4所示。它有四个桥臂组成，臂1为被试品Z_x，图中用C_X及R_X的并联等值电路来表示；臂2为标准无损电容器C_N，一般为50pF，它是用空气或其他压缩气体作为介质(常用氮气)，其tanδ值很小，可认为零；臂3、4为装在电桥本体内的操作调节部分，包括可调电阻R₃、可调电容C₄及与其并联的固定电阻R₄。外加交流高压电源(电压一般为10kV)，接到电桥的对角线CD上，在另一对角线AB上则接上平衡指示仪表G，G一般为振动式检流计。

进行测量时，调节R₃、C₄，使电桥平衡，即使检流计中的电流为零，或U_AB为零，这时有

将上述阻抗值代入式(3-4)，并使等式左右的实数部分和虚数部分分别相等，即可求得

                            (3-5)

因tanδ很小，tan²δ≪1，故得

                                        （3-6）

由于我国使用的电源频率为50HZ，故ω=2Πf=100Π,为了便于读数，在电桥制造时常取R₄=10⁴/Π=3184Ω，因此

      （3-7）

这样，当调节电桥平衡时，在分度盘上C₄的数值就直接以tanδ(%)来表示，读取数值极为方便。

为了避免外界电场与电桥各部分之间产生的杂散电容对电桥产生干扰，电桥本体必须加以屏蔽，如图3-4中的虚线所示。由被试品和标准无损电容器连到电桥本体的引线也要使用屏蔽导线。在没有屏蔽时，出高压引线到A、B两点间的杂散电容分别与C_X与C_N并联(见图3-4)，将会影响电桥平衡。加上屏蔽后，上述杂散电容变为高压对地的电容，与整个电桥并联，就不影响电桥的平衡了。但加上屏蔽后，屏蔽与低压臂3、4间也有杂散电容存在，如果要进一步提高测量的标准度，必须消除它们的影响，但在一般情况下，由于低压臂的阻抗及电压降都很小，这些杂散电容的影响可以忽略不计。

二、接线方式

用国产QS1型电桥测量tanδ时，常有两种接线方式。

1.正接线

图3-4所示接线方式中，电桥的C点接到电源的高压端，D点接地，这种接线称为正接线。此种接线由于桥臂1及2的阻抗Z_X和Z_N的数值比Z₃和Z₄大得多，外加高电压大部分降落在桥臂1及2上，在调节部分R₃及C₄上的电压降通常只有几伏，对操作人员没有危险。为了防止被试品或标准电容器一旦发生击穿时在低压臂上出现高电压，在电桥的A、B点上和接地的屏蔽间接有放电管F，以保证人身和设备的安全。正接线测量的准确度较高，试验时较安全，对操作人员无危险，但要求被试品不接地，两端部对地绝缘，故此种接线适用于试验室中，不适用于现场试验。

2.反接线

现场电气设备的外壳大都是接地的，当测量一极接地的试品的tanδ时，可采用如图3-5所示的反接线方式，即把电桥的D点接到电源的高压端，而将C点接地，在这种接线中，被试品处于接地端，调节元件R₃、C₄处于高压端，因此电桥本体(图3-4虚线框内)的全部元件对机壳必须具有高绝缘强度，调节手柄的绝缘强度更应能保证人身安全，国产便于携带式QS1型电桥的接线即属这种方式。

三、干扰的产生与消除

在现场测量tanδ时，特别是在110kV及以上的变电所进行测量时，被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采用了前面所述的屏蔽，但对被试品通常无法做到全部屏蔽，如图3-6所示。这时等值干扰电源电压U´就会通过与被试品高压电极间的杂散电容C´产生干扰电流I´，因而影响测量的准确。

当电桥平衡时，流过检流计的电流I_G=0，此时检流计支路可看作开路，干扰电流I´在通过C´以后分成两路，一路经C_X入地，另一路经R₃及试验变压器的漏抗入地，由于前者的阻抗远大于后者，故可以认为I´实际上全部流过R₃。在现场进行测量时，不但受到电场的下扰，还可能受到磁场的干扰。一般情况下，磁场的干扰较小，而且电桥本体都有磁屏蔽，C_X及C_N的引线虽较长，但其阻抗较大，感应弱时，不能引起大的干扰电流。但当电桥靠近电抗器等漏磁通较大的设备时，磁场的干扰较为显著。通常，这一干扰主要是由于磁场作用下电桥检流计内的电流线圈回路所引起的。可以把检流计的极性转换开关放在断开位置，此时如果光带变宽，即说明有此种干扰。为了消除干扰的影响，可设法将电桥移到磁场干扰范围以外。若不能做到，则可以改变检流计极性开关进行两次测量，用两次测量的平均值作为测量结果，以减小磁场干扰的影响。

四、测量 tanδ时的注意事项

(1)无论采用何种接线方式，电桥本体必须良好接地。

(2)反接线时，三根引线均处于高压，必须悬空，与周围接地体应保持足够的绝缘距离。此时，标准电容器外壳带高电压，也不应有接地的物体与外壳相碰。

(3)为防止检流计损坏，应在检流计灵敏度低时接通或断开电源。

(4)在体积较大的设备中存在局部缺陷时，测量总体的tanδ 不易反映；而对体积较小的设备就比较容易发现绝缘缺陷，为此，对能分开测量的试品应尽量分开测量。

(5)一般绝缘的tanδ均随温度的上升而增大。各种试品在不同温度下的tanδ值也不可能通过通用的换算式获得准确的换算结果。故应争取在差不多的温度下测量tanδ值，并以此作相互比较。通常都以20℃时的值作为标准(绝缘油例外)。为此，一般要求在10～30℃的范围内进行测量。

(6)试验时被试品的表面应当干燥、清洁，以消除表面泄漏电流的影响。

(7)在进行变压器、电压互感器等绕组的tanδ值和电容值的测量时，应将被试设备所有绕组的首尾短接起来，否则会产生很大的误差。