介质损失角正切值的测量与西林电桥的基本原理

介质损失角正切值的测量

介质功率损耗与介质损耗角正切tanδ成正比，因此tanδ是绝缘品质的重要指标，测量tanδ是判断电气设备绝缘状态的一种灵敏有效的方法。tanδ能反映绝缘介质的整体性缺陷(如整体老化)和小电容被试品中的严重局部性缺陷。由tanδ的变化曲线可以判断介质是否受潮、含有气泡及老化的程度。

但是测量tanδ不能灵敏地反映大容量电机、变压器和电缆绝缘介质中的局部性缺陷，这时应尽可能将这些设备拆解成几个部分，然后分别测量它们的tanδ。当绝缘结构由两部分并联组成时，其整体的介质损耗为这两部分之和，即P=P₁+P₂。可以表示为

由此可得：，C=C₁+C₂，如果第二部分绝缘结构的体积远小于第一部分，则有C₂远小于C₁，C≈C₁，于是可得：

由于上式中第二项的系数C₂/C₁很小，所以当第二部分绝缘结构出现缺陷时，tanδ₂的增大并不能使总的tanδ明显增大。例如，在一台110kV大型变压器上测得总的tanδ为0.4%时，绝缘指标是符合要求的，但是把套管分开单独测量时，tanδ达到了3.4%，绝缘指标不符合要求，所以当大型设备绝缘结构由几个部分共同构成时，最好分别测量各部分的tanδ，以便发现缺陷。

西林电桥的基本原理

西林电桥是一种交流电桥，配以合适的标准电容器，可以在高电压下测量电气设备的电容值和tanδ值。西林电桥的原埋接线如图4-6所示，有四个桥臂，桥臂1为被试品，C_x、R_x为被试品的电容和电阻；桥臂2为高压标准电容器C_N；桥管3、4在电桥本体内，分别为可调无感电阻R₃和定值无感电阻R₄与可调电容器C₄的并联支路，P为交流检流计。在交流电压的作用下，调节R₃和C₄使电桥达到平衡，即通过检流计P的电流为零，此时有：

式中：

代人式(4-7)，经过整理得：

由于tanδ«1，所以有：

对于工频电源，ω=100π，为计算方便，在设计电桥时取R₄=10⁴/πΩ，于是由式(4-8)可得。

取C₄的单位为μF，则在数值上，tanδ=C₄。为方便读数，实际中将电桥面板上可调电容器C₄的数值直接标记成被试品的tanδ值，例如将C₄=0.006μF标成 tanδ=0.6%。

桥臂阻抗Z₁、Z₂比Z₃、Z₄大得多，所以正常工作时工作电压主要作用在Z₁、Z₂上，它们被称为高压臂，而Z₃、Z₄为低压臂，其作用电压通常只有几伏。但如果被试品或标准电容发生闪络或击穿时，在A、B两点可能出现高电位，为确保人身和设备安全，在A、B两点对地之间各并联一个放电电压约为100~200V的放电管，当电桥达到平衡时，其相量图如图4-7所示。

上述内容介绍的是西林电桥的正接线，被试品处于高压侧，两端均对地绝缘，此时桥体处于低压侧，操作安全方便。但是往往现场的电气设备外壳一般都接地，因此大多数情况下只能采用如图4-8所示的反接线方式，此时检流计P及调节元件R₃、C₄均处于高压端，为了确保试验人员和仪器的安全，必须采取可靠的保护措施。

影响测量结果的主要因素

1.外界电场干扰

外界电场干扰包括试验用高压电源和试验现场高压带电体(例如变电所内运行的高压母线等)所引起的电场干扰，因为在这些高压电源与电桥各元件及连线之间存在着杂散电容，产生的干扰电流如果流过桥臂就会引起测量误差。

图4-9所示为电场干扰示意图，干扰电流I_g通过杂散电容C₀流过被试设备电容C_x，因此当电桥平衡时，所测得的被试品支路的电流I_x由于加上I_g而变成了C。如图4-10所示，当干扰电流I_g大小不变而干扰源的相位发生变化时，I_g的轨迹是以被试品电流I_x的末端为圆心，以I_g为半径的圆。特别是当干扰源相位变化的结果使I_g的相量端点落在阴影部分的圆弧上时，tanδ将变为负值，这就意味着该情况下电桥在正常接线下已无法平衡，只有把C₄从桥臂4换接到桥臂3与R₃并联(即将倒相开关打到一tanδ的位置)才能使电桥平衡，然后按照新的平衡条件计算出tanδ=-ωC₄R₃。

为避免干扰，最根本的办法是尽量离开干扰源或者加电场屏蔽，即用金属屏蔽罩或网将被试品与干扰源隔开，并将屏蔽罩与电桥本体相连，以消除C₀的影响。但在现场中往往难以实现。对于同频率的干扰，还可以采用移相法或倒相法消除或减小对tanδ的测量误差。

移相法是工程中常用的消除干扰的有效方法，它主要是利用移相器来改变试验电源的相位，从而使被试品中的电流I_x与I_g同相或反相。因此测出的是真实的tanδ 值(即tanδ=ωC₄R₃)。通常在试验电源和干扰电流同相和反相两种情况下分别测两次tanδ值，然后取其平均值。而正、反相两次所测得的电流分别为l_OA、I_OB，因此被试品电容的实际值也应为正、反相两次测得的平均值。

倒相法是移相法中的一种特殊情况，测量时将电源正接和反接各测一次，得到两组测量结果C₁、tanδ₁和C₂、tanδ₂，根据这两组数据计算出电容C_X、tanδ。为了便于分析，假设电源的相位不变，而干扰的相位改变180°，所得到的结果与干扰相位不变而电源相位改变180°是一致的，由图4-11可得：

当干扰较弱时(即tanδ₁与tanδ₂相差不大，C₁与C₂也相近)，式(4-12)可简化为

2. 外界磁场的干扰

如果试验现场有母线电抗器、通信滤波器和其他漏磁通较大的设备，则电桥受到磁场的干扰，有可能在电桥闭合环路内引起感应电动势和感应环流，因而造成测量误差。为此，在设计电桥时，要尽可能布置紧凑，以缩小环路，减小磁场干扰，理想情况下是将测量部分屏蔽起来，但是想把整个测量臂都用笨重的铁磁体屏蔽起来实际上是不可能做到的。在现场遇到磁干扰时，只能使电桥远离磁场或转动电桥方向，以求得干扰最小的方位。若不能做到，还可以改变检流计的极性开关进行两次测量，然后用两次测量的平均值作为测量结果，以此来减小磁场干扰的影响。

3. 温度的影响

温度对tanδ有直接影响，影响的程度随材料、结构的不同而异。一般情况下，tanδ是随温度上升而增加的。现场试验时，设备温度是变化的，为便于比较，应将不同温度下测得的tanδ值换算至20℃。应当指出，由于被试品真实的平均温度很难准确测定，换算方法也不很准确，故换算后往往有很大误差，因此，应尽可能在10~30℃的温度下进行测量。

4.试验电压的影响

一般来说，良好的绝缘在额定电压范围内，tanδ值几乎保持不变，仅在电压很高时才略有增加，如图4-12中的曲线1所示。当绝缘内部有缺陷时，当所加电压不足以使气隙发生电离时，其tanδ值与电压的关系跟良好绝缘相比较没有差别，但是当外加电压升高到能够引起气隙电离或发生局部放电时，tanδ值开始随电压的升高而迅速增大，电压回落时的电离要比电压上升时更强一些，因而出现闭环曲线，如图4-12中的曲线2所示，曲线3是绝缘受潮的情况，在较低电压下，tanδ已较大，随电压的升高，tanδ继续增大，在逐步降压时，由于介质损失的增大已使介质发热温度升高，所以tanδ不能与原数值重合，而以高于升压时的数值下降，形成开口环状曲线。

5.被试品电容量的影响

对电容量较小的设备(套管、互感器等)，测量tanδ能有效地发现局部集中性和整体分布性的缺陷。但对电容量较大的设备(如大中型发电机、变压器、电力电缆、电力电容器等)，测量tanδ只能发现绝缘的整体分布性缺陷，因为局部集中性的缺陷所引起的损失增加仅占总损失的极小部分，因此用测量tanδ的方法来判断设备的绝缘状态就很不灵敏了，对于可以分解为几个彼此绝缘的部分的被试品，应分别测量其各个部分的tanδ值，这样能更有效地发现缺陷。

6. 被试品表面泄漏电流的影响

被试品表面泄漏可能影响反映被试品内部绝缘状况的tanδ值。在被试品的C_x小时需特别注意。为了消除或减小这种影响，测试前应将被试品表面擦干净，必要时可加屏蔽。