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电气设备介质损失角正切tanδ测量仪器及方法

       测量tanδ仪器有平衡电桥法(QS1、QS3型西林电桥法)、不平衡电桥法(M型介质试验器)、瓦特表法、相敏电路法四种。最普遍应用测tanδ的仪器是QS1型高压西林电桥、抗干扰介质损耗测试仪等。
       一、QS1型高压西林电桥工作原理
       QS1型高压西林电桥(简称QS1电桥)的原理接线如图1-1所示。不管采用正接线、反接线,电桥平衡时检流仪计G中的电流İg=0,即
              İCE=İAC=İX
              İDE=İAD=İN
              ŪCE=ŪDE
              ŪAD=ŪAC=ŪX
       各桥臂复数阻抗值应满足
              Z3ZN=Z4ZX                            (4-8)
       式中 ZX---被试品绝缘的等值阻抗;
               Z4---R4C4并联的等阻值复阻抗。

QS1电桥的原理接线图
图1-1 QS1电桥的原理接线图

       以Z3=R3,ZN=1/(jωCN),Z4=1/[(1/R4)﹢jωC4],ZX=1/[(1/RX)﹢jωCX]代入式(4-8)得,{1/[(1/RX)﹢jωCX]}×{1/[(1/R4)﹢jωC4]}=R3/(jωCN)
       整理后
              1/(RXR4)—ω2CXC4+j(ωC4/RX﹢ωCX/R4)=j(ωCN/R3)                            (4-9)
       令式(4-9)左右的实部相等即得
              1/(RXR4)—ω2CXC4=0
              1/(ωRXCX)=ωR4C4
       则有
              tanδ=1/(ωRXCX)=ωR4C4                            (4-10)
       在电桥中,取R4=104/π≈3184(Ω)当电源频率为50Hz时,ω=2πf=100π则有
              tanδ=2πf×(104/π)×106C4  (C4单位为F)
              tanδ=C4 (C4单位为μF)                            (4-11)
       C4是可调电容,当电桥调到平衡时,C4的微法数就等于被试品的tanδ值。
       由式(4-9)虚部相等可得
              (ωC4)/RX﹢(ωCX)/R4=(ωCN)/R3
              CX=(CNR4)/R3×1/(1﹢tanδ)=(CNR4)/R3,pF                            (4-12)
       为了扩大可测得被试品电容值范围,也就是扩大允许的试品电流İX的范围,在电阻R3旁并联可分档调节的分流电阻,可使最大可测试品电容由3000pF扩大到0.4μF,如图1-2所示。

分流电阻接线图
图1-2 分流电阻接线图

       图中电桥的电阻R3,与分流电阻接成电阻三角形,三角形三边全部电阻值为(100﹢R3)Ω,电桥平衡后,电桥的左下臂电阻值R'3为RN与R3并联后的电阻,即:
              R'3=[n(R3﹢ρ)]/(100+ R3)
       式中n---分流电阻值,可以从表1-1查得

表1-1 分流电阻值
分流位置 0.01 0.025 0.06 0.15 1.25
分流电阻 100﹢R3 60 25 10 4
可测最大电容值 3000 8000 19400 48000 40000

       所测得的CX
              CX=CN(R4/R'3)=CN{[R4(100﹢R3)]/n(R3﹢ρ)}                            (4-13)
       测量电量CX对判断绝缘状况也有价值。如对耦合电容器,如果CX明显增加,常表示电容层中间有短路或水分浸入;CX明显减小,常表示内部渗油严重或层间有断线。
       二、QSI电桥的主要部件及参数
       (一)主要部件
       QS1电桥体包括桥及标准电容器,试验变压器三大部分。现以图1-3示出十五QS1电桥为例,分别介绍该电桥的各主要部分的作用。
       1.桥体调整平衡部分
       综上所述,电桥平衡是通过调整R4、C4和R3来实现的。R4是电阻值为3184Ω(1000/π)的无感电阻。C4是由25只无损电容组成的可调十进制电容箱电容(5×0.1μF﹢10×0.1μF﹢5×0.001μF),C4的电容(μF)数值直接表示为tanδ的值,C4的刻盘度未接电容值刻度,而是直接刻出tanδ的百分数。R3是十进制电阻箱电阻值(10×1000Ω﹢100×10Ω﹢10×10Ω﹢10×1Ω),它与滑线电阻ρ(ρ=1.2Ω)串联,实现在0~11111.2Ω范围内连续可调的目的。由于R3的最大允许值电流为0.01A。为扩大测量电容的范围,当被试品电容量大于3184pF时。应接入分流电阻RN(RN=100Ω,包括ρ=1.2Ω在内),接入RN后与R3形成三角形电阻回路,如图1-4所示。被试品电流İx在B点被分成İn和İ3两部分:
              İn/İ3=(RN﹣Rn﹢R3)/Rn,İx=İ3﹢İn 可得
              İ3=İx×[Rn/(RN+R3)]
       因为R3≥Rn,所以İ3≤İx,保证了电流不超过允许值;而且在转换开关B上降压就很小,避免分流转换器开关接触电阻对桥体的影响,保证了测量的准确性。

QS1电桥反接线测量原理图
图1-3 QS1电桥反接线测量原理图
QS1电桥接入分流电阻测量原理图
图1-4 QS1电桥接入分流电阻测量原理图

       2.平衡性指示器
       桥体内装有振动式交流计G作为平衡指示器,当振动式检流计线圈通过电流时,将产生交变磁场,这一磁场使得贴在吊丝上的小磁钢振动,并通过光学系统将这一振动反射到面板玻璃上,通过观察面板毛玻璃上的光带宽窄,即可知道电流的大小。面板上的“频率调节”旋钮与检流计内另一永久磁铁相连,转动这一旋钮可改变磁钢及吊丝的固有振动频率,使之与所测电流谐振,检流计大最大灵敏,这就是所谓的“调谐振”。“调零“旋钮是用来调节检流计光带的零点位置的,检流计的灵敏度是通过改变与检流计线圈并联的分流阻值来调节的。分流阻值共有11位置,其值的改变通过面板上的灵敏度转换开关进行,可从0增至10000Ω.当检流仪与电流精确共振,灵敏转换开关在10”位置时,检流计光带缩至最小,即认为电桥平衡。
       检流仪主要技术参数为:
       (1)电流常数不大于12×10-8A/mm;
       (2)阻尼时间不大于0.2s;
       (3)线圈直流电阻为40Ω;
       3.过电压保护装置。
       在R3、Z4臂上分别并联了一只放电电压为300V的放电管作为过电压保护。当电桥在使用中出现试品击穿或标准电容器击穿时,R3、Z4将承受全部试电电压,可能损坏电桥,危机人身安全,故采用了R3、Z4并联放电管的过电压保护措施。
       4.标准的电容器CN
       QS1电桥多采用BR-16型标准电容,内部为CKB50/13型真空电容器,其工作电压为10kV,电容量为50±1pF,tanδN≤0.1%.真空电容器的玻璃泡上的高、低压引起出现端子间无屏蔽,壳内空气潮湿时,表面泄漏电流增大,常使tanδ较小的试品出现负的tanδ的测量结果。标准电容器内有硅胶,需要经常更换保证壳内空气干燥。
       当用正接线测量试品时tanδ,需要更高的电压时,须选用工作电压10kV以上的标准电容器。
       5.转换开关位置“-tanδ”
       电桥面板上有一转换开关位置“-tanδ”,一般测量过程中当转换开关在“﹢tanδ”位置不能平衡时,可切换于“-tanδ”位置测量,切换后电容C4改为与R3并联,如图1-5所示。

-tanδ测量原理图
图1-5 “-tanδ”测量原理图

       电桥平衡时,
              ZXZ4=ZNZ3
       将ZX=RX/(1+jωRXCX),ZN=1/(jωCN),Z3=R3/(1+jωR3C4),Z4=R4代入 求解,可得
              CX=R4/R3×RN
              tanδr=1/(ωRXCX)=ωR3(﹣C4)×10-6
       式中 tanδr---实际试品的负介质损耗因数值;
               -C4--断臂,“-tanδ”测量值,即“-tanδ”读数 
       应当指出,“-tanδ”是没有物理意义的,仅仅是一个测量结果。出现这样的测量结果意味着流过电桥R3的电流İX超前于流过电桥Z4臂的电流İN,这既可能是İN,不变的电流İX由于某种原因超前于İN,也可能是电流İX不变而由于某种原因使İN落后于İX,还可能是上述两种原因同时存在的结果。
       “-tanδ”的测量值,并不是试品的实际介质损耗因数值,即“-tanδ”测量值不是实际试品的tanδ值。测量中得到的“-tanδ”时,首先应将其按式4-14换算为实际试品的介质损耗因数值,即
              tanδr=ωR3(-C4)×10-6
              =314R3(-C4)×10-6
              =(106/3184)R3(-C4)×10-6
              =R3/R4(-C4)=R3/R4(-tanδ)
       为方便计算,一般令
              tanδr=(R3/R4)|-tanδ|
       如一试品在“-tanδ”测得R3=500Ω,ρ=,0.4Ω,tanδ(%)=-12,代入式(4-15)中得
              tanδr=(R3/R4)|-tanδ|=500.4/3184|-12|=1.88
       接入分流电阻后,换算公式为
              tanδr=100R3/[(R3+100)R4]|-tanδ|
              由于出现一个“-tanδ”均须倒相测量,上述换算值可作为倒相的一个测量计算值计算。
       -tanδ产生主要原因有:
       (1)强电场干扰。如图1-6所示,当信号İg叠加于信号İX时,造成叠加信号即流过电桥第三臂R3的电流R'x相位超前于İN,造成-tanδ值(-tanδm<0)。这种情况只有把切换开关置于“-tanδ”时,电桥才能平衡。
       (2)tanδN>tanδX。当电容器真空饱受潮湿后,其tanδN值大于被试品的tanδX值,如图1-7所示,由于İN滞后于İX,故出现-tanδ值(tanδm<0)测量结果。

电场干扰下产生-tanδ的相量图
图1-6 电场干扰下产生-tanδ的相量图
标准电容tanδ<sub>N</sub>>tanδ<sub>X</sub>时,产生-tanδ的相量图
图1-7 标准电容tanδN>tanδX时,产生-tanδ的相量图

       (3)空间干扰。如图1-8所示,测量有抽取电压装置的电容式套管时,当装有抽取电压装置的套管表面脏污,测量电容器C1和抽取电压的电容C2串联时等值介质损耗因数时,抽取电压套管表面脏污造成的电流İg使得İX超前于İN,造成-tanδ测量结果。

测量有电压抽取装置的电容式套管时的原理接线图和产生-tanδ的相量图
图1-8 测量有电压抽取装置的电容式套管时的原理接线图和产生-tanδ的相量图
(a)原理接线图;(b)相量图

       另外,如出现接线错误等其他情况时,也会出现-tanδ测量结果。
       (二)QS1电桥的技术参数
       高压50Hz测量时QS1电桥的技术参数
       (1)tanδ测量范围为0.005~0.6
       (2)测量电容范围为0.3×10-3~0.4μF
       (3)tanδ值的测量误差:当tanδ为0.005~0.03时,绝对误差不大于±0.003,当tanδ为0.03~0.06时,相对误差不大于测定值的±10%
       (4)电容量测量误差不大于±5%。
       低压50Hz测量时QS1电桥的参数:
       (1)tanδ测量范围及误差与高压测量相同
       (2)电容测量范围:标准电容为0.001μF时,测量范围为0.3×10-3~10μF,标准电容为0.01μF时,测量范围为0.3×10-3~100μF
       (3)电容测量误差为测定值的±5%。

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