介质损耗角正切值的测量

介质损耗角正切值的测量

介质的功率损耗P与介质损耗角正切tanδ成正比，所以后者是绝缘品质的重要指标，测量tanδ值是判断电气设备绝缘状态的一项灵敏有效的方法。当设备绝缘的tanδ超过了表4-1中的数值，就可能表示电介质严重发热，设备面临发生爆炸的危险。因此，当tanδ超过设备绝缘预警值的时候，意味着绝缘存在严重缺陷，应立即进行检修。

表 4-1 套管和电流互感器在某温度时的tanδ(%)最大容许值

tanδ能反映绝缘的整体性缺陷(例如，全面老化)和小电容试品中的严重局部性缺陷。由tanδ随电压而变化的曲线，可判断绝缘是否受潮、含有气泡及老化的程度。

该方法存在的主要问题：测量tanδ不能灵敏地反映大容量发电机、变压器和电力电缆(它们的电容量都很大)绝缘中的局部性缺陷，这时应尽可能将这些设备分解成几个部分，然后分别测量它们的tanδ。

1西林电桥测量法的基本原理

西林电桥的原理接线如图4-6所示。其中被试品以并联等效电路表示，其等效电容和电阻分别为Cx和Rx；R3为可调的无感电阻；CN为高压标准电容器的电容；C4为可调电容；R4为定值无感电阻；P为交流检流计。

在交流电压U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，说明A、B两点间无电位差，因而

可得

桥臂CA和AD中流过的电流相同，均为；桥臂CB和BD中流过的电流也相同，均为。所以各桥臂电压之比也即相应的桥臂阻抗之比，故由式(4-19)可写出

将

分别代入式(4-20)中，并使等式两侧实数部分和虚数部分分别相等，即可求得试品电容Cx和等效电阻Rx。

介质并联等效电路的介质损耗角正切值为

如果被试品用rx和Kx的串联等效电路表示，则Z1=rx+1/jωKx，代入式(4-20)之后，也可以获得tanδ=ωKxrx=ωC4R4的结果。

因为ω=2πf=100π，如取R4=10000/πΩ，并取C4的单位为μF，则式(4-24)简化为

为了读数方便起见，可以将电桥面板上可以调电容C4的μF值直接标记成被试品的  tanδ值。

同时，试品的电容CX也可以按下式求得

因为tanδ<<1。如果被试品用串联等效电路表示，也可得出同样的结果。

由于电介质的tanδ值有时会随着电压的升高而起变化，所以西林电桥的工作电压U不宜太低，通常采用5～10kV。更高的电压也不宜采用，因为那样会增加仪器的绝缘难度和影响操作安全。

通常桥臂阻抗Z1和Z2要比Z3和Z4大得多，所以工作电压主要作用在Z1和Z2上，因此它们被称为高压臂，而Z3和Z4为低压臂，其作用电压往往只有数伏。为了确保人身和设备安全，在低压臂上并联有放电管(A、B两点对地)，以防止在R3、C4等需要调节的元件上出现高电压。

电桥达到平衡的相量图如图4-7所示，其中x

；和分别为流过CX和RX的电流，；和分别为流过C4和R4的电流，。由相量图不难看出

电桥的平衡是通过R3和C4来改变桥臂电压的大小和相位来实现的。在实际操作中，由于R3和Z4相互之间也有影响，故需反复调节R3和C4，才能达到电桥的平衡。

上面介绍的是西林电桥的正接线，可以看出，这时接地点放在D点，被试品C的两端均对地绝缘。实际上，绝大多数电气设备的金属外壳是直接放在接地底座上的，换言之，被试品的一极往往是固定接地的。这时就不能用上述正接线来测量它们的tanδ，而应改用图4-8所示的反接线法进行测量。

在反接线的情况下，电桥调平衡的过程以及所得的tanδ和CX的关系式，均与正接线时无异。所不同者在于：这时接地点移至C点，原先的两个调节臂直接换接到高电压下，这意味着各个调节元件(R3、C4)、检流计P和后面要介绍的屏蔽网均处于高电位，故必须保证足够的绝缘水平和采取可靠的保护措施，以确保仪器和测试人员的安全。

2 西林电桥测量法的电磁干扰

1.外界电场干扰

外界电场干扰主要是干扰电源(包括试验用高压电源和试验现场高压带电体)通过带电设备与被试设备之间的电容耦合造成的。图4-9a所示为电场干扰的示意图。干扰电流Ig通过耦合电容C0流过被试设备电容Cx，于是在电桥平衡时所测得的被试品支路的电流Ix，由于加上Ig而变成了Ix。在干扰电流Ig大小不变而干扰源的相位连续变化时，Ig的轨迹为以被试品电流Ix的末端为圆心，以I为半径的一个圆，如图4-9b所示。在某些情况下，当干扰结果使Ig的相量端点落在阴影部分的圆弧上时，tanδ值将变为负值，这时电桥在正常接线下已无法达到平衡，只有把C4从桥臂4换接到桥臂3与R3并联(即将倒向开关打到-tanδ的位置)，才能使电桥平衡，并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来消除或减小对tanδ的测量误差。

移相法是现场常用的消除干扰的有效方法，其基本原理是：利用移相器改变试验电源的相位，使被试品中的电流Ix与Ig同相或反相，此时，因此测出的是真实的tanδ值，即tanδ=ωC4R4，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，然后取其平均值。而正、反相两次所测得的电流分别为IOA和IOB，因此被试品电容的实际值应为正、反相两次测得的平均值。

倒相法是移相法中的特例，比较简便。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Cx和tanδ。为分析方便，可假定电源的相位不变，而干扰的相位改变180°，这样得到的结果与干扰相位不变电源相位改变180°是一致的。由图4-10 可得

当干扰不大，即tanδ1，与tanδ2相差不大、C1与C2相差不大时，式（4-28）可简化为

即可取两次测量结果的平均值，作为被试品的介质损耗角正切值。

2.外界磁场干扰 8

外界磁场干扰主要是测试现场附近有漏磁通较大的设备（电抗器、通信的滤波器等）时，其交变磁场作用于电桥检流计内的电流线圈回路而造成的。为了消除磁场干扰，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。

3西林电桥测量法的其他影响因素

1.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是很难准确测定的，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。

2.试验电压的影响

一般来说，良好的绝缘在额定电压范围内，其tanδ值几乎保持不变，如图4-11中的曲线 1所示。

如果绝缘内部存在空隙或气泡时，情况就不同了，当所加电压尚不足以使气泡电离时，其tanδ值与电压的关系与良好绝缘没有什么差别；但当所加电压大到能引起气泡电离或发生局部放电时，tanδ值即开始随U的升高而迅速增大，电压回落时电离要比电压上升时更强一些，因而会出现闭环状曲线，如图4-11中的曲线2所示。如果绝缘受潮，则电压较低时的tanδ值就已相当大，电压升高时，tanδ更将急剧增大；电压回落时，tanδ也要比电压上升时更大一些，因而形成不闭合的分叉曲线，如图4-11中的曲线3所示，主要原因是介质的温度因发热而提高了。求出tanδ与电压的关系，有助于判断绝缘的状态和缺陷的类型。

3.试品电容量的影响

对电容量较小的设备(套管、互感器、耦合电容器等)，测量tanδ能有效地发现局部集中性的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只占总损失的极小部分，这样用测量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。

4.试品表面泄漏的影响

试品表面泄漏电阻总是与试品等效电阻RX并联着，显然会影响所测得的tanδ值，这在试品的CX较小时尤需注意。为了排除或减小这种影响，在测试前应清除绝缘表面的积污和水分，必要时还可在绝缘表面上装设屏蔽极。