介質損失角正切值的測量

介質功率損耗與介質損耗角正切tanδ成正比，因此tanδ是絕緣品質的重要指標，測量tanδ是判斷電氣設備絕緣狀態(tài)的一種靈敏有效的方法。tanδ能反映絕緣介質的整體性缺陷(如整體老化)和小電容被試品中的嚴重局部性缺陷。由tanδ的變化曲線可以判斷介質是否受潮、含有氣泡及老化的程度。

但是測量tanδ不能靈敏地反映大容量電機、變壓器和電纜絕緣介質中的局部性缺陷，這時應盡可能將這些設備拆解成幾個部分，然后分別測量它們的tanδ。當絕緣結構由兩部分并聯(lián)組成時，其整體的介質損耗為這兩部分之和，即P=P₁+P₂。可以表示為

由此可得：，C=C₁+C₂，如果第二部分絕緣結構的體積遠小于第一部分，則有C₂遠小于C₁，C≈C₁，于是可得：

由于上式中第二項的系數(shù)C₂/C₁很小，所以當?shù)诙糠纸^緣結構出現(xiàn)缺陷時，tanδ₂的增大并不能使總的tanδ明顯增大。例如，在一臺110kV大型變壓器上測得總的tanδ為0.4%時，絕緣指標是符合要求的，但是把套管分開單獨測量時，tanδ達到了3.4%，絕緣指標不符合要求，所以當大型設備絕緣結構由幾個部分共同構成時，最好分別測量各部分的tanδ，以便發(fā)現(xiàn)缺陷。

西林電橋的基本原理

西林電橋是一種交流電橋，配以合適的標準電容器，可以在高電壓下測量電氣設備的電容值和tanδ值。西林電橋的原埋接線如圖4-6所示，有四個橋臂，橋臂1為被試品，C_x、R_x為被試品的電容和電阻；橋臂2為高壓標準電容器C_N；橋管3、4在電橋本體內，分別為可調無感電阻R₃和定值無感電阻R₄與可調電容器C₄的并聯(lián)支路，P為交流檢流計。在交流電壓的作用下，調節(jié)R₃和C₄使電橋達到平衡，即通過檢流計P的電流為零，此時有：

式中：

代人式(4-7)，經過整理得：

由于tanδ?1，所以有：

對于工頻電源，ω=100π，為計算方便，在設計電橋時取R₄=10⁴/πΩ，于是由式(4-8)可得。

取C₄的單位為μF，則在數(shù)值上，tanδ=C₄。為方便讀數(shù)，實際中將電橋面板上可調電容器C₄的數(shù)值直接標記成被試品的tanδ值，例如將C₄=0.006μF標成 tanδ=0.6%。

橋臂阻抗Z₁、Z₂比Z₃、Z₄大得多，所以正常工作時工作電壓主要作用在Z₁、Z₂上，它們被稱為高壓臂，而Z₃、Z₄為低壓臂，其作用電壓通常只有幾伏。但如果被試品或標準電容發(fā)生閃絡或擊穿時，在A、B兩點可能出現(xiàn)高電位，為確保人身和設備安全，在A、B兩點對地之間各并聯(lián)一個放電電壓約為100~200V的放電管，當電橋達到平衡時，其相量圖如圖4-7所示。

上述內容介紹的是西林電橋的正接線，被試品處于高壓側，兩端均對地絕緣，此時橋體處于低壓側，操作安全方便。但是往往現(xiàn)場的電氣設備外殼一般都接地，因此大多數(shù)情況下只能采用如圖4-8所示的反接線方式，此時檢流計P及調節(jié)元件R₃、C₄均處于高壓端，為了確保試驗人員和儀器的安全，必須采取可靠的保護措施。

影響測量結果的主要因素

1.外界電場干擾

外界電場干擾包括試驗用高壓電源和試驗現(xiàn)場高壓帶電體(例如變電所內運行的高壓母線等)所引起的電場干擾，因為在這些高壓電源與電橋各元件及連線之間存在著雜散電容，產生的干擾電流如果流過橋臂就會引起測量誤差。

圖4-9所示為電場干擾示意圖，干擾電流I_g通過雜散電容C₀流過被試設備電容C_x，因此當電橋平衡時，所測得的被試品支路的電流I_x由于加上I_g而變成了C。如圖4-10所示，當干擾電流I_g大小不變而干擾源的相位發(fā)生變化時，I_g的軌跡是以被試品電流I_x的末端為圓心，以I_g為半徑的圓。特別是當干擾源相位變化的結果使I_g的相量端點落在陰影部分的圓弧上時，tanδ將變?yōu)樨撝担@就意味著該情況下電橋在正常接線下已無法平衡，只有把C₄從橋臂4換接到橋臂3與R₃并聯(lián)(即將倒相開關打到一tanδ的位置)才能使電橋平衡，然后按照新的平衡條件計算出tanδ=-ωC₄R₃。

為避免干擾，最根本的辦法是盡量離開干擾源或者加電場屏蔽，即用金屬屏蔽罩或網(wǎng)將被試品與干擾源隔開，并將屏蔽罩與電橋本體相連，以消除C₀的影響。但在現(xiàn)場中往往難以實現(xiàn)。對于同頻率的干擾，還可以采用移相法或倒相法消除或減小對tanδ的測量誤差。

移相法是工程中常用的消除干擾的有效方法，它主要是利用移相器來改變試驗電源的相位，從而使被試品中的電流I_x與I_g同相或反相。因此測出的是真實的tanδ 值(即tanδ=ωC₄R₃)。通常在試驗電源和干擾電流同相和反相兩種情況下分別測兩次tanδ值，然后取其平均值。而正、反相兩次所測得的電流分別為l_OA、I_OB，因此被試品電容的實際值也應為正、反相兩次測得的平均值。

倒相法是移相法中的一種特殊情況，測量時將電源正接和反接各測一次，得到兩組測量結果C₁、tanδ₁和C₂、tanδ₂，根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)計算出電容C_X、tanδ。為了便于分析，假設電源的相位不變，而干擾的相位改變180°，所得到的結果與干擾相位不變而電源相位改變180°是一致的，由圖4-11可得：

當干擾較弱時(即tanδ₁與tanδ₂相差不大，C₁與C₂也相近)，式(4-12)可簡化為

2. 外界磁場的干擾

如果試驗現(xiàn)場有母線電抗器、通信濾波器和其他漏磁通較大的設備，則電橋受到磁場的干擾，有可能在電橋閉合環(huán)路內引起感應電動勢和感應環(huán)流，因而造成測量誤差。為此，在設計電橋時，要盡可能布置緊湊，以縮小環(huán)路，減小磁場干擾，理想情況下是將測量部分屏蔽起來，但是想把整個測量臂都用笨重的鐵磁體屏蔽起來實際上是不可能做到的。在現(xiàn)場遇到磁干擾時，只能使電橋遠離磁場或轉動電橋方向，以求得干擾最小的方位。若不能做到，還可以改變檢流計的極性開關進行兩次測量，然后用兩次測量的平均值作為測量結果，以此來減小磁場干擾的影響。

3. 溫度的影響

溫度對tanδ有直接影響，影響的程度隨材料、結構的不同而異。一般情況下，tanδ是隨溫度上升而增加的。現(xiàn)場試驗時，設備溫度是變化的，為便于比較，應將不同溫度下測得的tanδ值換算至20℃。應當指出，由于被試品真實的平均溫度很難準確測定，換算方法也不很準確，故換算后往往有很大誤差，因此，應盡可能在10~30℃的溫度下進行測量。

4.試驗電壓的影響

一般來說，良好的絕緣在額定電壓范圍內，tanδ值幾乎保持不變，僅在電壓很高時才略有增加，如圖4-12中的曲線1所示。當絕緣內部有缺陷時，當所加電壓不足以使氣隙發(fā)生電離時，其tanδ值與電壓的關系跟良好絕緣相比較沒有差別，但是當外加電壓升高到能夠引起氣隙電離或發(fā)生局部放電時，tanδ值開始隨電壓的升高而迅速增大，電壓回落時的電離要比電壓上升時更強一些，因而出現(xiàn)閉環(huán)曲線，如圖4-12中的曲線2所示，曲線3是絕緣受潮的情況，在較低電壓下，tanδ已較大，隨電壓的升高，tanδ繼續(xù)增大，在逐步降壓時，由于介質損失的增大已使介質發(fā)熱溫度升高，所以tanδ不能與原數(shù)值重合，而以高于升壓時的數(shù)值下降，形成開口環(huán)狀曲線。

5.被試品電容量的影響

對電容量較小的設備(套管、互感器等)，測量tanδ能有效地發(fā)現(xiàn)局部集中性和整體分布性的缺陷。但對電容量較大的設備(如大中型發(fā)電機、變壓器、電力電纜、電力電容器等)，測量tanδ只能發(fā)現(xiàn)絕緣的整體分布性缺陷，因為局部集中性的缺陷所引起的損失增加僅占總損失的極小部分，因此用測量tanδ的方法來判斷設備的絕緣狀態(tài)就很不靈敏了，對于可以分解為幾個彼此絕緣的部分的被試品，應分別測量其各個部分的tanδ值，這樣能更有效地發(fā)現(xiàn)缺陷。

6. 被試品表面泄漏電流的影響

被試品表面泄漏可能影響反映被試品內部絕緣狀況的tanδ值。在被試品的C_x小時需特別注意。為了消除或減小這種影響，測試前應將被試品表面擦干凈，必要時可加屏蔽。