测量介质损耗的原理和一些常见方法（QS37A介质损耗因数测试仪）

测量介质损耗的原理和一些常见方法

介质损耗的测量,传统上有电桥法、谐振法、伏安法等，但由于这些方法具有测量精度低或者操作繁琐等缺点，现已逐渐被淘汰。近年来，随着微机测量技术的发展，应用微机实现介质损耗测量系统不断涌现，介质损耗测量技术发展到一个新时代。目前，应用微机实现的介质损耗测量方法主要有矢量法、谐波分析法、过零点电压比较法、过零检测鉴相法等。

① 矢量法：矢量法是利用电压向量、电流向量求出tgδ值的方法，实质是利用了伏安法的原理.矢量法中最常用的有两种：一种是基波相位分离法，即利用三角函数的正交性,把高次谐波分量消除，把基波分离出来，再通过微机采样和数据处理计算出tgδ值，这种方法能有效克服谐波干扰带来的误差，但其测量精度受A/D变换器的位数限制，要使用高位数的A/D变换器才能获得高的测量精度;另一种是自由向量法，这种方法无须选择参考向量，依据的是电压信号与电流信号之间的相对位置和各自模的大小不变的原理来计算tgδ值的，这种方法硬件构成简单,但正弦信号的频率不稳、波形畸变、外磁场干扰及元器件误差等都易引起测量误差.

② 谐波分析法:谐波分析法,就是利用数字频谱分析的方法对采样的试品电压、电流信号进行分析，提取出其基波分量，进而通过相位比较求出其介质损耗角δ及tgδ值。目前采用较多的是基于离散傅立叶变换的快速离散傅立叶变换算法（FFT).这种方法具有较好的抗干扰性和测量精度,但系统频率波动会影响到测量结果的准确度.

③ 过零点电压比较法：过零点电压比较法是测量两个正弦波在过零点附近的电压差，并由电压差来计算相位差和介质损耗角正切的方法.这种方法在测量正弦波的相位差时，不采用在过零点时间间隔的方法,而采用在过零点附近测量两个正弦波差值电压的方法，因而对过零点的检测精确度没有很高的要求，比较适合用于现场在线监测。但该方法对所测量的正弦波波形要求很高：两正弦波的幅值必须相等;两正弦波的谐波分量和谐波相位要相等、两正弦波的频率及频率的动态偏移要相等;两正弦波的相位差要小。

④过零检测鉴相法:过零检测鉴相法,是利用电压和电流的过零点之间的相位差实现介损测量，该方法是目前介损测量中最常用的一种方法.这种方法相对以上的几种方法具有分辨率高、线性好、易建模的优点，但对过零点的检测精度要求较高，电源谐波、过零比较器的失调电压、零点漂移等因素都会引起测量误差，必须采用相应措施消除干扰.

综合比较各种方法的优缺点,并考虑到平常介质损耗的测量采用的是离线测量方式，相对现场测量干扰小，因此本系统选择采用过零检测鉴相法测量原理测量介质损耗。图3-1即为过零检测鉴相法测量原理图，利用采样电路测出电压和电流信号的过零点,通过逻辑转换形成一定宽度的时间信号,脉冲宽度反映相位差,最后通过测量相位差方波的宽度即可求得试品的介质损耗角δ和介质损耗因数tgδ。该方法应用单片机技术很容易实现.

图3-1 过零检测鉴相法测量原理图

过零检测鉴相法的系统组成:过零检测鉴相法介质损耗测量电路主要由信号抽取单元、滤波与信号放大电路、过零比较电路、整形电路、逻辑鉴相电路组成，如图3-3所示。从试品上取得的电压和电流信号分别经滤波、限幅放大、过零比较、整形、展宽和逻辑鉴相后转换为具有一定脉冲宽度的时间信号，利用单片机的计数器测量脉冲的宽度，以数字处理方法实现介质损耗因数值的计算。同时,图3-3中限幅放大电路输出的信号经V/F变换后输入给单片机进行计数，根据测量信号与标准信号的计数比值可计算得试品的电容值.

图3-3 过零检测鉴相法硬件原理图

第三篇KD9000介损测试仪的工作模型及仪器的检定

1、电容试品的模型

任何有介损的电容器都可以模拟成RC串联和并联两种理想模型：

串联模型并联模型

理论上串联模型tgδ=2πfRC，并联模型tgδ=1/（2πfRC)，R和C基本不变,f是变化量。把45Hz、50Hz、55Hz分别代入公式，可看到tgδ分别随频率f成正比和反比.如下图所示，f对完全正比和完全反比两种模型影响较大。

但实际电容器是多种模型交织的混合模型，通过大量的试验和理论计算，实际电力电容器大多数符合并联模型，如CT、套管和均压电容等，它们的tgδ多随频率的增大而减小.

2、KD9000介损仪采用的工作模型

因实际电力电容器大多数符合并联模型，所以AI-6000采用并联模型测量电容器的介质损耗.采用并联模型的介损电桥还有QS30、9910等，而QS37和2801电桥则采用的串联模型。所以因介损电桥采用的工作模型不同，而造成校验时同一试品条件下测量数据的差异。这些差异只是精确校验时的差异，对一般用户的测量没有影响，一般用户不必关心您所使用的介损仪的工作模型。

3、KD9000介损仪的检定

试验室检定介损测量仪时，用QSJ3校验台检验比较准确。介损测试仪的量程和准确度都能准确的检验出来。但QSJ3比较麻烦，在要求不是很严格的情况下，大多采用标准损耗器来校验。

标准损耗器一般采用一个三电极的标准电容和多个精密电阻的串联来实现，量程0-10％，分多个档位。标准损耗器是一个典型的串联模型。所以用KD9000做标准损耗器时要把工作模式调为串联模型，这样才能和各个档位的实际值完全对应起来。

有时在测量标准损耗器时，随着介损的增大而测量出的电容量反而减小，而实际标准电容容量是固定的，并没有发生变化，这就是因为没选对模型造成的。可用下面的公式校准:

C校准=C读数（1+tg2δ）

校验时，应采用全屏蔽的标准插头连接介损仪和试品，裸露的电极也会引起很大的误差。

注意：西林型电桥做三电极结构（高压极、低压极和屏蔽极）的标准损耗器时正、反接线都能做。而M型介损电桥只能做正接线，不能做反接线，否则会烧坏标准损耗器。

第四篇常见问题

第一节表面泄漏或屏蔽不良引起正接线测量介质损耗减小的分析

用末端屏蔽法测量电磁式PT、正接线测量CT或变压器套管，有时会出现介损极小或负值的现象，这主要是绝缘受潮、表面泄漏或屏蔽不良引起的，可分析如下:

示意图 等效电路图

CX:试品

C1：高压端对瓷套的杂散电容

C2：低压端对瓷套的杂散电容

R：瓷套表面泄漏对地电阻

1：为试验电压

2:为仪器输入

这样，C1、C2、R形成T形网络，由于C1和R微分移相作用，使通过C2的电流超前,而使介损减小。设1为外加电压U、2接地电位，流过2的电流为:

介质损耗因数为实部电流与虚部电流之比，由于第一项为负值,故介损因数减小。

以CX=120pF，C1=1pF,C2=0.1pF,R=1000MΩ，CX无介损，按上式计算，T形网络引起的附加介损为：-0。025%　

同理，检修用脚手架及包装箱引起正接线测量介质损耗减小：试品对包装箱形成杂散电容，也形成T型网络干扰。　

解决方法：　

1、擦干净瓷套表面的脏污。

2、在阳光下曝晒试品或加热烤干瓷套，变压器套管吹干中间三裙.

3、高压线尽量水平拉远，不要贴近瓷套表面。

4、改用末端加压法或常规法测量电磁式PT。

5、新设备吊装前试验时，一定要拆掉包装箱和脚手架,移开木梯，解开绳套。做变压器套管时一定要放在套管架上试验，不能斜靠在墙上或躺放在地上。

第二节 如何用KD9000做不拆高压引线的CVT自激法测量试验及电位

用KD9000做CVT自激法测量非常方便，可按下图接线。如果C1是单节电容，母线不能接地;如果C1是多节电容，高压引线可不拆,母线也可接地，C11和C12可用常规正反接线测量，C13和C2用自激法测量。

一、接线方法如下图：

二、测量过程及电位

CVT自激法测量中,仪器先测量C13，然后自动倒线测量C2，并自动校准分压影响.

测C13时，高压线芯线和屏蔽带高压，CX线芯线和屏蔽都是低压。

测C2时，高压线芯线和屏蔽、CX线芯线和屏蔽都是低压.

三、为什么先测量C13，再测量C2

大家知道,C13电容量较小，约2万pF；c2电容量较大，至少4万pF；CN为50pF标准电容器。测量C13时，C2和内CN串连当作标准电容器，根据电容串联公式C串=(C2CN)/(C2+CN），由于C2>>CN，C串≈CN,这样C2对测量结果影响较小,可忽略不计。反之，如果先测C13，因C13容量较小,和内CN串连后，会把C13的介损加进去,造成标准臂介损增大，引起C2介损减小，造成测量误差。　

四、自激法时高压线拖地会引起介损增大　

自激法时高压线应悬空不能接触地面，否则其对地附加介损会引起介损增大，可用细电缆连接高压插座与CVT试品并吊起。

上图左框内为电缆拖地时附加杂散电容的RC串联模型，使δ点的电压UN超前变成UN’,相应的IN变成IN’，Ix相位不变，造成δ角增大，既介质损耗增大。感兴趣的用户也可用公式推导出来。

第三节BR16标准电容器的试验方法

BR16标准电容器在高压试验中经常用到，主要用做外接标准电容器或判断高压介损电桥的测量误差。也有的低压端分几个介损挡位，用于介损电桥的校验.电容量约50P,tgδ约<0。05％。它不是真正的三端结构电容器，很容易受潮，引起介损的偏差。

一、正接线

有时候10kV电压下tgδ会出负值,降为3kV时tgδ正常,这是内部受潮引起的。需更换防潮剂或把内部电容芯拿出在阳光下曝晒即可。

二、反接线

反接线测得电容量和tgδ比正接线测得的值稍微偏大一些,这是由于反接线杂散电容的影响引起的。

三、错误的反接线

BR16做反接线时,很多人习惯把低压端和屏蔽端短起来接地，高压端加压测量,结果电容量约58P,电容量增大8P。这是因为低压端和屏蔽端短起来接地后,把高压对屏蔽端的电容量也并联进去了，造成电容量增大。所以不能采取这种方法做反接线。

来源：中航时代仪器设备