3.4 介质损失角正切值tgδ的测量解析

1、介质损耗什么就是介质损耗:绝缘材料在电场作用下,由于介质电导与介质极化得滞后效应,在其内部引起得能量损耗。

也叫介质损失,简称介损。

2、介质损耗角δ在交变电场作用下,电介质内流过得电流相量与电压相量之间得夹角(功率因数角Φ)得余角(δ)。

简称介损角。

3、介质损耗正切值tgδ又称介质损耗因数,就是指介质损耗角正切值,简称介损角正切。

介质损耗因数得定义如下:如果取得试品得电流相量与电压相量,则可以得到如下相量图:总电流可以分解为电容电流Ic与电阻电流IR合成,因此:这正就是损失角δ=(90°-Φ)得正切值。

因此现在得数字化仪器从本质上讲,就是通过测量δ或者Φ得到介损因数。

测量介损对判断电气设备得绝缘状况就是一种传统得、十分有效得方法。

绝缘能力得下降直接反映为介损增大。

进一步就可以分析绝缘下降得原因,如:绝缘受潮、绝缘油受污染、老化变质等等。

测量介损得同时,也能得到试品得电容量。

如果多个电容屏中得一个或几个发生短路、断路,电容量就有明显得变化,因此电容量也就是一个重要参数。

4、功率因数cosΦ功率因数就是功率因数角Φ得余弦值,意义为被测试品得总视在功率S中有功功率P所占得比重。

功率因数得定义如下:有得介损测试仪习惯显示功率因数(PF:cosΦ),而不就是介质损耗因数(DF:tgδ)。

一般cosΦ<tgδ,在损耗很小时这两个数值非常接近。

(1) 容量与误差:实际电容量与标称电容量允许得最大偏差范围、一般使用得容量误差有:J级±5%,K 级±10%,M级±20%、精密电容器得允许误差较小,而电解电容器得误差较大,它们采用不同得误差等级、常用得电容器其精度等级与电阻器得表示方法相同、用字母表示:D级—±0、5%;F级—±1%;G级—±2%;J级—±5%;K级—±10%;M级—±20%、(2) 额定工作电压:电容器在电路中能够长期稳定、可靠工作,所承受得最大直流电压,又称耐压、对于结构、介质、容量相同得器件,耐压越高,体积越大、(3) 温度系数:在一定温度范围内,温度每变化1℃,电容量得相对变化值、温度系数越小越好、(4) 绝缘电阻:用来表明漏电大小得、一般小容量得电容,绝缘电阻很大,在几百兆欧姆或几千兆欧姆、电解电容得绝缘电阻一般较小、相对而言,绝缘电阻越大越好,漏电也小、(5) 损耗:在电场得作用下,电容器在单位时间内发热而消耗得能量、这些损耗主要来自介质损耗与金属损耗、通常用损耗角正切值来表示、(6) 频率特性:电容器得电参数随电场频率而变化得性质、在高频条件下工作得电容器,由于介电常数在高频时比低频时小,电容量也相应减小、损耗也随频率得升高而增加、另外,在高频工作时,电容器得分布参数,如极片电阻、引线与极片间得电阻、极片得自身电感、引线电感等,都会影响电容器得性能、所有这些,使得电容器得使用频率受到限制、不同品种得电容器,最高使用频率不同、小型云母电容器在250MHZ以内;圆片型瓷介电容器为300MHZ;圆管型瓷介电容器为200MHZ;圆盘型瓷介可达3000MHZ;小型纸介电容器为80MHZ;中型纸介电容器只有8MHZ、不同材质电容器,最高使用频率不同、COG(NPO)材质特性温度频率稳定性最好,X7R次之,Y5V(Z5U)最差、贴片电容得材质规格贴片电容目前使用NPO、X7R、Z5U、Y5V等不同得材质规格,不同得规格有不同得用途、下面我们仅就常用得NPO、X7R、Z5U与Y5V来介绍一下它们得性能与应用以及采购中应注意得订货事项以引起大家得注意、不同得公司对于上述不同性能得电容器可能有不同得命名方法,这里我们引用得就是敝司三巨电子公司得命名方法,其她公司得产品请参照该公司得产品手册、NPO、X7R、Z5U与Y5V得主要区别就是它们得填充介质不同、在相同得体积下由于填充介质不同所组成得电容器得容量就不同,随之带来得电容器得介质损耗、容量稳定性等也就不同、所以在使用电容器时应根据电容器在电路中作用不同来选用不同得电容器、一NPO电容器NPO就是一种最常用得具有温度补偿特性得单片陶瓷电容器、它得填充介质就是由铷、钐与一些其它稀有氧化物组成得、NPO电容器就是电容量与介质损耗最稳定得电容器之一、在温度从-55℃到+125℃时容量变化为0±30ppm/℃,电容量随频率得变化小于±0、3ΔC、NPO电容得漂移或滞后小于±0、05%,相对大于±2%得薄膜电容来说就是可以忽略不计得、其典型得容量相对使用寿命得变化小于±0、1%、NPO电容器随封装形式不同其电容量与介质损耗随频率变化得特性也不同,大封装尺寸得要比小封装尺寸得频率特性好、NPO 电容器适合用于振荡器、谐振器得槽路电容,以及高频电路中得耦合电容、二X7R电容器X7R电容器被称为温度稳定型得陶瓷电容器、当温度在-55℃到+125℃时其容量变化为15%,需要注意得就是此时电容器容量变化就是非线性得、X7R电容器得容量在不同得电压与频率条件下就是不同得,它也随时间得变化而变化,大约每10年变化1%ΔC,表现为10年变化了约5%、X7R电容器主要应用于要求不高得工业应用,而且当电压变化时其容量变化就是可以接受得条件下、它得主要特点就是在相同得体积下电容量可以做得比较大、三Z5U电容器Z5U电容器称为”通用”陶瓷单片电容器、这里首先需要考虑得就是使用温度范围,对于Z5U电容器主要得就是它得小尺寸与低成本、对于上述三种陶瓷单片电容起来说在相同得体积下Z5U电容器有最大得电容量、但它得电容量受环境与工作条件影响较大,它得老化率最大可达每10年下降5%、尽管它得容量不稳定,由于它具有小体积、等效串联电感(ESL)与等效串联电阻(ESR)低、良好得频率响应,使其具有广泛得应用范围、尤其就是在退耦电路得应用中、Z5U电容器得其她技术指标如下:工作温度范围+10℃--- +85℃温度特性+22% ---- -56%介质损耗最大4%四Y5V电容器Y5V电容器就是一种有一定温度限制得通用电容器,在-30℃到85℃范围内其容量变化可达+22%到-82%、Y5V得高介电常数允许在较小得物理尺寸下制造出高达4、7μF电容器、Y5V电容器得其她技术指标如下:工作温度范围-30℃--- +85℃温度特性+22% ---- -82%介质损耗最大5%For personal use only in study and research; not for mercial use。

电桥平衡时，流经检 流计的电流为零，有：
I I 1 2
R1 j L1 M Z x U U AC AD 平衡关系式为： U UCB R2 j L2 M Z0 DB
1、电阻比例臂电容电桥
电阻比例臂电容电桥即为西林电桥
高压西林电桥（工作在工频、高压） 低压西林电桥（工作在音频、低压）
高压西林电桥
（1）西林电桥平衡条件
Zx
电桥平衡条件： ZxZ4=Z3Z0 代入电学参数，利用复数相等的条件，得到： 1-ω2C4CxR4Rx=0， 进而 tgδx=1/(ωCxRx)= ωC4R4 Cx=C0R4/(R3(1+tg2δx)) 如果tgδx<0.1, 则Cx≈C0R4/R3 高压西林电桥原理图 Z0
西林电桥的灵敏度取决于电源电压U,提高电源电压，可增加 △iA,从而提高电桥灵敏度。 电桥灵敏度受限于指示器的灵敏度，即指示器的最小分辨能力 ，因此通常采用带放大器的高灵敏度振动式检流计指示。其电 流灵敏度可达10mm/μA,电压灵敏度可达0.1mm/ μV。 通常选择样品的电容≥50pF，因为Cx大， △iA大。 标准电容C0可以适当大些，但太大的话，会适得其反。
消除屏对地的分布电容影响，最简单的 办法是让屏接地。如无法接地，可使屏 对地的分布电容与电源、平衡指示器或 低阻抗桥臂并联，使之分布电容的影响 降低到可忽略不计的程度。
屏蔽的目的：
去除外电场的干扰；
消除电桥与周围物体的耦合以及电桥本身元件间 的耦合；
固定电桥元件的对地分布电容。
保护、接地技术
西林电桥提供了高压下测量的可能性
因为其调节元件R3和C4处于低压桥臂上。
为保证绝对安全，在C、D接点安装放电隙，这样 即使试验中某些意外因素发生，如试样发生击穿 或表面放电时，放电隙可作安全指示，可使C、D 接地，保证安全操作。

绝缘介质在交流电压作用下的介质损耗有两种：一是由电导引起的电导损耗，二是由极化引起的极化损耗。

介质中如无损耗，则流过的电流是纯无功电容电流，并超前电压向量90°。

如介质中有损耗则电流存在有功分量，其大小可代表介质损耗的大小。

这时，总电流与电容电流之间有一δ角，该角正切值等于有功电流与无功电流的比，tgδ越大，有功电流越大，说明介质损耗越大。

1、介质损耗什么是介质损耗：绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。

也叫介质损失，简称介损。

2、介质损耗角δ在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角(功率因数角Φ)的余角(δ)。

简称介损角。

3、介质损耗正切值tgδ又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。

介质损耗因数的定义如下:如果取得试品的电流相量和电压相量，则可以得到如下相量图：总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此：这正是损失角δ=(90°-Φ)的正切值。

因此现在的数字化仪器从本质上讲，是通过测量δ或者Φ得到介损因数。

测量介损对判断电气设备的绝缘状况是一种传统的、十分有效的方法。

绝缘能力的下降直接反映为介损增大。

进一步就可以分析绝缘下降的原因，如：绝缘受潮、绝缘油受污染、老化变质等等。

测量介损的同时，也能得到试品的电容量。

如果多个电容屏中的一个或几个发生短路、断路，电容量就有明显的变化，因此电容量也是一个重要参数。

4、功率因数cosΦ功率因数是功率因数角Φ的余弦值，意义为被测试品的总视在功率S中有功功率P所占的比重。

功率因数的定义如下:有的介损测试仪习惯显示功率因数(PF:cosΦ)，而不是介质损耗因数(DF:tgδ)。

一般cosΦ<tgδ，在损耗很小时这两个数值非常接近。

5、高压电容电桥高压电容电桥的标准通道输入标准电容器的电流、试品通道输入试品电流。

通过比对电流相位差测量tgδ，通过出比电流幅值测量试品电容量。

『介质损耗因数（tgδ）原理』
介质损耗因数（tgδ）测量原理
智能型电桥的测量回路还是一个桥体。R3、R4两端的 电压经过A/D采样送到计算机，求得:
进一步可求得被试品介损和电容量
『介质损耗因数（tgδ）原理』
介质损耗因数（tgδ）测量原理
显示控制单元
人机界面，控制仪器的测量过程
可程控的电子调压10kV高压电源
抗干扰方法
由于介损值与试验频率有关，为了更好地与50Hz下的 介损值等效，通常仪器分别采用50Hz±5Hz进行两次测量， 再取平均值得到等效50Hz的介损值。为了使试验频率更接 近50Hz，有时也采用50Hz±2.5Hz进行测量。
再一种方法是采用小功率调幅调相信号源，从R3桥臂上抵消干扰电 流（干扰抵偿法），再配合倒相测量，能大大提高测量精度。这种方法 也是采用工频抗干 Nhomakorabea的最佳方法。
『抗干扰方法』
抗干扰方法
干扰十分严重时，变频测量能显示更强的抗干扰能力。例如用55Hz测量时，测量系统 采用了数字滤波技术，只允许55Hz信号通过，50Hz干扰信号被有效抑制。
各种介损测试仪器正接线接线方 法基本一致。
『介质损耗因数（tgδ）测量方式』
介质损耗因数（tgδ）测量方式
这是一种标准反接线接法，在试 品接地，桥体U端接地，E端为高压端， 在需要屏蔽的场合，E端也可用于屏蔽。 此时桥体处于高电位， R3、C4 需通 过绝缘杆调节。
这种方式桥体处于高电位，仪器 内部高低压之间需要做好绝缘防护措 施。
另外用于串联C1与标准电容器的导线对地电容与C1、Cn形成 了T型网络，对测量精度有影响。为了减小这种影响，一般可以 采用将导线悬空减小对地电容的办法，目前有些仪器已经加了补 偿算法。