电气设备的介质损失角正切值试验

电气设备的介质损失角正切值试验 电介质就是绝缘材料。当研究绝缘物质在电场作用下所发生的物理现象时，把绝缘物质称为电介质；而从材料的使用观点出发，在工程上把绝缘物质称为绝缘材料。既然绝缘材料不导电，怎么会有损失呢？我们确实总希望绝缘材料的绝缘电阻愈高愈好，即泄漏电流愈小愈好，但是，世界上绝对不导电的物质是没有的。任何绝缘材料在电压作用下，总会流过一定的电流，所以都有能量损耗。把在电压作用下电介质中产生的一切损耗称为介质损耗或介质损失。 如果电介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化（发脆、分解等），如果介质温度不断上升，甚至会把电介质熔化、烧焦，丧失绝缘能力，导致热击穿，因此电介质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标。 在外加交流电压作用下，绝缘介质就流过电流，电流在介质中产生能量损耗，这种损耗成为介质损耗。介质损耗很大时，就会使介质温度升高而老化，甚至导致热击穿。因此，介质损耗的大小就反映了介质的优劣状况。 当绝缘物上加交流电压时，可以把介质看成为一个电阻和电容并联组成的等值电路，如图1-15（a）所示。根据等值电路可以作出电流和电压的相量图，如图1-15（b）所示。

UI

UIICRCIR

IR

I

IC

(a)(b)



图1-15 在绝缘物上加交流电压时的等值电路及相量图 （a）介质等值电路 （b）等值电路电流、电压相量 由相量图可知，介质损耗由RI产生，夹角大时，RI就越大，故称为介质损失角，其正切值为 RC

IU/R1

tgIU/CCR= （1-8） 介质损耗 22UP=UCtgR （1-9） 由上式可见，当U、、C一定时，P正比于tg，所以用tg来表征介质损耗。 测量tg（cos）的灵敏度较高，可以发现绝缘的整体受潮、劣化、变质及小体积设备的局部缺陷。

一、介质损失角正切值的测量原理 介质损失角正切的测量方法很多，从原理上来分，可分为平衡测量法和角差测量法两类。传统的测量方法为平衡测量法，即高压西林电桥法。由于技术的发展和检测手段的不断完善，角差测量法使用的越来越普遍。 （一）用高压西林电桥法测量tgδ 当绝缘受潮、老化时，有功电流RI将增大，tg也增大。通过测tg可以反映出绝缘的分布性缺陷。如果缺陷是集中性的，有时测tg就不灵敏，这是因为集中性缺陷为局部的，可以把介质分为缺陷和无缺陷的两部分；无缺陷的部分为R1和C1的并联；有缺陷部分为R2和C2的并联。则：

12PPP （1-10） 2221122CUtgCUtgCUtg

（1-11） 1212

CCtgtgtgCC

（1-12） 当有缺陷部分占的比例很小时，22tgCC就很小，所以测整体的tg时就不易发现局部缺陷。 在《电力设备预防性试验规程》中对电机、电缆等绝缘，因为缺陷的集中性及体积较大，通常不做此项试验；而对套管、电力变压器、互感器、电容器等则做此项试验。 我国目前使用的测tg试验装置有西林电桥（图1-16给出了QS1西林电桥的三种试验接线），M型介质试验器，还有P5026M型交流电桥、GWS-1型光导微机介质损耗测试仪等，具体的使用方法可参见制造厂说明。本节主要介绍西林电桥法测量tg。 西林电桥的两个高压桥臂，分别由试品ZN及无损耗（tg0）的标准电容器CN组成；两个低压桥臂，分别由无感电阻R3及无感电阻R4与电容C4并联组成，如图1-16所示。各桥臂的导纳为

XXCRYj1x

NNjCY

331RY 444j1CRY 调节R3、C4使电桥达到平衡时，应满足 NXYYYY34

即 N344j1j1j1CRCRCRXX （1-13） 解此方程，实部、虚部分别相等，可得

44x1RCRCtgx

 （1-14）

2N3411tgCRRCx

 （1-15）

当tgδ<0.1，误差允许不大于1%时，式（1-15）可改写为

34NRRCCx （1-16）

高压西林电桥是用于工频高压，于是ω=2πf=100π是固定的；同时电桥中的R4取410，也是固定的，这时 tgδ=ωR4C4=KC4×106 （1-17）

式中C4的单位是F，若C4以μF计则上式可写为

tgδ=KC4 （1-18） 式中 K=F-1。 于是C4就可以直接读为tgδ。在西林电桥上tgδ是直读的。Cx是按R3的读数，通过式（1-15）计算得出。CN一般都用100pF，个别也有用50pF或1000pF，但都是固定已知值。

高压西林电桥的高压桥臂的阻抗比对应的低压臂阻抗大得多，所以电桥上施加的电压绝大部分都降落在高压桥臂上，只要把试品和标准电容器放在高压保护区，用屏蔽线从其低压端连接到低压桥臂上，则在低压桥臂上调节R3和C4就很安全，而且测量准确度较高，但这种方法要求被试品高低压端均对地绝缘。

ZNCNR3C4R4G(a)ZNCN

R3C

4

R4

G

(b) ZNCN

R3C

4

R4

G

(c) 图1-16 QS1型西林电桥原理接线 （a）正接线 （b）反接线 （c）对角线接线 Zx—被测绝缘阻抗；CN—标准电容；R3—可变电阻；C4—可变电容；G—检流计 图1-16（a）正接线用于两极对地绝缘的设备，用于试验室或绕组间测tg。图1-16（b）反接线用于现场被试设备为一极接地的设备，要求电桥有足够的绝缘。由于R3和C4处于高电位，为保证操作的安全应采取一定的措施。一个办法是将电桥本体和操作者一起放在绝缘台上或放在一个叫法拉第笼的金属笼里对地绝缘起来，使操作者与R3、C4处于等电位。另一种办法是人通过绝缘连杆去调节R3和C4。现场试验通常采用反接线试验方法。图1-16（c）对角线接线用于被试设备为一极接地的设备且电桥没有足够的绝缘。 电桥测试中的注意事项： 在电桥测试中，有些问题往往容易被忽视，使测量数据不能反映被试设备的真实情况，常被忽视的问题有： （1）外界电场干扰的影响。在电压等级较低（例如35kV电压等级）的电气设备tg测试中，容易忽视电场干扰的影响。 （2）高压标准电容器的影响。现场经常使用的BR-16型标准电容器，电容量为50pF，要求tg%<0.1%。由于标准电容器经过一段时间存放、应用和运输后，本身的质量在不断变化，会受潮、生锈，如忽视了这些质量问题，同样会影响测试的数据。 （3）试品电容量变化的影响。在用QS1型西林电桥测量电气设备绝缘状况时，往往重视tg值，而容易忽视试品电容量的变化，由此而产生一些事故。 （4）消除表面泄漏的方法。当测量电气设备绝缘的tg时，空气相对湿度对其测量结果影响很大，当绝缘表面脏污，且又处于湿度较大的环境中时，表面泄漏电流增加，对其测量结果影响更大。 采取其有效的方法，如电热风法、瓷套表面瓷群涂擦法、化学去湿法等。 （5）测试电源的选择。在现场测试中，有时会遇到试验电压与干扰电源不同步，用移相等方法也难以使电桥平衡的情况。 （6）电桥引线的影响： 1）引线长度的影响。分析研究表明，在一般情况下，Cx引线长度约为5~10m，其电容约为1500~3000pF；而CN引线约为1~1.5m，其电容约为300~500pF。当R4=3184欧和R3较小时，对测量结果影响很小，但若进行小容量试品测试时，就会产生偏大的测量误差。 2）高压引线与试品夹角的影响。测量小容量试品时，高压引线与试品的杂散电容对测量的影响不可忽视。 3）引线电晕的影响。高压引线的直径较细时，当试验电压超过一定数时，就可能产生电晕。例如若用一般的导线做高压引线，当电压超过50kV后，就会出现电晕现象。电晕损耗通过杂散电容将被计入被试品的tg内。严重影响测量结果，并可能导致误判断。 4）引线接触不良的影响。当QS1电桥高压线或测量引出线与被试品接触不良时，相当于被试支路串联一个附加电阻。该电子在交流电压作用下会产生有功损耗并与被试品自身有功损耗叠加，使测量的介质损耗因数超过规定的限值，导致误判断。 （7）接线的影响。小电容（小于500pF）试品主要有电容型套管、3~110kV电容式电流互感器等。对这些试品采用QS1型电桥的正、反接线进行测量时，其介质损耗因数的测量结果是不同的。 按正接线测量一次对二次或一次对二次及外壳（垫绝缘）的介质损耗因数，测量结果是实际被试品一次对二次及外壳绝缘的介质损耗因数。而一次和顶部周围接地部分的电容和介质损耗因数均被屏蔽掉（电桥正接线测量时，接地点是电桥的屏蔽点）。 由于正接地具有良好的抗电场干扰，测量误差较小的特点，一般应以正接线测量结果作为分析判断绝缘状况的依据。 (二) 角差测量法测量tgδ 由于介质损耗角很小，如果直接测量其角差很困难，因此，传统的测量方法均采用平衡测量法。随着技术的进步及元器件的发展，可以通过直接测量电压和电流的角差来测量tgδ，即角差法测量tgδ。这种方法免去了平衡测量法中需要调节平衡的繁琐，大大减少了试验的工作量。角差法测量方法很多，如图1-17所示为角差法典型的测量原理接线图，其工作原理如下： 由图1-17所示，测量tgδ实际上就是测量流过试品容性电流与全电流的相角差，在试验时同时测量流过标准电容器电流（其相角与流过试品的容性电流的相角一致）和流过试品的电流（全电流），这样可测得到二者之间的相角差，从而