高低頻下測量介質(zhì)損耗角正切的原理

如前所述，介質(zhì)損耗角正切tanδ是在交流電壓作用下，電介質(zhì)中電流的有功分量與無功分量的比值，它是一個(gè)無量綱的數(shù)。在一定的電壓和頻率下，它反映電介質(zhì)內(nèi)單位體積中能量損耗的大小，它與電介質(zhì)的體積尺寸大小無關(guān)。因此，能從測得的tanδ 數(shù)值直接了解絕緣情況。

介質(zhì)損耗角正切tanδ的測量是判斷絕緣狀況的一種比較靈敏和有效的方法，從而在電氣設(shè)備制造、絕緣材料的鑒定以及電氣設(shè)備的絕緣試驗(yàn)等方面得到了廣泛的應(yīng)用，特別對(duì)受潮、老化等分布性缺陷比較有效，對(duì)小體積設(shè)備比較靈敏，因而tanδ的測量是絕緣試驗(yàn)中一個(gè)較為重要的項(xiàng)目。

如果絕緣內(nèi)的缺陷不是分布性而是集中性的，則用測tanδ值來反映絕緣的狀況就不很靈敏，被試絕緣的體積越大，越不靈敏，因?yàn)榇藭r(shí)測得的tanδ反映的是整體絕緣的損耗情況，而帶有集中性缺陷的絕緣是不均勻的，可以看成是由兩部分介質(zhì)并聯(lián)組成的絕緣，其整體的介質(zhì)損耗為這兩部分損耗之和，即

或              

得                        

且                             

若整體絕緣中體積為V₂的一小部分絕緣有缺陷，而大部分良好的絕緣的體積為V₁，即V₂?V₁，則得C₂?C₁，C≈C₁)，于是

                    （3-3）

由于式(3-3)中的系數(shù)很小，所以當(dāng)?shù)诙糠值?/span>絕緣出現(xiàn)缺陷，tanδ增大時(shí)，并不能使總的tanδ值明顯增大。只有當(dāng)絕緣有缺陷部分所占的體積較大時(shí)，在整體的tanδ中才會(huì)有明顯的反映。例如在一臺(tái)110kV大型變壓器上測得總的tanδ為0.4%，是合格的，但把變壓器套管分開單獨(dú)測得tanδ達(dá)3.4%就不合格。所以當(dāng)變壓器等大設(shè)備的絕緣由幾部分組成時(shí)，最好能分別測量各部分的tanδ，以便于發(fā)現(xiàn)絕緣的缺陷。

電機(jī)、電纜等設(shè)備，運(yùn)行中的故障多為集中性缺陷發(fā)展造成的，用測tanδ的方法不易發(fā)現(xiàn)絕緣的缺陷，故對(duì)運(yùn)行中的電機(jī)、電纜等設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)時(shí)，不測tanδ。而對(duì)套管絕緣，因其體積小，故tanδ測量是一項(xiàng)不可少且較為有效的試驗(yàn)。當(dāng)固體絕緣中含有氣隙時(shí)，隨著電壓的升高，氣隙中將產(chǎn)生局部放電，使tanδ急劇增大，因此在不同電壓下測量tanδ，不僅可判斷絕緣內(nèi)部是否存在氣隙，而且還可以測出局部放電的起始電壓U₀，顯然U₀的值不應(yīng)低于電氣設(shè)備的工作電壓。

在用tanδ 值判斷絕緣狀況時(shí)，除應(yīng)與有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值進(jìn)行比較外，同樣必須與該設(shè)備歷年的tanδ值相比較以及與處于同樣運(yùn)行條件下的同類型其他設(shè)備相比較。即使tanδ值未超過標(biāo)準(zhǔn)，但與過去比較或與同樣運(yùn)行條件下的同類型其他設(shè)備比，tanδ值有明顯增大時(shí)，必須要進(jìn)行處理，以免在運(yùn)行中發(fā)生事故。

一、QS1型電橋原理

在絕緣預(yù)防性試驗(yàn)中，常用來測量設(shè)備絕緣的tanδ值和電容C值和方法是采用QS1電橋(平衡電橋)，其原理接線圖如圖3-4所示。它有四個(gè)橋臂組成，臂1為被試品Z_x，圖中用C_X及R_X的并聯(lián)等值電路來表示；臂2為標(biāo)準(zhǔn)無損電容器C_N，一般為50pF，它是用空氣或其他壓縮氣體作為介質(zhì)(常用氮?dú)?，其tanδ值很小，可認(rèn)為零；臂3、4為裝在電橋本體內(nèi)的操作調(diào)節(jié)部分，包括可調(diào)電阻R₃、可調(diào)電容C₄及與其并聯(lián)的固定電阻R₄。外加交流高壓電源(電壓一般為10kV)，接到電橋的對(duì)角線CD上，在另一對(duì)角線AB上則接上平衡指示儀表G，G一般為振動(dòng)式檢流計(jì)。

進(jìn)行測量時(shí)，調(diào)節(jié)R₃、C₄，使電橋平衡，即使檢流計(jì)中的電流為零，或U_AB為零，這時(shí)有

將上述阻抗值代入式(3-4)，并使等式左右的實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分分別相等，即可求得

                            (3-5)

因tanδ很小，tan²δ?1，故得

                                        （3-6）

由于我國使用的電源頻率為50HZ，故ω=2Πf=100Π,為了便于讀數(shù)，在電橋制造時(shí)常取R₄=10⁴/Π=3184Ω，因此

      （3-7）

這樣，當(dāng)調(diào)節(jié)電橋平衡時(shí)，在分度盤上C₄的數(shù)值就直接以tanδ(%)來表示，讀取數(shù)值極為方便。

為了避免外界電場與電橋各部分之間產(chǎn)生的雜散電容對(duì)電橋產(chǎn)生干擾，電橋本體必須加以屏蔽，如圖3-4中的虛線所示。由被試品和標(biāo)準(zhǔn)無損電容器連到電橋本體的引線也要使用屏蔽導(dǎo)線。在沒有屏蔽時(shí)，出高壓引線到A、B兩點(diǎn)間的雜散電容分別與C_X與C_N并聯(lián)(見圖3-4)，將會(huì)影響電橋平衡。加上屏蔽后，上述雜散電容變?yōu)楦邏簩?duì)地的電容，與整個(gè)電橋并聯(lián)，就不影響電橋的平衡了。但加上屏蔽后，屏蔽與低壓臂3、4間也有雜散電容存在，如果要進(jìn)一步提高測量的標(biāo)準(zhǔn)度，必須消除它們的影響，但在一般情況下，由于低壓臂的阻抗及電壓降都很小，這些雜散電容的影響可以忽略不計(jì)。

二、接線方式

用國產(chǎn)QS1型電橋測量tanδ時(shí)，常有兩種接線方式。

1.正接線

圖3-4所示接線方式中，電橋的C點(diǎn)接到電源的高壓端，D點(diǎn)接地，這種接線稱為正接線。此種接線由于橋臂1及2的阻抗Z_X和Z_N的數(shù)值比Z₃和Z₄大得多，外加高電壓大部分降落在橋臂1及2上，在調(diào)節(jié)部分R₃及C₄上的電壓降通常只有幾伏，對(duì)操作人員沒有危險(xiǎn)。為了防止被試品或標(biāo)準(zhǔn)電容器一旦發(fā)生擊穿時(shí)在低壓臂上出現(xiàn)高電壓，在電橋的A、B點(diǎn)上和接地的屏蔽間接有放電管F，以保證人身和設(shè)備的安全。正接線測量的準(zhǔn)確度較高，試驗(yàn)時(shí)較安全，對(duì)操作人員無危險(xiǎn)，但要求被試品不接地，兩端部對(duì)地絕緣，故此種接線適用于試驗(yàn)室中，不適用于現(xiàn)場試驗(yàn)。

2.反接線

現(xiàn)場電氣設(shè)備的外殼大都是接地的，當(dāng)測量一極接地的試品的tanδ時(shí)，可采用如圖3-5所示的反接線方式，即把電橋的D點(diǎn)接到電源的高壓端，而將C點(diǎn)接地，在這種接線中，被試品處于接地端，調(diào)節(jié)元件R₃、C₄處于高壓端，因此電橋本體(圖3-4虛線框內(nèi))的全部元件對(duì)機(jī)殼必須具有高絕緣強(qiáng)度，調(diào)節(jié)手柄的絕緣強(qiáng)度更應(yīng)能保證人身安全，國產(chǎn)便于攜帶式QS1型電橋的接線即屬這種方式。

三、干擾的產(chǎn)生與消除

在現(xiàn)場測量tanδ時(shí)，特別是在110kV及以上的變電所進(jìn)行測量時(shí)，被試品和橋體往往處在周圍帶電部分的電場作用范圍之內(nèi)，雖然電橋本體及連接線都采用了前面所述的屏蔽，但對(duì)被試品通常無法做到全部屏蔽，如圖3-6所示。這時(shí)等值干擾電源電壓U?就會(huì)通過與被試品高壓電極間的雜散電容C?產(chǎn)生干擾電流I?，因而影響測量的準(zhǔn)確。

當(dāng)電橋平衡時(shí)，流過檢流計(jì)的電流I_G=0，此時(shí)檢流計(jì)支路可看作開路，干擾電流I?在通過C?以后分成兩路，一路經(jīng)C_X入地，另一路經(jīng)R₃及試驗(yàn)變壓器的漏抗入地，由于前者的阻抗遠(yuǎn)大于后者，故可以認(rèn)為I?實(shí)際上全部流過R₃。在現(xiàn)場進(jìn)行測量時(shí)，不但受到電場的下擾，還可能受到磁場的干擾。一般情況下，磁場的干擾較小，而且電橋本體都有磁屏蔽，C_X及C_N的引線雖較長，但其阻抗較大，感應(yīng)弱時(shí)，不能引起大的干擾電流。但當(dāng)電橋靠近電抗器等漏磁通較大的設(shè)備時(shí)，磁場的干擾較為顯著。通常，這一干擾主要是由于磁場作用下電橋檢流計(jì)內(nèi)的電流線圈回路所引起的?？梢园褭z流計(jì)的極性轉(zhuǎn)換開關(guān)放在斷開位置，此時(shí)如果光帶變寬，即說明有此種干擾。為了消除干擾的影響，可設(shè)法將電橋移到磁場干擾范圍以外。若不能做到，則可以改變檢流計(jì)極性開關(guān)進(jìn)行兩次測量，用兩次測量的平均值作為測量結(jié)果，以減小磁場干擾的影響。

四、測量 tanδ時(shí)的注意事項(xiàng)

(1)無論采用何種接線方式，電橋本體必須良好接地。

(2)反接線時(shí)，三根引線均處于高壓，必須懸空，與周圍接地體應(yīng)保持足夠的絕緣距離。此時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)電容器外殼帶高電壓，也不應(yīng)有接地的物體與外殼相碰。

(3)為防止檢流計(jì)損壞，應(yīng)在檢流計(jì)靈敏度低時(shí)接通或斷開電源。

(4)在體積較大的設(shè)備中存在局部缺陷時(shí)，測量總體的tanδ 不易反映；而對(duì)體積較小的設(shè)備就比較容易發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，為此，對(duì)能分開測量的試品應(yīng)盡量分開測量。

(5)一般絕緣的tanδ均隨溫度的上升而增大。各種試品在不同溫度下的tanδ值也不可能通過通用的換算式獲得準(zhǔn)確的換算結(jié)果。故應(yīng)爭取在差不多的溫度下測量tanδ值，并以此作相互比較。通常都以20℃時(shí)的值作為標(biāo)準(zhǔn)(絕緣油例外)。為此，一般要求在10～30℃的范圍內(nèi)進(jìn)行測量。

(6)試驗(yàn)時(shí)被試品的表面應(yīng)當(dāng)干燥、清潔，以消除表面泄漏電流的影響。

(7)在進(jìn)行變壓器、電壓互感器等繞組的tanδ值和電容值的測量時(shí)，應(yīng)將被試設(shè)備所有繞組的首尾短接起來，否則會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。