介質(zhì)損耗角正切值的測(cè)量

介質(zhì)的功率損耗P與介質(zhì)損耗角正切tanδ成正比，所以后者是絕緣品質(zhì)的重要指標(biāo)，測(cè)量tanδ值是判斷電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的一項(xiàng)靈敏有效的方法。當(dāng)設(shè)備絕緣的tanδ超過(guò)了表4-1中的數(shù)值，就可能表示電介質(zhì)嚴(yán)重發(fā)熱，設(shè)備面臨發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。因此，當(dāng)tanδ超過(guò)設(shè)備絕緣預(yù)警值的時(shí)候，意味著絕緣存在嚴(yán)重缺陷，應(yīng)立即進(jìn)行檢修。

表 4-1 套管和電流互感器在某溫度時(shí)的tanδ(%)最大容許值

tanδ能反映絕緣的整體性缺陷(例如，全面老化)和小電容試品中的嚴(yán)重局部性缺陷。由tanδ隨電壓而變化的曲線(xiàn)，可判斷絕緣是否受潮、含有氣泡及老化的程度。

該方法存在的主要問(wèn)題：測(cè)量tanδ不能靈敏地反映大容量發(fā)電機(jī)、變壓器和電力電纜(它們的電容量都很大)絕緣中的局部性缺陷，這時(shí)應(yīng)盡可能將這些設(shè)備分解成幾個(gè)部分，然后分別測(cè)量它們的tanδ。

1西林電橋測(cè)量法的基本原理

西林電橋的原理接線(xiàn)如圖4-6所示。其中被試品以并聯(lián)等效電路表示，其等效電容和電阻分別為Cx和Rx；R3為可調(diào)的無(wú)感電阻；CN為高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容；C4為可調(diào)電容；R4為定值無(wú)感電阻；P為交流檢流計(jì)。

在交流電壓U的作用下，調(diào)節(jié)R3和C4，使電橋達(dá)到平衡，即通過(guò)檢流計(jì)P的電流為零，說(shuō)明A、B兩點(diǎn)間無(wú)電位差，因而

可得

橋臂CA和AD中流過(guò)的電流相同，均為；橋臂CB和BD中流過(guò)的電流也相同，均為。所以各橋臂電壓之比也即相應(yīng)的橋臂阻抗之比，故由式(4-19)可寫(xiě)出

將

分別代入式(4-20)中，并使等式兩側(cè)實(shí)數(shù)部分和虛數(shù)部分分別相等，即可求得試品電容Cx和等效電阻Rx。

介質(zhì)并聯(lián)等效電路的介質(zhì)損耗角正切值為

如果被試品用rx和Kx的串聯(lián)等效電路表示，則Z1=rx+1/jωKx，代入式(4-20)之后，也可以獲得tanδ=ωKxrx=ωC4R4的結(jié)果。

因?yàn)?/span>ω=2πf=100π，如取R4=10000/πΩ，并取C4的單位為μF，則式(4-24)簡(jiǎn)化為

為了讀數(shù)方便起見(jiàn)，可以將電橋面板上可以調(diào)電容C4的μF值直接標(biāo)記成被試品的  tanδ值。

同時(shí)，試品的電容CX也可以按下式求得

因?yàn)?/span>tanδ<<1。如果被試品用串聯(lián)等效電路表示，也可得出同樣的結(jié)果。

由于電介質(zhì)的tanδ值有時(shí)會(huì)隨著電壓的升高而起變化，所以西林電橋的工作電壓U不宜太低，通常采用5～10kV。更高的電壓也不宜采用，因?yàn)槟菢訒?huì)增加儀器的絕緣難度和影響操作安全。

通常橋臂阻抗Z1和Z2要比Z3和Z4大得多，所以工作電壓主要作用在Z1和Z2上，因此它們被稱(chēng)為高壓臂，而Z3和Z4為低壓臂，其作用電壓往往只有數(shù)伏。為了確保人身和設(shè)備安全，在低壓臂上并聯(lián)有放電管(A、B兩點(diǎn)對(duì)地)，以防止在R3、C4等需要調(diào)節(jié)的元件上出現(xiàn)高電壓。

電橋達(dá)到平衡的相量圖如圖4-7所示，其中x

；和分別為流過(guò)CX和RX的電流，；和分別為流過(guò)C4和R4的電流，。由相量圖不難看出

電橋的平衡是通過(guò)R3和C4來(lái)改變橋臂電壓的大小和相位來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際操作中，由于R3和Z4相互之間也有影響，故需反復(fù)調(diào)節(jié)R3和C4，才能達(dá)到電橋的平衡。

上面介紹的是西林電橋的正接線(xiàn)，可以看出，這時(shí)接地點(diǎn)放在D點(diǎn)，被試品C的兩端均對(duì)地絕緣。實(shí)際上，絕大多數(shù)電氣設(shè)備的金屬外殼是直接放在接地底座上的，換言之，被試品的一極往往是固定接地的。這時(shí)就不能用上述正接線(xiàn)來(lái)測(cè)量它們的tanδ，而應(yīng)改用圖4-8所示的反接線(xiàn)法進(jìn)行測(cè)量。

在反接線(xiàn)的情況下，電橋調(diào)平衡的過(guò)程以及所得的tanδ和CX的關(guān)系式，均與正接線(xiàn)時(shí)無(wú)異。所不同者在于：這時(shí)接地點(diǎn)移至C點(diǎn)，原先的兩個(gè)調(diào)節(jié)臂直接換接到高電壓下，這意味著各個(gè)調(diào)節(jié)元件(R3、C4)、檢流計(jì)P和后面要介紹的屏蔽網(wǎng)均處于高電位，故必須保證足夠的絕緣水平和采取可靠的保護(hù)措施，以確保儀器和測(cè)試人員的安全。

2 西林電橋測(cè)量法的電磁干擾

1.外界電場(chǎng)干擾

外界電場(chǎng)干擾主要是干擾電源(包括試驗(yàn)用高壓電源和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)高壓帶電體)通過(guò)帶電設(shè)備與被試設(shè)備之間的電容耦合造成的。圖4-9a所示為電場(chǎng)干擾的示意圖。干擾電流Ig通過(guò)耦合電容C0流過(guò)被試設(shè)備電容Cx，于是在電橋平衡時(shí)所測(cè)得的被試品支路的電流Ix，由于加上Ig而變成了Ix。在干擾電流Ig大小不變而干擾源的相位連續(xù)變化時(shí)，Ig的軌跡為以被試品電流Ix的末端為圓心，以I為半徑的一個(gè)圓，如圖4-9b所示。在某些情況下，當(dāng)干擾結(jié)果使Ig的相量端點(diǎn)落在陰影部分的圓弧上時(shí)，tanδ值將變?yōu)樨?fù)值，這時(shí)電橋在正常接線(xiàn)下已無(wú)法達(dá)到平衡，只有把C4從橋臂4換接到橋臂3與R3并聯(lián)(即將倒向開(kāi)關(guān)打到-tanδ的位置)，才能使電橋平衡，并按照新的平衡條件計(jì)算出tanδ=-ωC4R3。

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

移相法是現(xiàn)場(chǎng)常用的消除干擾的有效方法，其基本原理是：利用移相器改變?cè)囼?yàn)電源的相位，使被試品中的電流Ix與Ig同相或反相，此時(shí)，因此測(cè)出的是真實(shí)的tanδ值，即tanδ=ωC4R4，通常在試驗(yàn)電源和干擾電流同相和反相兩種情況下分別測(cè)兩次，然后取其平均值。而正、反相兩次所測(cè)得的電流分別為IOA和IOB，因此被試品電容的實(shí)際值應(yīng)為正、反相兩次測(cè)得的平均值。

倒相法是移相法中的特例，比較簡(jiǎn)便。測(cè)量時(shí)將電源正接和反接各測(cè)一次，得到兩組測(cè)量結(jié)果C1、tanδ1，和C2、tanδ2，根據(jù)這兩組數(shù)據(jù)計(jì)算出電容Cx和tanδ。為分析方便，可假定電源的相位不變，而干擾的相位改變180°，這樣得到的結(jié)果與干擾相位不變電源相位改變180°是一致的。由圖4-10 可得

當(dāng)干擾不大，即tanδ1，與tanδ2相差不大、C1與C2相差不大時(shí)，式（4-28）可簡(jiǎn)化為

即可取兩次測(cè)量結(jié)果的平均值，作為被試品的介質(zhì)損耗角正切值。

2.外界磁場(chǎng)干擾 8

外界磁場(chǎng)干擾主要是測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)附近有漏磁通較大的設(shè)備（電抗器、通信的濾波器等）時(shí)，其交變磁場(chǎng)作用于電橋檢流計(jì)內(nèi)的電流線(xiàn)圈回路而造成的。為了消除磁場(chǎng)干擾，可設(shè)法將電橋移到磁場(chǎng)干擾范圍以外。若不能做到，則可以改變檢流計(jì)極性開(kāi)關(guān)，進(jìn)行兩次測(cè)量，用兩次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果，以減小磁場(chǎng)干擾的影響。

3西林電橋測(cè)量法的其他影響因素

1.溫度的影響

溫度對(duì)tanδ有直接影響，影響的程度隨材料、結(jié)構(gòu)的不同而異。一般情況下，tanδ是隨溫度上升而增加的。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，設(shè)備溫度是變化的，為便于比較，應(yīng)將不同溫度下測(cè)得的tanδ值換算至20℃應(yīng)當(dāng)指出，由于被試品真實(shí)的平均溫度是很難準(zhǔn)確測(cè)定的，換算方法也不很準(zhǔn)確，故換算后往往有很大誤差，因此，應(yīng)盡可能在10～30℃的溫度下進(jìn)行測(cè)量。

2.試驗(yàn)電壓的影響

一般來(lái)說(shuō)，良好的絕緣在額定電壓范圍內(nèi)，其tanδ值幾乎保持不變，如圖4-11中的曲線(xiàn) 1所示。

如果絕緣內(nèi)部存在空隙或氣泡時(shí)，情況就不同了，當(dāng)所加電壓尚不足以使氣泡電離時(shí)，其tanδ值與電壓的關(guān)系與良好絕緣沒(méi)有什么差別；但當(dāng)所加電壓大到能引起氣泡電離或發(fā)生局部放電時(shí)，tanδ值即開(kāi)始隨U的升高而迅速增大，電壓回落時(shí)電離要比電壓上升時(shí)更強(qiáng)一些，因而會(huì)出現(xiàn)閉環(huán)狀曲線(xiàn)，如圖4-11中的曲線(xiàn)2所示。如果絕緣受潮，則電壓較低時(shí)的tanδ值就已相當(dāng)大，電壓升高時(shí)，tanδ更將急劇增大；電壓回落時(shí)，tanδ也要比電壓上升時(shí)更大一些，因而形成不閉合的分叉曲線(xiàn)，如圖4-11中的曲線(xiàn)3所示，主要原因是介質(zhì)的溫度因發(fā)熱而提高了。求出tanδ與電壓的關(guān)系，有助于判斷絕緣的狀態(tài)和缺陷的類(lèi)型。

3.試品電容量的影響

對(duì)電容量較小的設(shè)備(套管、互感器、耦合電容器等)，測(cè)量tanδ能有效地發(fā)現(xiàn)局部集中性的和整體分布性的缺陷。但對(duì)電容量較大的設(shè)備(如大、中型發(fā)電機(jī)，變壓器，電力電纜，電力電容器等)，測(cè)量tanδ只能發(fā)現(xiàn)絕緣的整體分布性缺陷，因?yàn)榫植考行缘娜毕菟鸬膿p失增加只占總損失的極小部分，這樣用測(cè)量tanδ的方法來(lái)判斷設(shè)備的絕緣狀態(tài)就很不靈敏了。對(duì)于可以分解為幾個(gè)彼此絕緣的部分的被試品，應(yīng)分別測(cè)量其各個(gè)部分的tanδ值，這樣能更有效地發(fā)現(xiàn)缺陷。

4.試品表面泄漏的影響

試品表面泄漏電阻總是與試品等效電阻RX并聯(lián)著，顯然會(huì)影響所測(cè)得的tanδ值，這在試品的CX較小時(shí)尤需注意。為了排除或減小這種影響，在測(cè)試前應(yīng)清除絕緣表面的積污和水分，必要時(shí)還可在絕緣表面上裝設(shè)屏蔽極。