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高低頻下測量介質損耗角正切的原理
閱讀：565發布時間：2024-3-29
如前所述，介質損耗角正切tanδ是在交流電壓作用下，電介質中電流的有功分量與無功分量的比值，它是一個無量綱的數。在一定的電壓和頻率下，它反映電介質內單位體積中能量損耗的大小，它與電介質的體積尺寸大小無關。因此，能從測得的tanδ 數值直接了解絕緣情況。
介質損耗角正切tanδ的測量是判斷絕緣狀況的一種比較靈敏和有效的方法，從而在電氣設備制造、絕緣材料的鑒定以及電氣設備的絕緣試驗等方面得到了廣泛的應用，特別對受潮、老化等分布性缺陷比較有效，對小體積設備比較靈敏，因而tanδ的測量是絕緣試驗中一個較為重要的項目。
如果絕緣內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，因為此時測得的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并聯組成的絕緣，其整體的介質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
很小，所以當第二部分的絕緣出現缺陷，tanδ增大時，并不能使總的tanδ值明顯增大。只有當絕緣有缺陷部分所占的體積較大時，在整體的tanδ中才會有明顯的反映。例如在一臺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測得tanδ達3.4%就不合格。所以當變壓器等大設備的絕緣由幾部分組成時，最好能分別測量各部分的tanδ，以便于發現絕緣的缺陷。
電機、電纜等設備，運行中的故障多為集中性缺陷發展造成的，用測tanδ的方法不易發現絕緣的缺陷，故對運行中的電機、電纜等設備進行預防性試驗時，不測tanδ。而對套管絕緣，因其體積小，故tanδ測量是一項不可少且較為有效的試驗。當固體絕緣中含有氣隙時，隨著電壓的升高，氣隙中將產生局部放電，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的值不應低于電氣設備的工作電壓。
在用tanδ 值判斷絕緣狀況時，除應與有關標準規定值進行比較外，同樣必須與該設備歷年的tanδ值相比較以及與處于同樣運行條件下的同類型其他設備相比較。即使tanδ值未超過標準，但與過去比較或與同樣運行條件下的同類型其他設備比，tanδ值有明顯增大時，必須要進行處理，以免在運行中發生事故。
一、QS1型電橋原理
在絕緣預防性試驗中，常用來測量設備絕緣的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。它有四個橋臂組成，臂1為被試品Zx，圖中用CX及RX的并聯等值電路來表示；臂2為標準無損電容器CN，一般為50pF，它是用空氣或其他壓縮氣體作為介質(常用氮氣)，其tanδ值很小，可認為零；臂3、4為裝在電橋本體內的操作調節部分，包括可調電阻R3、可調電容C4及與其并聯的固定電阻R4。外加交流高壓電源(電壓一般為10kV)，接到電橋的對角線CD上，在另一對角線AB上則接上平衡指示儀表G，G一般為振動式檢流計。
進行測量時，調節R3、C4，使電橋平衡，即使檢流計中的電流為零，或UAB為零，這時有
將上述阻抗值代入式(3-4)，并使等式左右的實數部分和虛數部分分別相等，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，在電橋制造時常取R4=104/Π=3184Ω，因此
（3-7）
這樣，當調節電橋平衡時，在分度盤上C4的數值就直接以tanδ(%)來表示，讀取數值極為方便。
為了避免外界電場與電橋各部分之間產生的雜散電容對電橋產生干擾，電橋本體必須加以屏蔽，如圖3-4中的虛線所示。由被試品和標準無損電容器連到電橋本體的引線也要使用屏蔽導線。在沒有屏蔽時，出高壓引線到A、B兩點間的雜散電容分別與CX與CN并聯(見圖3-4)，將會影響電橋平衡。加上屏蔽后，上述雜散電容變為高壓對地的電容，與整個電橋并聯，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，如果要進一步提高測量的標準度，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。
二、接線方式
用國產QS1型電橋測量tanδ時，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點接到電源的高壓端，D點接地，這種接線稱為正接線。此種接線由于橋臂1及2的阻抗ZX和ZN的數值比Z3和Z4大得多，外加高電壓大部分降落在橋臂1及2上，在調節部分R3及C4上的電壓降通常只有幾伏，對操作人員沒有危險。為了防止被試品或標準電容器一旦發生擊穿時在低壓臂上出現高電壓，在電橋的A、B點上和接地的屏蔽間接有放電管F，以保證人身和設備的安全。正接線測量的準確度較高，試驗時較安全，對操作人員無危險，但要求被試品不接地，兩端部對地絕緣，故此種接線適用于試驗室中，不適用于現場試驗。
2.反接線
現場電氣設備的外殼大都是接地的，當測量一極接地的試品的tanδ時，可采用如圖3-5所示的反接線方式，即把電橋的D點接到電源的高壓端，而將C點接地，在這種接線中，被試品處于接地端，調節元件R3、C4處于高壓端，因此電橋本體(圖3-4虛線框內)的全部元件對機殼必須具有高絕緣強度，調節手柄的絕緣強度更應能保證人身安全，國產便于攜帶式QS1型電橋的接線即屬這種方式。
三、干擾的產生與消除
在現場測量tanδ時，特別是在110kV及以上的變電所進行測量時，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，雖然電橋本體及連接線都采用了前面所述的屏蔽，但對被試品通常無法做到全部屏蔽，如圖3-6所示。這時等值干擾電源電壓U?就會通過與被試品高壓電極間的雜散電容C?產生干擾電流I?，因而影響測量的準確。
當電橋平衡時，流過檢流計的電流IG=0，此時檢流計支路可看作開路，干擾電流I?在通過C?以后分成兩路，一路經CX入地，另一路經R3及試驗變壓器的漏抗入地，由于前者的阻抗遠大于后者，故可以認為I?實際上全部流過R3。在現場進行測量時，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，CX及CN的引線雖較長，但其阻抗較大，感應弱時，不能引起大的干擾電流。但當電橋靠近電抗器等漏磁通較大的設備時，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內的電流線圈回路所引起的。可以把檢流計的極性轉換開關放在斷開位置，此時如果光帶變寬，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，則可以改變檢流計極性開關進行兩次測量，用兩次測量的平均值作為測量結果，以減小磁場干擾的影響。
四、測量 tanδ時的注意事項
(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，三根引線均處于高壓，必須懸空，與周圍接地體應保持足夠的絕緣距離。此時，標準電容器外殼帶高電壓，也不應有接地的物體與外殼相碰。
(3)為防止檢流計損壞，應在檢流計靈敏度低時接通或斷開電源。
(4)在體積較大的設備中存在局部缺陷時，測量總體的tanδ 不易反映；而對體積較小的設備就比較容易發現絕緣缺陷，為此，對能分開測量的試品應盡量分開測量。
(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確的換算結果。故應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℃時的值作為標準(絕緣油例外)。為此，一般要求在10～30℃的范圍內進行測量。
(6)試驗時被試品的表面應當干燥、清潔，以消除表面泄漏電流的影響。
(7)在進行變壓器、電壓互感器等繞組的tanδ值和電容值的測量時，應將被試設備所有繞組的首尾短接起來，否則會產生很大的誤差。
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