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介質(zhì)損失角正切值的測(cè)量與西林電橋的基本原理
閱讀：1224發(fā)布時(shí)間：2024-8-22
介質(zhì)損失角正切值的測(cè)量
介質(zhì)功率損耗與介質(zhì)損耗角正切tanδ成正比，因此tanδ是絕緣品質(zhì)的重要指標(biāo)，測(cè)量tanδ是判斷電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的一種靈敏有效的方法。tanδ能反映絕緣介質(zhì)的整體性缺陷(如整體老化)和小電容被試品中的嚴(yán)重局部性缺陷。由tanδ的變化曲線可以判斷介質(zhì)是否受潮、含有氣泡及老化的程度。
但是測(cè)量tanδ不能靈敏地反映大容量電機(jī)、變壓器和電纜絕緣介質(zhì)中的局部性缺陷，這時(shí)應(yīng)盡可能將這些設(shè)備拆解成幾個(gè)部分，然后分別測(cè)量它們的tanδ。當(dāng)絕緣結(jié)構(gòu)由兩部分并聯(lián)組成時(shí)，其整體的介質(zhì)損耗為這兩部分之和，即P=P1+P2。可以表示為
由此可得：
，C=C1+C2，如果第二部分絕緣結(jié)構(gòu)的體積遠(yuǎn)小于第一部分，則有C2遠(yuǎn)小于C1，C≈C1，于是可得：
由于上式中第二項(xiàng)的系數(shù)C2/C1很小，所以當(dāng)?shù)诙糠纸^緣結(jié)構(gòu)出現(xiàn)缺陷時(shí)，tanδ2的增大并不能使總的tanδ明顯增大。例如，在一臺(tái)110kV大型變壓器上測(cè)得總的tanδ為0.4%時(shí)，絕緣指標(biāo)是符合要求的，但是把套管分開單獨(dú)測(cè)量時(shí)，tanδ達(dá)到了3.4%，絕緣指標(biāo)不符合要求，所以當(dāng)大型設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)由幾個(gè)部分共同構(gòu)成時(shí)，最好分別測(cè)量各部分的tanδ，以便發(fā)現(xiàn)缺陷。
西林電橋的基本原理
西林電橋是一種交流電橋，配以合適的標(biāo)準(zhǔn)電容器，可以在高電壓下測(cè)量電氣設(shè)備的電容值和tanδ值。西林電橋的原埋接線如圖4-6所示，有四個(gè)橋臂，橋臂1為被試品，Cx、Rx為被試品的電容和電阻；橋臂2為高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器CN；橋管3、4在電橋本體內(nèi)，分別為可調(diào)無感電阻R3和定值無感電阻R4與可調(diào)電容器C4的并聯(lián)支路，P為交流檢流計(jì)。在交流電壓的作用下，調(diào)節(jié)R3和C4使電橋達(dá)到平衡，即通過檢流計(jì)P的電流為零，此時(shí)有：
式中：
代人式(4-7)，經(jīng)過整理得：
由于tanδ?1，所以有：
對(duì)于工頻電源，ω=100π，為計(jì)算方便，在設(shè)計(jì)電橋時(shí)取R4=104/πΩ，于是由式(4-8)可得。
取C4的單位為μF，則在數(shù)值上，tanδ=C4。為方便讀數(shù)，實(shí)際中將電橋面板上可調(diào)電容器C4的數(shù)值直接標(biāo)記成被試品的tanδ值，例如將C4=0.006μF標(biāo)成 tanδ=0.6%。
橋臂阻抗Z1、Z2比Z3、Z4大得多，所以正常工作時(shí)工作電壓主要作用在Z1、Z2上，它們被稱為高壓臂，而Z3、Z4為低壓臂，其作用電壓通常只有幾伏。但如果被試品或標(biāo)準(zhǔn)電容發(fā)生閃絡(luò)或擊穿時(shí)，在A、B兩點(diǎn)可能出現(xiàn)高電位，為確保人身和設(shè)備安全，在A、B兩點(diǎn)對(duì)地之間各并聯(lián)一個(gè)放電電壓約為100~200V的放電管，當(dāng)電橋達(dá)到平衡時(shí)，其相量圖如圖4-7所示。
上述內(nèi)容介紹的是西林電橋的正接線，被試品處于高壓側(cè)，兩端均對(duì)地絕緣，此時(shí)橋體處于低壓側(cè)，操作安全方便。但是往往現(xiàn)場(chǎng)的電氣設(shè)備外殼一般都接地，因此大多數(shù)情況下只能采用如圖4-8所示的反接線方式，此時(shí)檢流計(jì)P及調(diào)節(jié)元件R3、C4均處于高壓端，為了確保試驗(yàn)人員和儀器的安全，必須采取可靠的保護(hù)措施。
影響測(cè)量結(jié)果的主要因素
1.外界電場(chǎng)干擾
外界電場(chǎng)干擾包括試驗(yàn)用高壓電源和試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)高壓帶電體(例如變電所內(nèi)運(yùn)行的高壓母線等)所引起的電場(chǎng)干擾，因?yàn)樵谶@些高壓電源與電橋各元件及連線之間存在著雜散電容，產(chǎn)生的干擾電流如果流過橋臂就會(huì)引起測(cè)量誤差。
圖4-9所示為電場(chǎng)干擾示意圖，干擾電流Ig通過雜散電容C0流過被試設(shè)備電容Cx，因此當(dāng)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C。如圖4-10所示，當(dāng)干擾電流Ig大小不變而干擾源的相位發(fā)生變化時(shí)，Ig的軌跡是以被試品電流Ix的末端為圓心，以Ig為半徑的圓。特別是當(dāng)干擾源相位變化的結(jié)果使Ig的相量端點(diǎn)落在陰影部分的圓弧上時(shí)，tanδ將變?yōu)樨?fù)值，這就意味著該情況下電橋在正常接線下已無法平衡，只有把C4從橋臂4換接到橋臂3與R3并聯(lián)(即將倒相開關(guān)打到一tanδ的位置)才能使電橋平衡，然后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，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消除或減小對(duì)tanδ的測(cè)量誤差。
移相法是工程中常用的消除干擾的有效方法，它主要是利用移相器來改變?cè)囼?yàn)電源的相位，從而使被試品中的電流Ix與Ig同相或反相。因此測(cè)出的是真實(shí)的tanδ 值(即tanδ=ωC4R3)。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tanδ值，然后取其平均值。而正、反相兩次所測(cè)得的電流分別為lOA、IOB，因此被試品電容的實(shí)際值也應(yīng)為正、反相兩次測(cè)得的平均值。
倒相法是移相法中的一種特殊情況，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、tanδ。為了便于分析，假設(shè)電源的相位不變，而干擾的相位改變180°，所得到的結(jié)果與干擾相位不變而電源相位改變180°是一致的，由圖4-11可得：
當(dāng)干擾較弱時(shí)(即tanδ1與tanδ2相差不大，C1與C2也相近)，式(4-12)可簡(jiǎn)化為
2. 外界磁場(chǎng)的干擾
如果試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)有母線電抗器、通信濾波器和其他漏磁通較大的設(shè)備，則電橋受到磁場(chǎng)的干擾，有可能在電橋閉合環(huán)路內(nèi)引起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和感應(yīng)環(huán)流，因而造成測(cè)量誤差。為此，在設(shè)計(jì)電橋時(shí)，要盡可能布置緊湊，以縮小環(huán)路，減小磁場(chǎng)干擾，理想情況下是將測(cè)量部分屏蔽起來，但是想把整個(gè)測(cè)量臂都用笨重的鐵磁體屏蔽起來實(shí)際上是不可能做到的。在現(xiàn)場(chǎng)遇到磁干擾時(shí)，只能使電橋遠(yuǎn)離磁場(chǎng)或轉(zhuǎn)動(dòng)電橋方向，以求得干擾最小的方位。若不能做到，還可以改變檢流計(jì)的極性開關(guān)進(jìn)行兩次測(cè)量，然后用兩次測(cè)量的平均值作為測(cè)量結(jié)果，以此來減小磁場(chǎng)干擾的影響。
3. 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)的平均溫度很難準(zhǔn)確測(cè)定，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。
4.試驗(yàn)電壓的影響
一般來說，良好的絕緣在額定電壓范圍內(nèi)，tanδ值幾乎保持不變，僅在電壓很高時(shí)才略有增加，如圖4-12中的曲線1所示。當(dāng)絕緣內(nèi)部有缺陷時(shí)，當(dāng)所加電壓不足以使氣隙發(fā)生電離時(shí)，其tanδ值與電壓的關(guān)系跟良好絕緣相比較沒有差別，但是當(dāng)外加電壓升高到能夠引起氣隙電離或發(fā)生局部放電時(shí)，tanδ值開始隨電壓的升高而迅速增大，電壓回落時(shí)的電離要比電壓上升時(shí)更強(qiáng)一些，因而出現(xiàn)閉環(huán)曲線，如圖4-12中的曲線2所示，曲線3是絕緣受潮的情況，在較低電壓下，tanδ已較大，隨電壓的升高，tanδ繼續(xù)增大，在逐步降壓時(shí)，由于介質(zhì)損失的增大已使介質(zhì)發(fā)熱溫度升高，所以tanδ不能與原數(shù)值重合，而以高于升壓時(shí)的數(shù)值下降，形成開口環(huán)狀曲線。
5.被試品電容量的影響
對(duì)電容量較小的設(shè)備(套管、互感器等)，測(cè)量tanδ能有效地發(fā)現(xiàn)局部集中性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失增加僅占總損失的極小部分，因此用測(cè)量tanδ的方法來判斷設(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。
6. 被試品表面泄漏電流的影響
被試品表面泄漏可能影響反映被試品內(nèi)部絕緣狀況的tanδ值。在被試品的Cx小時(shí)需特別注意。為了消除或減小這種影響，測(cè)試前應(yīng)將被試品表面擦干凈，必要時(shí)可加屏蔽。
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