介質損耗測試儀工作原理

DCJS-S全自動抗干擾介損測試儀，是發電廠、變電站等現場全自動測量各種高壓電力設備介損正切值及電容量的高精度儀器

工作原理

在交流電壓作用下，電介質要消耗部分電能，這部分電能將轉變為熱能產生損耗。這種能量損耗叫做電介質的損耗。當電介質上施加交流電壓時，電介質中的電壓和電流間存在相角差Ψ，Ψ的余角δ稱為介質損耗角，δ的正切tgδ稱為介質損耗角正切。tgδ值是用來衡量電介質損耗的參數。儀器測量線路包括一標準回路（Cn）和一被試回路（Cx），如圖1所示。標準回路由內置高穩定度標準電容器與測量線路組成，被試回路由被試品和測量線路組成。測量線路由取樣電阻與前置放大器和A／D轉換器組成。通過測量電路分別測得標準回路電流與被試回路電流幅值及其相位等，再由單片機運用數字化實時采集方法，通過矢量運算便可得出試品的電容值和介質損耗正切值。

儀器內部已經采用了抗干擾措施，保證在外電場干擾下準確測量。

圖1測量原理圖

1. 儀器結構

測量電路：傅立葉變換、復數運算等全部計算和量程切換、變頻電源控制等。

控制面板：打印機、鍵盤、顯示和通訊中轉。

變頻電源：采用SPWM開關電路產生大功率正弦波穩壓輸出。

升壓變壓器：將變頻電源輸出升壓到測量電壓，最大無功輸出2KVA/1分鐘。

標準電容器：內Cn，測量基準。

Cn電流檢測：用于檢測內標準電容器電流，10μA～1A。輸入電阻＜2Ω。

Cx正接線電流檢測：只用于正接線測量，10μA～1A。輸入電阻＜2Ω。

Cx反接線電流檢測：只用于反接線測量，10μA～1A。輸入電阻＜2Ω。

反接線數字隔離通訊：采用精密MPPM數字調制解調器，將反接線電流信號送到低壓側。隔離電壓20KV。

2. 工作原理

啟動測量后高壓設定值送到變頻電源，變頻電源用PID算法將輸出緩速調整到設定值，測量電路將實測高壓送到變頻電源，微調低壓，實現準確高壓輸出。根據正/反接線設置，測量電路根據試驗電流自動選擇輸入并切換量程，測量電路采用傅立葉變換濾掉干擾，分離出信號基波，對標準電流和試品電流進行矢量運算，幅值計算電容量，角差計算tgδ。反復進行多次測量，經過排序選擇一個中間結果。測量結束，測量電路發出降壓指令變頻電源緩速降壓到0。

測量方式及原理

按被測試品是否接地分兩種測量方式，即正接線測量方式和反接線測量方式。兩種測量方式的原理如圖一所示：

在高壓電源的10kV側，高壓分兩路，一路給機內標準電容CN，此電容介損非常小，可以認為介損為零，即為純容性電流，此電流ICN 可做為容性電流基準。在Cx試品一側，試品電流Icx通過采樣電阻R采入機內，此Icx可分解成水平分量和垂直分量見圖二所示，通過計算水平分量與垂直分量的比值即可得到tgδ值。

在圖一（a）中Cx為非接地試品，試品電流Icx從試品末端進入采樣電阻R，得到全電流值，在圖一（b）中Cx為接地試品，機內Cx端直接接地，電流Icx從試品高壓端到機內采樣電阻取得全電流值。

介質損耗計算公式

電介質在恒定電場作用下，介質損耗的功率為

W=U2/R=（Ed）2S/ρd=σE2Sd

定義單位體積的介質損耗為介質損耗率為

ω=σE2

在交變電場作用下，電位移D與電場強度E均變為復數矢量，此時介電常數也變成復數，其虛部就表示了電介質中能量損耗的大小。

D，E，J之間的相位關系圖

如圖所示，從電路觀點來看，電介質中的電流密度為

J=dD/dt=d（εE）/dt=Jτ+iJe

式中Jτ與E同相位。稱為有功電流密度，導致能量損耗；Je，相比較E超前90°，稱為無功電流密度。

定義

tanδ=Jτ/Je=ε〞/εˊ

式中，δ稱為損耗角，tanδ稱為損耗角正切值。

損耗角正切表示為獲得給定的存儲電荷要消耗的能量的大小，是電介質作為絕緣材料使用時的重要評價參數。為了減少介質損耗，希望材料具有較小的介電常數和更小的損耗角正切。損耗因素的倒數Q=（tanδ）-1在高頻絕緣應用條件下稱為電介質的品質因素，希望它的值要高。

tanδ被稱為介質損耗角的正切，它是交流電壓下電介質中的有功分量和無功分量的比值，是一個無量綱的數，反應的是電介質內單位體積中能量損耗的大小。

介質損耗

介質損耗與外施電壓、電源頻率、介質電容C和介質損耗因數tanδ成正比。但是用介質損耗P表示介質品質的優劣是不方便的，因為，P值和試驗電壓、介質尺寸（形狀、大小、厚度等）等因素有關，不同設備間難以互相比較，因此也不能準確的反映電介質的絕緣狀況。而當外加電壓、頻率一定時，介質損耗僅與介質的等值電容和介質損耗因數有關，對于一定結構及形成的電介質，等值電容是定值，因此tanδ就完全反映了介質損耗情況，可以用來評價高壓電力設備的絕緣水平，它是僅取決于材料的特性而與材料尺寸無關的物理量。所以，在工程上選用介質損耗角的正切tanδ的值來判斷介質的品質，表征電介質的損耗大小。