介质损耗角.docx
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介质损耗角
介质损耗角是在交变电场下，电介质内流过的电流向量和电压向量之间的夹角（即功率向量角ф）的余角δ，简称介损角。
介质损耗角（介损角）是一项反映高压电气设备绝缘性能的重要指标。
介损角的变化可反映受潮、劣化变质或绝缘中气体放电等绝缘缺陷，因此测量介损角是研究绝缘老化特征及在线监测绝缘状况的一项重要内容。
介质损耗检测的意义及其注意问题
（1）在绝缘设计时，必须注意绝缘材料的tanδ值。
若tanδ值过大则会引起严重发热，使绝缘加速老化，甚至可能导致热击穿。
而在直流电压下，tanδ较小而可用于制造直流或脉冲电容器。
（2）值反映了绝缘的状况，可通过测量tanδ=f（ф）的关系曲线来判断从良状态向劣化状态转化的进程，故tanδ的测量是电气设备绝缘试验中的一个基本项目。
（3）通过研究温度对tanδ值的影响，力求在工作温度下的tanδ值为最小值而避开最大值。
（4）极化损耗随频率升高而增大，尤其电容器采用极性电介质时，其极化损耗随频率升高增加很快，当电源中出现高次（如3次、5次）谐波时，就很容易造成电容器绝缘材料因过热而击穿。
（5）用于冲击测量的连接电缆，其绝缘的tanδ必须很小，否则所测冲击电压通过电缆后将发生严重的波形畸变，影响到测量的准确性。
数字化测量介质损耗角的方法
新闻出处：
谢家琪发布时间：
2007年03月12日
摘要：
总结了介损模拟测量方法存在的不足。
对当前几种典型的介质损耗数字化测量方法进行了介绍，讨论了每种方法的优缺点和实际应用中出现的一些问题，并对介损数字化测量的发展前景进行了展望。
关键词：
介质损耗数字化测量1引言
高压电气设备中，对绝缘介质损耗的测试具有很重要的意义。
在高压预防性试验中，介质损耗因素的测量属于高准确度测量，通常是在被测试品两端加以工频50Hz的高电压（10kV），使被测试品流过一个极其微小的电流，利用电压与电流之间夹角的余角δ的正切值来反映被测试品的介质损耗大小。
这种高电压、微电流、小角度的精密测量要求测量系统应具有很高的灵敏度和准确性，在现场条件下还需要具有较强的抗干扰能力。
过去介质损耗角的测量采用模拟测量方法，主要有谐振法、瓦特表法和电桥法，谐振法只适用于低压高频状态下的测量。
瓦特表法是由介质损失的功率和经过的电流计算求得，瓦特表法由于测量准确度低，现已基本淘汰。
电桥法是采用交流电桥差值比较原理，准确度相对较高，其典型代表是西林电桥，见图1所示。
由电桥平衡条件可得出被试品的电容值Cx及tanδ:
CX=（R4/R3）CNtanδ=ωC4R4
目前数字化自动电桥其实只是采用数字化技术来调节电桥的平衡，而实际的测量原理仍然是用标准电容和电阻与被试品进行比较的模拟方法。
其缺点是:
（1）测量程序复杂，操作工作量大，自动化水平低，易受人为因素的影响。
（2）随着输变电工程电压等级的提高，强电场干扰严重，使变电站高压电器设备的tanδ测量误差过大。
（3）当试验电源有较大谐波干扰时，即使基波电压已获平衡，检流计仍不能为零，不能排除与基波相近的谐波干扰。
2几种介损的数字化测量方法
数字化测量方法的原理是利用传感器从试品上取得所需的信号U和I，经前置预处理电路数字化后送至数据处理计算机或单片机，算出电流电压之间的相位差△ψ，最后得到tanδ的测量值，见图2。
2.1过零电压比较法
过零电压比较法是测量两个频率相同，幅值相等，相角差小的正弦电压波之间的相角差的方法。
满足上述条
这种方法的特点是电路简单，对启动采样电路、A/D转换电路要求不高，且以过零点附近两个正弦波的平均电压差来评价两正弦波的相位差，所以抗干扰扰能力强。
但要求满足的测量条件十分苛刻，如要求两个被测的正弦波谐波分量和谐波相位相等，增大了测量难度[1]。
2.2过零时差比较法
这是一种将相位测量变为时间测量的方法其原理见图3。
系统先通过采样电路捕捉电流和电压信号的过零点（图3（b）,（c）），然后通过一系列的逻辑转换电路形成宽度为△t的方波信号（图3（d））。
由于方波的宽度反映了电流电压信号的相位差，所以通过测量△t即可求出试品的介损值。
该方法具有测量分辨率高、线性好、易数学化的优点。
但误差因素有时对测量结果影响很大，从而限制了应用。
其中最重要的误差原因是由于零线漂移和波形畸变而导致信号过零点偏移。
2.3谐波分析法
谐波分析法就是用离散付立叶变换（DFT）对试品的电压和电流信号进行谐波分析，得出基波，再求出介质损耗角。
高次谐波主要以3次和5次谐波为主，试品上的电压和电流可表示为:
谐波分析法把对波形的处理放在后期的软件程序中进行，简化了硬件线路和结构，提高了系统可靠性。
由于电网频率不稳，加之同步采样环节的误差，造成对采样信号做DFT时产生较大的误差，所以在对信号DFT计算时应采取相应的措施尽量消除频谱泄漏和栅栏效应带来的误差[2]。
2.4自由矢量法
本方法的原理来自于电压/电流法测量元件阻抗的原理，根据被测试品的端电压相量和流过试品的电流相量之比，可以得到被测试品的阻抗相量，根据ZX的实部和虚部，进一步求得介质损耗角正切tanδ。
设to时刻方向上的矢量为参考矢量时，见图4，电压和电流用矢量表示为:
自由矢量法实现的电路简单、体积小、重量轻、价格便宜，但存在电源频率不稳，波形不准,外界电磁场干扰等误差因素，限制了该方法的准确度和应用。
2.5异频电源法
异频电源法的原理为在介质测量过程中，试验电源频率偏离干扰电源频率，通过频率识别和滤波技术排除干扰电源的影响。
使用DFT或FFT可将异频频率波和干扰频率波分辨开来。
理论上只要满足同步采样条件，DFT或FFT就不会有泄漏效应，可准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来，也就可得到该频率波的初相位。
实际上，介质随频率的变化而变化，这就出现不同频率下的测量结果的等同性问题。
异频电源频率不能偏离工频太远，否则测量结果与工频下的介损值失去等同性，也不能偏离太近，这样会增大频率分辨的难度，同样会造成较大的误差[4]。
正弦电压和电流在时域的表达式可写为:
该方法要求A/D转换的位数N不小于10，采样率不低于1KHz[5]。
由于在方法的设计上把流过试品的电压和电流理想化为标准的正弦波，没有考虑信号中有谐波等干扰成分，容易造成测量的误差。
以上介损的数字化测量方法之间并不是孤立的。
例如在正弦波参数法和自由矢量法中，可先用谐波法滤除高次谐波，得到电压和电流的基波再计算各个参数。
而异频电源的采用是为了克服工频干扰，它几乎可以应用到其他所有的数字化测量方法中。
因每种测量方法的特点，过零时差比较法和过零点电压比较法多用于现场及在线监测的测量仪器，而自由矢量法和正弦波参数法多用于便携式带电检测仪器。
3结语
介损的数字化测量技术在不断地发展和完善。
数字化测量的优点在于它的智能化和多功能趋势，特别是将后级处理与高压设备绝缘的诊断专家系统联系起来，实现自动检测和诊断报警。
介损的数字化测量是有着光明的发展前景，如何提高抗干扰能力和测量准确性仍是当前研究的课题。
◎
、介质损耗
什么是介质损耗：
绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗。
也叫介质损失，简称介损。
2、介质损耗角δ
在交变电场作用下，电介质内流过的电流相量和电压相量之间的夹角（功率因数角Φ）的余角（δ）。
简称介损角。
3、介质损耗正切值tgδ
又称介质损耗因数，是指介质损耗角正切值，简称介损角正切。
介质损耗因数的定义如下:
如果取得试品的电流相量
和电压相量
，则可以得到如下相量图：
总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此：
这正是损失角δ=（90°-Φ）的正切值。
因此现在的数字化仪器从本质上讲，是通过测量δ或者Φ得到介损因数。
测量介损对判断电气设备的绝缘状况是一种传统的、十分有效的方法。
绝缘能力的下降直接反映为介损增大。
进一步就可以分析绝缘下降的原因，如：
绝缘受潮、绝缘油受污染、老化变质等等。
测量介损的同时，也能得到试品的电容量。
如果多个电容屏中的一个或几个发生短路、断路，电容量就有明显的变化，因此电容量也是一个重要参数。
4、功率因数cosΦ
功率因数是功率因数角Φ的余弦值，意义为被测试品的总视在功率S中有功功率P所占的比重。
功率因数的定义如下:
有的介损测试仪习惯显示功率因数（PF:
cosΦ），而不是介质损耗因数（DF:
tgδ）。
一般cosΦ5、高压电容电桥
高压电容电桥的标准通道输入标准电容器的电流、试品通道输入试品电流。
通过比对电流相位差测量tgδ，通过出比电流幅值测量试品电容量。
因此用电桥测量介损还需要携带标准电容器、升压PT和调压器。
接线也十分烦琐。
国内常见高压电容电桥有：
型号
生产厂家
性 能
2801
Haefely
西林电桥，手动调节，介损相对误差0.5%，试验室使用。
其改进型为2809A。
QS30
上海沪光厂
电流比较仪电桥，手动调节，介损相对误差0.5%±0.00005，试验室使用。
QS1
上海电表厂
西林电桥，手动调节，介损相对误差10%±0.003，现场测量用。
支持正反接线，移相或到相抗干扰。
AI-6000分体型
泛华电子
自动调节，红外线遥控，介损相对误差0.2%±0.00005，现场或试验室用。
支持正反接线，移相或倒相抗干扰。
配合变频电源可变频抗干扰。
6、高压介质损耗测量仪
简称介损仪，是指采用电桥原理，应用数字测量技术，对介质损耗角正切值和电容量进行自动测量的一种新型仪器。
一般包含高压电桥、高压试验电源和高压标准电容器三部分。
AI-6000利用变频抗干扰原理，采用傅立叶变化数字波形分析技术，对标准电流和试品电流进行计算，抑制干扰能力强，测量结果准确稳定。
国内常见高压介质损耗测量仪有：
型号
生产厂家
性 能
2816
Haefely
高压输出12kV/200mA,介损误差1％±0.0001（抗干扰方式、指标不祥，估计是移相）,正反接线方式，C/L/R测量，总重量104kg。
M4000
DOBLE
高压输出10kV/300mA,介损误差1％±0.0004（变频抗干扰，20倍）,正反接线方式，C/L/R测量，笔记本＋WINDOWS，45～70Hz，重量66kg。
AI-6000
泛华电子
10kV/200mA，介损误差1％±0.0004，变频法45～65Hz，抗干扰2：
1，正、反（含高、低压侧屏蔽）接线方式，CVT自激法，C/L/R测量，模拟西林电桥和电流比较仪电桥，试验室介损精度达到精密电桥标准，29kg。
7、外施
使用外部高压试验电源和标准电容器进行试验，对介损仪的示值按一定的比例关系进行计算得到测量结果的方法。
8、内施
使用介损仪内附高压电源和标准器进行试验，直接得到测量结果的方法。
9、正接线
用于测量不接地试品的方法，测量时介损仪测量回路处于地电位。
10、反接线
用于测量接地试品的方法，测量时介损仪测量回路处于高电位，他与外壳之间承受全部试验电压。
11、常用介损仪的分类
现常用介损仪有西林型和M型两种，QS1和AI-6000为西林型。
12、常用抗干扰方法
在介质损耗测量中常见抗干扰方法有三种：
倒相法、移相法和变频法。
AI-6000采用变频法抗干扰，同时支持倒相法测量。
13、准确度的表示方法
tgδ：
±（1%D+0.0004）
Cx：
±（1%C+1pF）
+前表示为相对误差，+后表示为绝对误差。
相对误差小表示仪器的量程线性度好，绝对误差小表示仪器的误差起点低。
校验时读数与标准值的差应小于以上准确度，否则就是超差。
摘要：
总结了介损模拟测量方法存在的不足。
对当前几种典型的介质损耗数字化测量方法进行了介绍，讨论了每种方法的优缺点和实际应用中出现的一些问题，并对介损数字化测量的发展前景进行了展望。
关键词：
介质损耗数字化测量
1 引言
高压电气设备中，对绝缘介质损耗的测试具有很重要的意义。
在高压预防性试验中，介质损耗因素的测量属于高准确度测量，通常是在被测试品两端加以工频50Hz的高电压（10kV），使被测试品流过一个极其微小的电流，利用电压与电流之间夹角的余角δ的正切值来反映被测试品的介质损耗大小。
这种高电压、微电流、小角度的精密测量要求测量系统应具有很高的灵敏度和准确性，在现场条件下还需要具有较强的抗干扰能力。
过去介质损耗角的测量采用模拟测量方法，主要有谐振法、瓦特表法和电桥法，谐振法只适用于低压高频状态下的测量。
瓦特表法是由介质损失的功率和经过的电流计算求得，瓦特表法由于测量准确度低，现已基本淘汰。
电桥法是采用交流电桥差值比较原理，准确度相对较高，其典型代表是西林电桥，见图1所示。
由电桥平衡条件可得出被试品的电容值Cx及tanδ:
CX=（R4/R3）CN tanδ=ωC4R4
目前数字化自动电桥其实只是采用数字化技术来调节电桥的平衡，而实际的测量原理仍然是用标准电容和电阻与被试品进行比较的模拟方法。
其缺点是:
（1）测量程序复杂，操作工作量大，自动化水平低，易受人为因素的影响。
（2）随着输变电工程电压等级的提高，强电场干扰严重，使变电站高压电器设备的tanδ测量误差过大。
（3）当试验电源有较大谐波干扰时，即使基波电压已获平衡，检流计仍不能为零，不能排除与基波相近的谐波干扰。
2 几种介损的数字化测量方法
数字化测量方法的原理是利用传感器从试品上取得所需的信号U和I，经前置预处理电路数字化后送至数据处理计算机或单片机，算出电流电压之间的相位差△ψ，最后得到tanδ的测量值，见图2。
2.1过零电压比较法
过零电压比较法是测量两个频率相同，幅值相等，相角差小的正弦电压波之间的相角差的方法。
满足上述条
这种方法的特点是电路简单，对启动采样电路、A/D转换电路要求不高，且以过零点附近两个正弦波的平均电压差来评价两正弦波的相位差，所以抗干扰扰能力强。
但要求满足的测量条件十分苛刻，如要求两个被测的正弦波谐波分量和谐波相位相等，增大了测量难度[1]。
2.2过零时差比较法
这是一种将相位测量变为时间测量的方法其原理见图3。
系统先通过采样电路捕捉电流和电压信号的过零点（图3（b）, （c）），然后通过一系列的逻辑转换电路形成宽度为△t的方波信号（图3（d））。
由于方波的宽度反映了电流电压信号的相位差，所以通过测量△t即可求出试品的介损值。
该方法具有测量分辨率高、线性好、易数学化的优点。
但误差因素有时对测量结果影响很大，从而限制了应用。
其中最重要的误差原因是由于零线漂移和波形畸变而导致信号过零点偏移。
2.3谐波分析法
谐波分析法就是用离散付立叶变换（DFT）对试品的电压和电流信号进行谐波分析，得出基波，再求出介质损耗角。
高次谐波主要以3次和5次谐波为主，试品上的电压和电流可表示为:
谐波分析法把对波形的处理放在后期的软件程序中进行，简化了硬件线路和结构，提高了系统可靠性。
由于电网频率不稳，加之同步采样环节的误差，造成对采样信号做DFT时产生较大的误差，所以在对信号DFT计算时应采取相应的措施尽量消除频谱泄漏和栅栏效应带来的误差[2]。
2.4自由矢量法
本方法的原理来自于电压/电流法测量元件阻抗的原理，根据被测试品的端电压相量和流过试品的电流相量之比，可以得到被测试品的阻抗相量，根据ZX的实部和虚部，进一步求得介质损耗角正切tanδ。
设to时刻方向上的矢量为参考矢量时，见图4，电压和电流用矢量表示为:
自由矢量法实现的电路简单、体积小、重量轻、价格便宜，但存在电源频率不稳，波形不准,外界电磁场干扰等误差因素，限制了该方法的准确度和应用。
2.5异频电源法
异频电源法的原理为在介质测量过程中，试验电源频率偏离干扰电源频率，通过频率识别和滤波技术排除干扰电源的影响。
使用DFT或FFT可将异频频率波和干扰频率波分辨开来。
理论上只要满足同步采样条件，DFT或FFT就不会有泄漏效应，可准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来，也就可得到该频率波的初相位。
实际上，介质随频率的变化而变化，这就出现不同频率下的测量结果的等同性问题。
异频电源频率不能偏离工频太远，否则测量结果与工频下的介损值失去等同性，也不能偏离太近，这样会增大频率分辨的难度，同样会造成较大的误差[4]。
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