高压电桥介质损耗测量仪

高压电桥介质损耗测量仪——测量高电压绝缘介质损耗的方法

一、传统的介质测量方法

(一)电桥法

电桥法是介损测量领域长期采用的一种方法，而传统的测量方法主要就是指西林电桥 法。分析来看，当前流行的电桥分西林型高压电桥和电流比较仪型高压电桥。其中最为典型 的要数西林电桥，所谓的电桥法也即西林电桥法。西林电桥属于比较同类阻抗元件的电桥， 它的标准阻抗和被测阻抗都是电容器。在强高压下进行高精度的介损测量是西林电桥的突出 优势，倘若采取特殊的措施甚至可以在强磁干扰下进行颇高精度的测量；而电流比较仪型高 压电容电桥的原理是用变压器的比例臂代替普通的阻抗臂，以提高测量的准确度，如若配以 专门的辅助电路，可以实现自动平衡电桥。

西林电桥法的测量原理是用标准电容和电阻将测试品进行比较性的模拟测量。因为它的 模拟电路较为复杂，对元器件的要求比较高。随着电力电子技术和计算机技术的快速发展， 数字化测量方法逐渐取代弊端较多的模拟方法，其原理是利用传感器从试验品上取得电压和 电流信号，经预处理后再进行数字化，之后输至计算单元，算出相位差，最后得到测量值。 由于利用了计算机技术，使得模拟电路结构简化，提高了仪器的性能。目前许多装置就是基 于此原理，像 PSC 型介质损耗自动测量仪，即为利用电流比较仪线路进行平衡的，采用这 一装置能够达到很高的测量精度。

(二)伏安法

伏安法是zui常用也是zui成熟的一种传统方法，其工作原理是借助被测试品的端电压向量 和流过被测试品电流向量之比，得到被测试品的阻抗向量，根据 Zx 的实部和虚部，进一步 计算求得介质损耗值 tgδ。这种测量方法在精密计算机引入后进一步得到更新完善，基于 测量系统的不断升级，测量数据的处理效率大大提高，而且精准度也得到保证。电力电子技术的渗入使介质损耗测量技术进入一个新时代。

二、过零点时差比较法

过零点时差比较法是数字化测量介质损耗中较早采用并且效果明显的一种方法。其主要 原理是通过比较施加于介质上的电压 U 和电流 I 的过零时刻两个值，求得两个值之间的相位 差，从而求得介质损耗角。与此同时，再用脉冲技术求得两个值的值差。若计数器显示的脉 冲数为 n，而计数器的频率为 f,则△t=n/f,测量装置对损耗角的分辨率也就是 2л/Tf。由 此可见，只要计数器频率足够高，就可以保证较高的分辨率。过零点时差比较法的优点在于 测量的分辨率高，容易数字化处理，其缺点是极易受谐波干扰，导致测量数值不准，这也是过零点时差比较法使用程度不高的主要原因

三、谐波分析法

谐波分析法的工作程序是首先由波形采集装置u 和i 的时域波形同步地转换为数字波形并存储，然后计算机将两个数字波形调入内存，用离散傅立叶变换出两个信号的基波，最后 由特定的换算公式求出绝缘介质损耗角和等值电容。谐波分析法的关键步骤是基于傅立叶变换作等量，考虑到三角函数的正交性，傅立叶变换求解电压和电流的基波是不受高次谐波的影响，也不会受仪器电子电路所产生的零漂影响，因此可以达到比较高的稳定性和测量精准度。

然而，谐波分析法的软肋也是很明显的。由于现实中电网频率的不稳定与采样误差，极 为容易造成对采样信号作 DFT 时出现偏差，数据不真实影响最终测量结果，因此又多出了 一道消除偏差的程序，从而增加了麻烦。

四、异频电源法

异频电源法是一种全新的抗干扰方法。其原理是在介质损耗测量中测试电源频率偏离干 扰电源频率，通过频率识别或滤波技术排除干扰电源的影响。实际上 tgδ是随着频率的变 化而变化的，这就出现了不同频率下的介质损耗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损耗值失去等同性；但也不能偏离太近，否则又会 增大频率分辨的难度，同样会造成较大的误差。技术层面上看，将异频频率和工频频率分辨 开来可以采用 DFT。理论上只要满足同步采样条件，DFT 就不会出现泄漏效应，也就意味 着可以准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来，从而得到该频率波的初相位。

不过，同样由于电网频率的不稳定性，加之同步采样环节存在的某些误差，自然会造成 对采样信号作 DFT 时出现较大的误差，所以在对信号作 DFT 时应该去针对性的措施来消弭 误差，确保测量的 tgδ精准度。

五、现代介损测量技术的发展动向

分析对比以上提出的介损测量技术，发现都存在某些局限，因此现代测量介损技术的发 展趋向是在吸取借鉴以上几种技术优势的同时，进一步克服其存在的弊端，并与新型的计算 机技术融合，在装置性能逐渐走向了量程广，功能上强调自动校正与补偿，自动测量自动输 出数据，抗干扰能力强大，测量精度高的路子上来。如制造业强国德国最新推出的 LDV-5 型精密型介质损耗测量装置，采用了数字信号处理(DSP)芯片支持系统，该系统对实时信号 的接受和数据处理可以在计算时间内完成，而且由于捕获测量值的时间短，使测量中面临的 谐波灵敏度降到了zui低程度，大大提高了检测数据的精准度，再加上该装置能实现全自动化 测量，这也提高了测量效率，同时最大限度地避免了传统检测方法容易出现的技术失误。

高压电桥介质损耗测量仪——介电常数定义：

介电常数是反映压电智能材料电介质在静电场作用下介电性质或极化性质的主要参数，通常用ε来表示。不同用途的压电元件对压电智能材料的介电常数要求不同。当压电智能材料的形状、尺寸一定时，介电常数ε通过测量压电智能材料的固有电容CP来确定。

根据物质的介电常数可以判别高分子材料的极性大小。通常，相对介电常数大于3.6的物质为极性物质；相对介电常数在2.8~3.6范围内的物质为弱极性物质；相对介电常数小于2.8为非极性物质。

测量方法：

相对介电常数εr可以用静电场用如下方式测量：首先在两块极板之间为真空的时候测试电容器的电容C0。然后，用同样的电容极板间距离，但在极板间加入电介质后测得电容Cx。然后相对介电常数可以用下式计算：

εr＝Cx/C0。

在标准大气压下，不含二氧化碳的干燥空气的相对电容率εr＝1.00053。因此，用这种电极构形在空气中的电容Cair来代替C0来测量相对电容率εr时，也有足够的准确度。（参考GB/T 1409-2006）

对于时变电磁场，物质的介电常数和频率相关，通常称为介电系数。

常见溶剂：附常见溶剂的相对介电常数，条件为室温下，测试频率为1KHz。