電橋測量介損的原理

關于電橋測量介損的原理第1頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三一、變頻測量的等效性1、介質的兩種模型及與頻率的關系 含有介損的電容器都可以模擬成RC串聯(lián)和并聯(lián)兩種理想模型進行分析：并聯(lián)模型： 認為損耗是與電容并連的電阻產生的。這種情況RC兩端電壓相等： 有功功率，無功功率，

因此 其中ω＝2πf，f為電源頻率?？梢?，如果真正用一個純電阻和一個純電容模擬介損的話，它與頻率成反比。當R=∞時，沒有有功功率，介損為0。 這種方法常用于試驗室模擬10％以上的大介損，或用于制做標準介損器。第2頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三串聯(lián)模型：

認為損耗是與電容串連的電阻產生的。這種情況電路的電流相等： 有功功率，無功功率，

因此 可見，如果用真正用一個純電阻和一個純電容模擬介損的話，它與頻率成正比。當R=0時，沒有有功功率，介損為0。 這種方法常用于試驗室模擬10％以下的介損，或用于制做標準介損器。第3頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三實際試品：a、固定頻率下測量

實際試品在一個固定頻率下，即可以用串連模型也可以用并聯(lián)模型表示。例如50Hz下，下面兩個電路對外呈現(xiàn)的特性完全一樣：

不同的電橋測量這兩個試品，其介損都是31.4％，但西林電橋（2801或QS1）測量的電容量是10000pF，電流比較儀電橋（如QS30）測量的電容量是9101.7pF。這是因為2801電橋認為試品損耗是串連模型，QS30認為試品是并聯(lián)模型。第4頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三通常認為并聯(lián)模型更接近實際情況，這是因為有功電流穿過電極之間的絕緣層，更象是損耗電阻并聯(lián)在電極之間，而電極本身電阻為零，沒有損耗。

實際上當介損在10％以下時，這種電容量的差別是很小的。

從事現(xiàn)場試驗的專家都有這樣的經驗：使用傳統(tǒng)儀器，如QS1，在干擾嚴重的現(xiàn)場環(huán)境下測量介損，采用移相、倒相方法反復測量，仍無法使電橋平衡。

隨著電壓等級提高，干擾越來越嚴重。這種情況下變頻測量是一個很好的、甚至是唯一的選擇。變頻測量的抗干擾能力比移相、倒相法提高一個數量級以上。這好比兩個電臺在同一個頻率上，很難將另一個信號抑制掉，但如果兩個電臺的頻率不同，則很容易區(qū)分。第5頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三變頻測量變頻測量受到的唯一懷疑是頻率的等效性。按串聯(lián)或者并聯(lián)模型，介損是隨頻率變化的。例如50Hz下1％的介損，采用55Hz測量。串聯(lián)模型的測量結果變成1.1％(正比)，并聯(lián)模型測量結果變成0.91%（反比）。雖然這樣的誤差可能滿足現(xiàn)場測量的要求，但誤差還是偏大。為了解決這個問題，我們首先提出了雙變頻測量原理：在50Hz對稱位置45Hz和55Hz各測量一次，然后將測量數據平均，使誤差大大減小。理論分析結果如下表所示：直接平均法：第6頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三當然如果試品介損不隨頻率變化，則這幾種平均方法都沒有誤差。以上分析表明，采用雙變頻測量，即發(fā)揮了變頻測量的高抗干擾能力，理論上的最大相對誤差也小于1％，可以滿足現(xiàn)場測量需要。實際測量顯示，變頻測量的數據十分穩(wěn)定，重復性特別好。試驗室校驗也顯示了很好的精度指標。目前變頻測量的原理已經得到普遍認可。

2005年4月21日，我們在濟南500kV變電站強干擾下測量斷口電容（2400pF）和滅弧室（15pF），AI-6000讀數十分穩(wěn)定，而2816電橋只作出了電容量，因抗干擾不行，沒有測到介損數據。估計原因是移相抗干擾能力不行，而AI-6000則采用變頻抗干擾，其優(yōu)勢十分明顯。第7頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三二、AI-6000介損儀的原理及性能1、儀器工作原理簡介

AI-6000電橋都是通過電流來取信號，根據電流的幅度大小和相位變化，通過計算得出試品的電容量Cx和介損tgδ。

I1=V1/R1 I2=V2/R2

通過傅立葉變換到頻域， 求出I1與I2的相位差δ， tgδ即為介損。

AI-6000電橋原理

如左下圖 同時，I=ω*C*V,所以Cx*I1=Cn*I2. Cx=I2*Cn/I1

電流電壓矢量圖第8頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三儀器結構儀器結構框圖第9頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三測量電路：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(wěn)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/外標準電容器電流，10μA~5A。輸入電阻<2Ω。Cx正接線電流檢測：只用于正接線測量，10μA~5A。輸入電阻<2Ω。Cx反接線電流檢測：只用于反接線測量，10μA~5A。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。第10頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三工作原理：

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(xiàn)準確高壓輸出。根據正/反接線和內/外標準電容的設置，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(fā)出降壓指令變頻電源緩速降壓到0。

CVT測量：CVT隔離開關斷開，低壓隔離開關接通輸出低壓。測量C2時，CVT倒線開關接通，C2接入試品通道，用C1作標準電容測量C2。第11頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三2、AI-6000介損儀的技術性能電容量范圍:

內置電壓3pF~60000pF/10kV60pF~1uF/0.5kV

外加高壓3pF~1.5uF/10kV

分辨率:最高0.001pF,4位有效數字

tgδ范圍:

不限,分辨率0.001%,電容、電感、電阻三種試品自動識別。試驗頻率：

45、50、55、60、65Hz單頻

45/55、55/65、47.5/52.5Hz自動雙變頻 精度：0.01Hz

試驗電流：10uA~5A

內施高壓：設定范圍：0.5kV~10kV最大輸出電流：200mA

升降壓方式：連續(xù)平滑調節(jié)變壓器最大輸出功率:2000VA/min

精度±（1.5%×

讀數+10V）分辨率：1V第12頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三準確度

Cx： ±（讀數×1%+1pF）

tgδ： ±（讀數×1%+0.00040） 例如介損讀數1.000％，按上式計算，誤差為±（1%×1.000％+0.00040）＝±0.05%，即實際介損可能在0.950％～1.050%之間。通常介損的數值都比較小，因此這個零點誤差起主要作用。AI-6000無干擾時控制零點誤差為0.00005，2：1干擾下控制介損波動量小于0.0002。抗干擾指標 抗干擾指標：在200%干擾（即I干擾/I試品≤2）下仍能達到上述準確度 用于現(xiàn)場測量的介損儀，必須具備良好的抗干擾能力。抗干擾能力應當定量描述，例如只說“抗22萬電場干擾或50萬電場干擾”，或者拿試驗室精度當作現(xiàn)場測量精度，或者隨意提高精度指標都是不可取的。實際上儀器的測量重復性也能夠反映抗干擾能力，如果重復性很好，必然說明抗干擾能力強。由于A/D位數限制，干擾進一步增大時，會導致有用信號的有效數字位數降低，引起A/D的量化效應，使測量數據產生波動。我們目前已經掌握了抵抗20倍以上干擾的方法。由于還沒有發(fā)現(xiàn)超過2倍的干擾，因此暫時沒有啟用這個功能。第13頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三安全性能多種安全保護措施，確保人身和試驗設備安全高壓保護：試品短路、擊穿或高壓電流波動，能以短路方式高速切斷輸出。低壓保護：誤接380V，電源波動或突然斷電，啟動保護，不會引起過電壓。接地保護：儀器接地失靈使外殼帶危險電壓時，啟動接地保護。CVT：高壓電壓和電流、低壓電壓和電流四個保護限，不會損壞設備；誤選菜單不會輸出激磁電壓。防誤操作：兩級電源開關；電壓、電流實時顯示；多次按鍵確認；接線端子高/低壓分明；聲光報警。防“容升”：測量大容量試品時會出現(xiàn)電壓抬高的“容升”效應，儀器能自動跟蹤輸出電壓，保持試驗電壓恒定。抗震性能：儀器采用獨特抗震設計，可耐受強烈長途運輸震動、顛簸而不會損壞。高壓電纜：為耐高壓絕緣導線，可拖地使用。第14頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三

實際上，安全性應當成為儀器選型的首要因素。 例如意外接觸高壓，靠跳閘燒保險肯定是危險的。儀器應當在數毫秒內切斷輸出。當然開路式切斷與短路式切斷又有不同，短路式切斷不會產生過電壓，更加安全。 另外，儀器開關、端子、安全警示、操作是否能盡可能防止誤操作，儀器是否帶有接地保護等，也是十分重要的。設計者和生產廠有責任盡最大努力提高儀器安全性，減少誤操作的可能性。即便發(fā)生誤操作，也必須將損失降到最低限度。例如“一按啟動即測量”肯定不安全。輸出端子一會這個帶高壓，一會另一個帶高壓也是不安全的。 除對試驗人員的保護外，還要求儀器能對被測設備進行保護。例如測量過程中，過高的電壓引起試品電流異常增大，直至擊穿放電，儀器能否提前察覺到電流異常增大而停止測量?；蛘哌M行CVT自激法測量時能否緩慢地、試探性升壓，提前發(fā)現(xiàn)接線錯誤而停止測量等。 除對試驗人員的保護外、被測設備進行保護外，儀器還應能對自身保護。因為即便用戶使用原因引起儀器損壞，也會耽誤用戶的工作。例如現(xiàn)場測量拉電源線時，會將380V線電壓當作相電壓給儀器供電，如果沒有這個保護，必然造成儀器返修。第15頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三功能 用戶還關心的問題是儀器的性價比，同樣價格儀器功能應盡量完備。同時多功能也不能增加儀器操作的復雜性，儀器操作要人性化，界面要簡單明了。故障率低，售后服務及時 目前生產廠家已非常注重產品服務了，剩下的差別就在于儀器返修率。一個好的產品應當結實耐用，性能穩(wěn)定可靠。通過技術監(jiān)督部門質量認證和檢定 生產廠家應當具備合法的生產手續(xù)，可靠的質量保證體系。目前介損儀的生產廠家較多，粗劣技術多家轉讓、盜版、過度降低成本的情況已有發(fā)生。如果使用一些低劣、不安全、故障率高的儀器，必然會給用戶利益造成損害。第16頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三三、AI－6000介損儀的現(xiàn)場接線方式及注意事項1.常用測量接線正接線（UST）a、常規(guī)正接線

第17頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三b、高電壓介損第18頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三反接線（GST）a、常規(guī)反接線第19頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三b、反接線高壓屏蔽第20頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三c、反接線低壓屏蔽第21頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三CVT的設置與測量

CVT的設置：

將光標移到高壓位置，輕按啟停鍵可以依次出現(xiàn)以下界面，這四個分別是高壓電壓、高壓電流、低壓電壓和低壓電流的設定值，當然也可以根據需要自己設定。第22頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三CVT的測量：下面以母線接地CVT為例介紹各個電容的測量方法（A未引出）。

如果是母線CVT測量之前應確認結合濾波器已斷開，以消除載波信號影響。a、C1由多節(jié)電容組成時，測C11可用高壓屏蔽其它電容C12、C13電容可用一般正接線測量。C14和C2用CVT自激法測量第23頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三C1由兩節(jié)電容組成時，用低壓屏蔽其它電容：第24頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三b、用自激法測量C12、C2：

低壓激勵線，可接任何一組二次線圈。二次線圈應解開，防止將儀器低壓短路。低壓激勵線電流大，應良好接觸。第25頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三使用帶接地屏蔽的高壓線可以拖地（參見儀器操作說明）。使用其它導線不應拖地，必須吊起，否則高壓線對地會有一個附加電阻，這樣會導致電壓產生相移從而引起測量誤差。

第26頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三測量CVT時建議高壓線接CVT的下端δ（N）點。

第27頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三2.現(xiàn)場試驗注意事項搭鉤接觸不良 現(xiàn)場測量使用搭鉤連接試品時，搭鉤務必與試品接觸良好，否則接觸點放電會引起數據嚴重波動！如高壓掛在引流線上時，因引流線氧化層太厚，或風吹線擺動，易造成接觸不良。接地接觸不良 接地不良會引起儀器保護或數據嚴重波動。應刮凈接地點上的油漆和銹蝕，務必保證0電阻接地！如果測量接地試品，試品地和儀器地應共地連接，保持地電位一致。直接測量CVT或末端屏蔽法測量電磁式PT

直接測量CVT的下節(jié)耦合電容會出現(xiàn)負介損，應改用自激法。 用末端屏蔽法測量電磁式PT時由于受潮引起“T形網絡干擾”出現(xiàn)負介損，吹干下面三裙瓷套和接線端子盤即可。也可改用常規(guī)法或末端加壓法測量?？諝鉂穸冗^大 空氣濕度大使介損測量值異常增大（或減小甚至為負）且不穩(wěn)定，必要時可加屏蔽環(huán)。因人為加屏蔽環(huán)改變了試品電場分布，此法有爭議，可參照有關規(guī)程。第28頁，講稿共31頁，2023年5月2日，星期三發(fā)電機供電 發(fā)電機供電時輸入頻率不穩(wěn)定，可采用定頻50Hz模式工作。測試線 由于長期使用和連接，易造成測試線芯線和屏蔽短路或插座接觸不良，用戶應經常維護測試線； 測試標準電容試品時，應使用全屏蔽插頭連接，以消除附加雜散電容影響，否則不能反映出儀器精度； 自激法測量CVT時，高壓線應吊起懸空，否則對地附加雜散電容和介損會引起測量誤差。工作模式選擇 接好