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高低頻下測量介質(zhì)損耗角正切的原理
閱讀：760發(fā)布時間：2024-3-29
如前所述,，介質(zhì)損耗角正切tanδ是在交流電壓作用下，電介質(zhì)中電流的有功分量與無功分量的比值,，它是一個無量綱的數(shù),。在一定的電壓和頻率下，它反映電介質(zhì)內(nèi)單位體積中能量損耗的大小,，它與電介質(zhì)的體積尺寸大小無關,。因此，能從測得的tanδ 數(shù)值直接了解絕緣情況,。
介質(zhì)損耗角正切tanδ的測量是判斷絕緣狀況的一種比較靈敏和有效的方法,，從而在電氣設備制造、絕緣材料的鑒定以及電氣設備的絕緣試驗等方面得到了廣泛的應用,，特別對受潮,、老化等分布性缺陷比較有效，對小體積設備比較靈敏,，因而tanδ的測量是絕緣試驗中一個較為重要的項目。
如果絕緣內(nèi)的缺陷不是分布性而是集中性的,，則用測tanδ值來反映絕緣的狀況就不很靈敏,，被試絕緣的體積越大，越不靈敏,，因為此時測得的tanδ反映的是整體絕緣的損耗情況,，而帶有集中性缺陷的絕緣是不均勻的，可以看成是由兩部分介質(zhì)并聯(lián)組成的絕緣,，其整體的介質(zhì)損耗為這兩部分損耗之和,，即
或 
得 
且 
若整體絕緣中體積為V2的一小部分絕緣有缺陷，而大部分良好的絕緣的體積為V1，即V2?V1,，則得C2?C1,，C≈C1)，于是
（3-3）
由于式(3-3)中的系數(shù)
很小,，所以當?shù)诙糠值?/span>絕緣出現(xiàn)缺陷,，tanδ增大時，并不能使總的tanδ值明顯增大,。只有當絕緣有缺陷部分所占的體積較大時,，在整體的tanδ中才會有明顯的反映。例如在一臺110kV大型變壓器上測得總的tanδ為0.4%,，是合格的,，但把變壓器套管分開單獨測得tanδ達3.4%就不合格。所以當變壓器等大設備的絕緣由幾部分組成時,，最好能分別測量各部分的tanδ,，以便于發(fā)現(xiàn)絕緣的缺陷。
電機,、電纜等設備,，運行中的故障多為集中性缺陷發(fā)展造成的，用測tanδ的方法不易發(fā)現(xiàn)絕緣的缺陷,，故對運行中的電機,、電纜等設備進行預防性試驗時，不測tanδ,。而對套管絕緣,，因其體積小，故tanδ測量是一項不可少且較為有效的試驗,。當固體絕緣中含有氣隙時,，隨著電壓的升高，氣隙中將產(chǎn)生局部放電,，使tanδ急劇增大,，因此在不同電壓下測量tanδ，不僅可判斷絕緣內(nèi)部是否存在氣隙,，而且還可以測出局部放電的起始電壓U0,，顯然U0的值不應低于電氣設備的工作電壓。
在用tanδ 值判斷絕緣狀況時,，除應與有關標準規(guī)定值進行比較外,，同樣必須與該設備歷年的tanδ值相比較以及與處于同樣運行條件下的同類型其他設備相比較。即使tanδ值未超過標準,，但與過去比較或與同樣運行條件下的同類型其他設備比,，tanδ值有明顯增大時,，必須要進行處理，以免在運行中發(fā)生事故,。
一,、QS1型電橋原理
在絕緣預防性試驗中，常用來測量設備絕緣的tanδ值和電容C值和方法是采用QS1電橋(平衡電橋),，其原理接線圖如圖3-4所示,。它有四個橋臂組成，臂1為被試品Zx,，圖中用CX及RX的并聯(lián)等值電路來表示,；臂2為標準無損電容器CN，一般為50pF,，它是用空氣或其他壓縮氣體作為介質(zhì)(常用氮氣),，其tanδ值很小，可認為零,；臂3,、4為裝在電橋本體內(nèi)的操作調(diào)節(jié)部分，包括可調(diào)電阻R3,、可調(diào)電容C4及與其并聯(lián)的固定電阻R4,。外加交流高壓電源(電壓一般為10kV)，接到電橋的對角線CD上,，在另一對角線AB上則接上平衡指示儀表G,，G一般為振動式檢流計。
進行測量時,，調(diào)節(jié)R3,、C4，使電橋平衡,，即使檢流計中的電流為零,，或UAB為零，這時有
將上述阻抗值代入式(3-4),，并使等式左右的實數(shù)部分和虛數(shù)部分分別相等,，即可求得
(3-5)
因tanδ很小，tan2δ?1,，故得
（3-6）
由于我國使用的電源頻率為50HZ,，故ω=2Πf=100Π,為了便于讀數(shù)，在電橋制造時常取R4=104/Π=3184Ω,，因此
（3-7）
這樣，當調(diào)節(jié)電橋平衡時,，在分度盤上C4的數(shù)值就直接以tanδ(%)來表示,，讀取數(shù)值極為方便,。
為了避免外界電場與電橋各部分之間產(chǎn)生的雜散電容對電橋產(chǎn)生干擾，電橋本體必須加以屏蔽,，如圖3-4中的虛線所示,。由被試品和標準無損電容器連到電橋本體的引線也要使用屏蔽導線。在沒有屏蔽時,，出高壓引線到A,、B兩點間的雜散電容分別與CX與CN并聯(lián)(見圖3-4)，將會影響電橋平衡,。加上屏蔽后,，上述雜散電容變?yōu)楦邏簩Φ氐碾娙荩c整個電橋并聯(lián),，就不影響電橋的平衡了,。但加上屏蔽后，屏蔽與低壓臂3,、4間也有雜散電容存在,，如果要進一步提高測量的標準度，必須消除它們的影響,，但在一般情況下,，由于低壓臂的阻抗及電壓降都很小，這些雜散電容的影響可以忽略不計,。
二,、接線方式
用國產(chǎn)QS1型電橋測量tanδ時，常有兩種接線方式,。
1.正接線
圖3-4所示接線方式中,，電橋的C點接到電源的高壓端，D點接地,，這種接線稱為正接線,。此種接線由于橋臂1及2的阻抗ZX和ZN的數(shù)值比Z3和Z4大得多，外加高電壓大部分降落在橋臂1及2上,，在調(diào)節(jié)部分R3及C4上的電壓降通常只有幾伏,，對操作人員沒有危險。為了防止被試品或標準電容器一旦發(fā)生擊穿時在低壓臂上出現(xiàn)高電壓,，在電橋的A,、B點上和接地的屏蔽間接有放電管F，以保證人身和設備的安全,。正接線測量的準確度較高,，試驗時較安全，對操作人員無危險,，但要求被試品不接地,，兩端部對地絕緣,，故此種接線適用于試驗室中，不適用于現(xiàn)場試驗,。
2.反接線
現(xiàn)場電氣設備的外殼大都是接地的,，當測量一極接地的試品的tanδ時，可采用如圖3-5所示的反接線方式,，即把電橋的D點接到電源的高壓端,，而將C點接地，在這種接線中,，被試品處于接地端,，調(diào)節(jié)元件R3、C4處于高壓端,，因此電橋本體(圖3-4虛線框內(nèi))的全部元件對機殼必須具有高絕緣強度,，調(diào)節(jié)手柄的絕緣強度更應能保證人身安全，國產(chǎn)便于攜帶式QS1型電橋的接線即屬這種方式,。
三,、干擾的產(chǎn)生與消除
在現(xiàn)場測量tanδ時，特別是在110kV及以上的變電所進行測量時,，被試品和橋體往往處在周圍帶電部分的電場作用范圍之內(nèi),，雖然電橋本體及連接線都采用了前面所述的屏蔽，但對被試品通常無法做到全部屏蔽,，如圖3-6所示,。這時等值干擾電源電壓U?就會通過與被試品高壓電極間的雜散電容C?產(chǎn)生干擾電流I?，因而影響測量的準確,。
當電橋平衡時,，流過檢流計的電流IG=0，此時檢流計支路可看作開路,，干擾電流I?在通過C?以后分成兩路,，一路經(jīng)CX入地，另一路經(jīng)R3及試驗變壓器的漏抗入地,，由于前者的阻抗遠大于后者,，故可以認為I?實際上全部流過R3。在現(xiàn)場進行測量時,，不但受到電場的下擾,，還可能受到磁場的干擾。一般情況下,，磁場的干擾較小,，而且電橋本體都有磁屏蔽，CX及CN的引線雖較長,，但其阻抗較大,，感應弱時,，不能引起大的干擾電流。但當電橋靠近電抗器等漏磁通較大的設備時,，磁場的干擾較為顯著。通常,，這一干擾主要是由于磁場作用下電橋檢流計內(nèi)的電流線圈回路所引起的,。可以把檢流計的極性轉(zhuǎn)換開關放在斷開位置,，此時如果光帶變寬,，即說明有此種干擾。為了消除干擾的影響,，可設法將電橋移到磁場干擾范圍以外,。若不能做到，則可以改變檢流計極性開關進行兩次測量,，用兩次測量的平均值作為測量結果,，以減小磁場干擾的影響。
四,、測量 tanδ時的注意事項
(1)無論采用何種接線方式,，電橋本體必須良好接地。
(2)反接線時,，三根引線均處于高壓,，必須懸空，與周圍接地體應保持足夠的絕緣距離,。此時,，標準電容器外殼帶高電壓，也不應有接地的物體與外殼相碰,。
(3)為防止檢流計損壞,，應在檢流計靈敏度低時接通或斷開電源。
(4)在體積較大的設備中存在局部缺陷時,，測量總體的tanδ 不易反映,；而對體積較小的設備就比較容易發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷，為此,，對能分開測量的試品應盡量分開測量,。
(5)一般絕緣的tanδ均隨溫度的上升而增大。各種試品在不同溫度下的tanδ值也不可能通過通用的換算式獲得準確的換算結果,。故應爭取在差不多的溫度下測量tanδ值,，并以此作相互比較。通常都以20℃時的值作為標準(絕緣油例外),。為此,，一般要求在10～30℃的范圍內(nèi)進行測量,。
(6)試驗時被試品的表面應當干燥、清潔,，以消除表面泄漏電流的影響,。
(7)在進行變壓器、電壓互感器等繞組的tanδ值和電容值的測量時,，應將被試設備所有繞組的首尾短接起來,，否則會產(chǎn)生很大的誤差。
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