介質(zhì)損耗測(cè)試儀工作原理

DCJS-S全自動(dòng)抗干擾介損測(cè)試儀，是發(fā)電廠、變電站等現(xiàn)場(chǎng)全自動(dòng)測(cè)量各種高壓電力設(shè)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(zhì)要消耗部分電能，這部分電能將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮墚a(chǎn)生損耗。這種能量損耗叫做電介質(zhì)的損耗。當(dāng)電介質(zhì)上施加交流電壓時(shí)，電介質(zhì)中的電壓和電流間存在相角差Ψ，Ψ的余角δ稱為介質(zhì)損耗角，δ的正切tgδ稱為介質(zhì)損耗角正切。tgδ值是用來衡量電介質(zhì)損耗的參數(shù)。儀器測(cè)量線路包括一標(biāo)準(zhǔn)回路（Cn）和一被試回路（Cx），如圖1所示。標(biāo)準(zhǔn)回路由內(nèi)置高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)電容器與測(cè)量線路組成，被試回路由被試品和測(cè)量線路組成。測(cè)量線路由取樣電阻與前置放大器和A／D轉(zhuǎn)換器組成。通過測(cè)量電路分別測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)回路電流與被試回路電流幅值及其相位等，再由單片機(jī)運(yùn)用數(shù)字化實(shí)時(shí)采集方法，通過矢量運(yùn)算便可得出試品的電容值和介質(zhì)損耗正切值。

儀器內(nèi)部已經(jīng)采用了抗干擾措施，保證在外電場(chǎng)干擾下準(zhǔn)確測(cè)量。

圖1測(cè)量原理圖

1. 儀器結(jié)構(gòu)

測(cè)量電路：傅立葉變換、復(fù)數(shù)運(yùn)算等全部計(jì)算和量程切換、變頻電源控制等。

控制面板：打印機(jī)、鍵盤、顯示和通訊中轉(zhuǎn)。

變頻電源：采用SPWM開關(guān)電路產(chǎn)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(cè)量電壓，最大無功輸出2KVA/1分鐘。

標(biāo)準(zhǔn)電容器：內(nèi)Cn，測(cè)量基準(zhǔn)。

Cn電流檢測(cè)：用于檢測(cè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電容器電流，10μA～1A。輸入電阻＜2Ω。

Cx正接線電流檢測(cè)：只用于正接線測(cè)量，10μA～1A。輸入電阻＜2Ω。

Cx反接線電流檢測(cè)：只用于反接線測(cè)量，10μA～1A。輸入電阻＜2Ω。

反接線數(shù)字隔離通訊：采用精密MPPM數(shù)字調(diào)制解調(diào)器，將反接線電流信號(hào)送到低壓側(cè)。隔離電壓20KV。

2. 工作原理

啟動(dòng)測(cè)量后高壓設(shè)定值送到變頻電源，變頻電源用PID算法將輸出緩速調(diào)整到設(shè)定值，測(cè)量電路將實(shí)測(cè)高壓送到變頻電源，微調(diào)低壓，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高壓輸出。根據(jù)正/反接線設(shè)置，測(cè)量電路根據(jù)試驗(yàn)電流自動(dòng)選擇輸入并切換量程，測(cè)量電路采用傅立葉變換濾掉干擾，分離出信號(hào)基波，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電流和試品電流進(jìn)行矢量運(yùn)算，幅值計(jì)算電容量，角差計(jì)算tgδ。反復(fù)進(jìn)行多次測(cè)量，經(jīng)過排序選擇一個(gè)中間結(jié)果。測(cè)量結(jié)束，測(cè)量電路發(fā)出降壓指令變頻電源緩速降壓到0。

測(cè)量方式及原理

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

在高壓電源的10kV側(cè)，高壓分兩路，一路給機(jī)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)電容CN，此電容介損非常小，可以認(rèn)為介損為零，即為純?nèi)菪噪娏鳎穗娏鱅CN 可做為容性電流基準(zhǔn)。在Cx試品一側(cè)，試品電流Icx通過采樣電阻R采入機(jī)內(nèi)，此Icx可分解成水平分量和垂直分量見圖二所示，通過計(jì)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(jìn)入采樣電阻R，得到全電流值，在圖一（b）中Cx為接地試品，機(jī)內(nèi)Cx端直接接地，電流Icx從試品高壓端到機(jī)內(nèi)采樣電阻取得全電流值。

介質(zhì)損耗計(jì)算公式

電介質(zhì)在恒定電場(chǎng)作用下，介質(zhì)損耗的功率為

W=U2/R=（Ed）2S/ρd=σE2Sd

定義單位體積的介質(zhì)損耗為介質(zhì)損耗率為

ω=σE2

在交變電場(chǎng)作用下，電位移D與電場(chǎng)強(qiáng)度E均變?yōu)閺?fù)數(shù)矢量，此時(shí)介電常數(shù)也變成復(fù)數(shù)，其虛部就表示了電介質(zhì)中能量損耗的大小。

D，E，J之間的相位關(guān)系圖

如圖所示，從電路觀點(diǎn)來看，電介質(zhì)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(dǎo)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(chǔ)電荷要消耗的能量的大小，是電介質(zhì)作為絕緣材料使用時(shí)的重要評(píng)價(jià)參數(shù)。為了減少介質(zhì)損耗，希望材料具有較小的介電常數(shù)和更小的損耗角正切。損耗因素的倒數(shù)Q=（tanδ）-1在高頻絕緣應(yīng)用條件下稱為電介質(zhì)的品質(zhì)因素，希望它的值要高。

tanδ被稱為介質(zhì)損耗角的正切，它是交流電壓下電介質(zhì)中的有功分量和無功分量的比值，是一個(gè)無量綱的數(shù)，反應(yīng)的是電介質(zhì)內(nèi)單位體積中能量損耗的大小。

介質(zhì)損耗

介質(zhì)損耗與外施電壓、電源頻率、介質(zhì)電容C和介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ成正比。但是用介質(zhì)損耗P表示介質(zhì)品質(zhì)的優(yōu)劣是不方便的，因?yàn)椋琍值和試驗(yàn)電壓、介質(zhì)尺寸（形狀、大小、厚度等）等因素有關(guān)，不同設(shè)備間難以互相比較，因此也不能準(zhǔn)確的反映電介質(zhì)的絕緣狀況。而當(dāng)外加電壓、頻率一定時(shí)，介質(zhì)損耗僅與介質(zhì)的等值電容和介質(zhì)損耗因數(shù)有關(guān)，對(duì)于一定結(jié)構(gòu)及形成的電介質(zhì)，等值電容是定值，因此tanδ就完全反映了介質(zhì)損耗情況，可以用來評(píng)價(jià)高壓電力設(shè)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(guān)的物理量。所以，在工程上選用介質(zhì)損耗角的正切tanδ的值來判斷介質(zhì)的品質(zhì)，表征電介質(zhì)的損耗大小。