介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)試驗(yàn)

1、介質(zhì)損耗因數(shù)的物理意義 

絕緣介質(zhì)在交流電壓作用下會(huì)在絕緣介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生損耗，這些損耗包括絕緣介質(zhì)極化產(chǎn)生的 損耗、絕緣介質(zhì)沿面爬電產(chǎn)生的損耗和絕緣介質(zhì)內(nèi)部局部放電產(chǎn)生的損耗等。由于絕緣介質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生了損耗，所以造成施加在絕緣介質(zhì)上的交流電壓與電流之間的功率因數(shù)角不再是90°。我們把功率因數(shù)角的余角稱為介質(zhì)損失角，并用介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)來表示絕緣系統(tǒng)電容的介質(zhì)損耗特性。

1.1 等效電路及電壓、電流相量圖 

絕緣介質(zhì)在交流電壓作用下產(chǎn)生介質(zhì)損耗的等效電路見圖5-2。其施加電壓及介質(zhì)損耗電流的相量圖見圖5-6。圖5-2和圖5-6可進(jìn)一步簡化成圖 5-7。  

圖5-2 絕緣介質(zhì)的等效電路

表5-2 絕緣電阻測(cè)量結(jié)果

1.2 介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)的表示方法 

由圖5-7等效電路圖和相量圖可知，絕緣介質(zhì)中的損耗可表示為W=UIcos?＝UI_R＝UI_Ctanδ， 所以 tanδ=I_R/I_C。為了便于比較，通常取tanδ=I_R/I_C×100%，即用tanδ來表示相對(duì)的介質(zhì)損耗因數(shù)的大小。這樣可以消除絕緣介質(zhì)幾何尺寸差異造成的影響，便于比較和判定不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的絕緣性能。

2 tanδ的電壓溫度特性 

2.1 電壓特性 

tanδ與施加電壓的關(guān)系決定于絕緣介 質(zhì)的性能、絕緣介質(zhì)工藝處理的好壞和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。當(dāng)絕緣介質(zhì)工藝處理良好時(shí)，外施電壓與tanδ之間的關(guān)系近似一水平直線，且施加電壓上升和下降時(shí)測(cè)得的tanδ值是基本重合的。當(dāng)施加電壓達(dá)到某一極限值時(shí)， tanδ曲線開始向上彎曲，見圖5-8曲線1。

如果絕緣介質(zhì)工藝處理得不好或絕緣 介質(zhì)中殘留氣泡等，則絕緣介質(zhì)的tanδ比良好絕緣時(shí)要大。另外，由于工藝處理不好的絕緣介質(zhì)在極低電壓下就會(huì)發(fā)生局部放電，所以，tanδ曲線就會(huì)較早地向上彎曲，且電壓上升和下降時(shí)測(cè)得的tanδ值是不相重合的，見圖5-8曲線2。

當(dāng)絕緣老化時(shí)，絕緣介質(zhì)的tanδ反而比良好絕緣時(shí)要小，但tanδ開始增長的電壓較低，即tanδ曲線在較低電壓下即向上彎曲，見圖5-8曲線3。另外，老化的絕緣比較容易吸潮，一旦吸潮，tanδ就會(huì)隨著電壓的上升迅速增大，且電壓上升和下降時(shí)測(cè)得的tanδ 值不相重合，見圖5-8曲線4。 

2.2 溫度特性

圖5-6 絕緣介質(zhì)等值電流相量圖

I_C—吸收電流的無功分量 I_R—吸收電流的有功分量

?—功率因數(shù)角 δ—介質(zhì)損失角

圖5-7 絕緣介質(zhì)簡化等效電路和等值電流相量圖

(a)等效電路 (b)等值電流相量圖

C_x—絕緣介質(zhì)的總電容 R_x—絕緣介質(zhì)的總泄漏電阻 I_Cx—絕緣介質(zhì)的總電容電流 I_Rx—絕緣介質(zhì)的總泄漏電流

圖5-8 絕緣介質(zhì)tanδ的電壓特性

tanδ隨溫度的上升而增加，其與溫度之間的關(guān)系與絕緣材料的種類、性能和產(chǎn)品的絕緣結(jié)構(gòu)等有關(guān)，在同樣材料、同樣絕緣結(jié)構(gòu)的情況下與絕緣介質(zhì)的工藝干燥、吸潮和老化程度有關(guān)。

對(duì)于油浸式變壓器，在10℃～40℃范圍內(nèi)，干燥產(chǎn)品的tanδ增長較慢;溫度高于40℃，則tanδ的增長加快，溫度特性曲線向上逐漸彎曲。為了比較產(chǎn)品不同溫度下的tanδ，GB/T6451—1999國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同溫度t下測(cè)量的tanδ的換算公式。

tanδ₂＝tanδ₁·1.3^(t_1-t2)/10 (5-2)

式中　tanδ₂——油溫為t₂時(shí)的tgδ值，%;

　tanδ₁——油溫為t₁時(shí)的tgδ值，%。

3 tanδ測(cè)量方法 

3.1 測(cè)量儀器及測(cè)量電壓 

變壓器、互感器等產(chǎn)品的介質(zhì)損耗因數(shù) (tanδ)測(cè)量一般均采用高壓西林電橋。使用比較多的電橋型號(hào)有國產(chǎn)QS1型 (變壓器 tanδ測(cè)量多采用此電橋) 和瑞士進(jìn)口2801 型。兩種電橋的基本原理是一樣的(見圖5- 9)，不同的是2801型電橋的R₄可以調(diào)節(jié)，且主橋外帶有一套2911型自動(dòng)電位調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器可以自動(dòng)消除不利的接地和測(cè)量導(dǎo)線局部電容對(duì)tanδ測(cè)量的影響。2801型電橋的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度為：使用橋內(nèi)測(cè)量元件和100pF標(biāo)準(zhǔn)電容器時(shí)，電容測(cè)量范圍為 0.01pF～11μF，測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.05%;tanδ測(cè)量范圍為0～350%，測(cè)量準(zhǔn)確度為±0.5%。 

圖5-9 高壓西林電橋原理線路圖

C_x—被測(cè)產(chǎn)品等效電容 C_N—標(biāo)準(zhǔn)電容器 R₃、r、R₄—可變橋臂電阻 C₄—可變橋臂電容 G—5511(5512)電子式零指示器(2801電橋)

還有一類電容和介損測(cè)量儀在變壓器、互感器等產(chǎn)品的介損tanδ測(cè)量中應(yīng)用很廣。這種測(cè)量儀采用矢量電流法測(cè)量電容和介質(zhì)損耗因數(shù)。其原理是將C_N和C_x兩個(gè)回路電流輸入測(cè)量儀后，經(jīng)微處理器進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，得到電容C_x和其介質(zhì)損耗因數(shù)，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量。典型儀器有進(jìn)口的2876 電橋、2818電容介損測(cè)量儀和國產(chǎn)的2518介質(zhì)損耗測(cè)試儀。這類測(cè)試儀測(cè)量準(zhǔn)確度比2801電橋稍低，但實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)測(cè)量，操作簡單，適合于生產(chǎn)性試驗(yàn)測(cè)量。

tanδ測(cè)量電壓：對(duì)于額定電壓6kV及以下電壓等級(jí)的產(chǎn)品(當(dāng)要求測(cè)量tanδ時(shí))，取額定電壓;對(duì)于額定電壓為10kV～35kV電壓等級(jí)的產(chǎn)品(當(dāng)要求測(cè)量tanδ時(shí))取10kV;對(duì)于額定電壓為63kV及以上電壓等級(jí)的產(chǎn)品取≥10kV，但最高不應(yīng)超過產(chǎn)品低電壓繞組額定電壓的60%。

3.2 正接法測(cè)量 

西林電橋正接法只能測(cè)量兩極對(duì)地絕緣的產(chǎn)品，如電流互感器、套管等，原理線路圖見圖5- 10。測(cè)量方法和步驟如下。

(1)預(yù)估試品電容和測(cè)量tanδ電壓下的電容電流，并根據(jù)試品電容和電容電流的大小選擇合適的電橋分流器和橋臂電阻R₄(QS1型電橋R₄等于10 000/π)。

(2)按圖5-10線路接線，并經(jīng)認(rèn)真檢查無誤后，先施加較低電壓進(jìn)行測(cè)量，然后再升壓至測(cè)量電壓進(jìn)行測(cè)量。

(3)測(cè)量時(shí)首先調(diào)節(jié)電橋的橋臂電阻R₃，使電橋基本達(dá)到平衡，然后再調(diào)節(jié)電橋的橋臂電容C₄ 和橋臂微調(diào)電阻r，使電橋*達(dá)到平衡。

(4)讀取、記錄電橋R₃(r)和C₄測(cè)量值，然后根據(jù)電橋R₄的取值和標(biāo)準(zhǔn)電容器C_N的電容值計(jì)算試品的電容和tanδ%。

試品電容C_x的計(jì)算公式為：

當(dāng)R₄取1000/π Ω，C₄取μF時(shí)，tanδ=0.1C₄，tanδ%=10C₄; 

圖5-10 正接法測(cè)量原理線路圖

PT—電壓互感器 V—電壓表 U—tanδ測(cè)量電壓

當(dāng)R₄取10 000/πΩ，C₄取μF時(shí)，tanδ=C₄，tanδ%=100C₄。

3.3 反接法測(cè)量 

對(duì)于變壓器來說，由于其油箱是直接落在地面上的，所以測(cè)量繞組對(duì)地的介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ) 不能采用正接法，只能采用反接法，原理線路圖見圖5-11。

測(cè)量方法和步驟同正接法。但由于反接法測(cè)量時(shí)橋臂電阻R₃、r、R₄和C₄均處于高電位，因此，是用絕緣桿把操作元件引到電橋接地蓋子上進(jìn)行操作的(或人站在?10kV絕緣臺(tái)子上操作)，故測(cè)量時(shí)必須時(shí)刻注意安全。

4 幾點(diǎn)分析 

(1)由于變壓器的tanδ與產(chǎn)品使用的變壓器油、絕緣材料的種類和性能以及產(chǎn)品制造工藝有關(guān)，所以，不能用一種簡單的關(guān)系來代表所有的情況。

圖5-11 反接法測(cè)量原理線路圖

(2)由于變壓器的tanδ只能用來判斷絕緣的整體特性，對(duì)判斷絕緣的局部缺陷是不靈敏的，所以，此項(xiàng)試驗(yàn)還有一定的局限性。正因?yàn)槿绱耍裕?/span>GB1094.1—1996標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定有此試驗(yàn)項(xiàng)目， GB/T6451—1999標(biāo)準(zhǔn)只要求提供tanδ實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而沒有規(guī)定具體限值 (330kV有限值規(guī)定)。GB/ T16274—1996標(biāo)準(zhǔn)要求提供tanδ實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，而且有具體限值規(guī)定。各企業(yè)可根據(jù)自己的制造工藝等積累這方面的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，并用以判斷不同產(chǎn)品的絕緣處。

關(guān)鍵詞：介電常數(shù)測(cè)試儀 介質(zhì)損耗因數(shù) 介質(zhì)損耗角正切值 高壓自動(dòng)介損