1、完整word版AI6000培训教材介质损失角正切值（tg）的测量济南泛华佳业微电子技术有限公司一、测量tg的意义及原理1、介质损耗绝缘材料在电场作用下，由于介质电导和介质极化的滞后效应，在其内部引起的能量损耗，叫介质损耗。介质损耗的定义是： 如果取得试品的电流相量，则可以得到如下相量图： 总电流可以分解为电容电流Ic和电阻电流IR合成，因此： 这正是损失角（90）的正切值。因此现在的数字化仪器从本质上讲，是通过测量或者得到介损因数。测量介损对判断电气设备的绝缘状况是一种传统的、十分有效的方法。绝缘能力的下降直接反映为介损增大。进一步就可以分析绝缘下降的原因，如：绝缘受潮、绝缘油受污染、老化变质
2、等等。测量介损的同时，也能得到试品的电容量。如果多个电容屏中的一个或几个发生短路、断路，电容量就有明显的变化，因此电容量也是一个重要参数。2、介质的两种模型及与频率的关系含有介损的电容器都可以模拟成RC串联和并联两种理想模型进行分析：（1）并联模型：认为损耗是与电容并连的电阻产生的。这种情况RC两端电压相等：有功功率，无功功率，因此其中2f，f为电源频率。可见，如果用真正用一个纯电阻和一个纯电容模拟介损的话，它与频率成反比。当R=时，没有有功功率，介损为0。这种方法常用于试验室模拟10以上的大介损，或用于制做标准介损器。（2）串联模型：认为损耗是与电容串连的电阻产生的。这种情况电路的电流相等：
3、有功功率，无功功率，因此可见，如果用真正用一个纯电阻和一个纯电容模拟介损的话，它与频率成正比。当R=0时，没有有功功率，介损为0。这种方法常用于试验室模拟10以下的介损，或用于制做标准介损器。（3）实际试品： a、固定频率下测量实际试品在一个固定频率下，即可以用串连模型也可以用并联模型表示。例如50Hz下，下面两个电路对外呈现的特性完全一样：不同的电桥测量这两个试品，其介损都是31.4，但西林电桥（2801或QS1）测量的电容量是10000pF，电流比较仪电桥（如QS30）测量的电容量是9101.7pF。这是因为2801电桥认为试品损耗是串连模型，QS30认为试品是并联模型。通常认为并联模型更
4、接近实际情况，这是因为有功电流穿过电极之间的绝缘层，更象是损耗电阻并联在电极之间，而电极本身电阻为零，没有损耗。实际上当介损在10以下时，这种电容量的差别是很小的。b、变频测量从事现场试验的专家都有这样的经验：使用传统仪器，如QS1，在干扰严重的现场环境下测量介损，采用移相、倒相方法反复测量，仍无法使电桥平衡。随着电压等级提高，干扰越来越严重。这种情况下变频测量是一个很好的、甚至是唯一的选择。变频测量的抗干扰能力比移相、倒相法提高一个数量级以上。这好比两个电台在同一个频率上，很难将另一个信号抑制掉，但如果两个电台的频率不同，则很容易区分。变频测量受到的唯一怀疑是频率的等效性。按上述模型，介损是
5、随频率变化的。例如50Hz下1的介损，采用55Hz测量。串联模型的测量结果变成1.1(正比)，并联模型测量结果变成0.91%（反比）。虽然这样的误差可能满足现场测量的要求，但误差还是偏大。为了解决这个问题，我们首先提出了双变频测量原理：在50Hz对称位置45Hz和55Hz各测量一次，然后将测量数据平均，使误差大大减小。理论分析结果如下表所示：直接平均法：模型50Hz真实介损45Hz测量介损55Hz测量介损平均串连109111并联1111109091010可见最大误差发生在并联模型，相对误差1。可见最大误差发生在串联模型，相对误差1。当然如果试品介损不随频率变化，则这几种平均方法都没有误差。因为
6、实际试品介损模型接近并联模型，因此我们的仪器主要采用倒数平均法计算，这时几乎没有理论误差。同时仪器采用并联模型计算电容量，以模拟QS30电桥的工作。试验室校验仪器常采用标准损耗器，这种标准器是采用串连模型制做的，这时我们的仪器可采用直接平均法测量（仪器显示一个RC串联图标）。同时仪器采用串连模型计算试品电容，以模拟2801电桥的数据。以上分析表明，采用双变频测量，即发挥了变频测量的高抗干扰能力，理论上的最大相对误差也小于1，可以满足现场测量需要。我们的仪器也可以采用47.5Hz、52.5Hz双变频测量，理论误差将减少到0.25，但这时的抗干扰能力肯定不如45Hz、55Hz好。实际测量显示，变频
7、测量的数据十分稳定，重复性特别好。试验室校验也显示了很好的精度指标。目前变频测量的原理已经得到普遍认可。 昨天（2005年4月21日），我们在济南500kV变电站强干扰下测量断口电容（2400pF）和灭弧室（15pF），AI-6000读数十分稳定，而2816电桥只作出了电容量，因抗干扰不行，没有测到介损数据。估计原因是移相抗干扰能力不行，而AI-6000则采用变频抗干扰，其优势十分明显。二、测量tg的电桥和介损仪电桥：全称为高压电容电桥。电桥的标准通道输入标准电容器的电流、试品通道输入试品电流。通过比对电流相位差测量tg，通过出比电流幅值测量试品电容量。因此用电桥测量介损还需要携带标准电容器、
8、升压PT和调压器。接线也十分烦琐。介损仪：将高压电桥、升压变压器、标准电容器合为一体，不需要其它外接设备可独立完成试验。特别是新型介损仪大量引入计算机控制技术（例如我们的AI-6000介损仪包含了5个CPU，内部形成一个通讯网络），实现了测量过程自动化。相比而言，传统机械电桥正面临淘汰的局面。1、常见电桥电桥误差不含外部标准电容的误差，其基本误差为介损误差和电流比误差。国内常见电桥有：2801：Haefely公司，西林电桥，手动调节，介损相对误差0.5%，试验室使用。其改进型为2809A。QS30：上海沪光仪器厂，电流比较仪电桥，手动调节，介损相对误差0.5%0.00005，试验室使用。QS1
9、：上海电表厂，西林电桥，手动调节，介损相对误差10%0.003，现场测量用。支持正反接线，移相或到相抗干扰。AI-6000分体型：山东泛华，自动调节，红外线遥控，介损相对误差0.2%0.00005，现场或试验室用。支持正反接线，移相或倒相抗干扰。配合变频电源可变频抗干扰。2、常见介损仪介损仪总是考核其整体误差。由于介损仪主要在现场使用，因此如果单纯讲试验室达到多高的精度几乎没有意义。必须说明在什么干扰情况下达到什么样的精度。在邹县电厂参加的一次技术比武，当时选择了一个干扰十分强烈的场合进行测量：上方为运行的500kV三相母线，下面测量开关的断口电容，开关两端连接没拆除的母线长度有10米左右，实
10、际测量干扰电流与被试品电流达到1：1的强度。这基本上是现场碰到的最强干扰。因此作为具有抗干扰能力的介损仪，能抵抗2：1的干扰信号，就可以满足现场测量的要求。 目前介损仪主要以国产型号为主，也有少量进口仪器，其价格基本为国产仪器的10倍左右。进口型号有：2816：Haefely公司，高压输出12kV/200mA,介损误差10.0001(抗干扰方式、指标不祥，估计是移相),正反接线方式，C / L / R测量，总重量104kg。M4000：美国DOBLE公司，高压输出10kV/300mA,介损误差10.0004(变频抗干扰，20倍）,正反接线方式，C / L / R测量，笔记本WINDOWS，45
11、70Hz，重量66kg。DELTA2000：美国BIDDLE公司，高压输出10kV/200mA，介损误差20.0005(抗干扰方式、指标不祥，估计是移相),正反接线方式，重量78kg。主要国产型号有：M2000：上海，手动升压，移相抗干扰，正反接线方式。HV9001：上海，10kV/126mA，介损误差10.0005，移相法，抗干扰1：1，正反接线方式，CVT自激法。GWS4：福建，10kV/65mA，光纤传输，倒相抗干扰，正反接线方式。AI-6000：泛华，10kV/200mA，介损误差10.0004，变频法4565Hz，抗干扰2：1，正、反（含高、低压侧屏蔽）接线方式，CVT自激法，C /
12、 L / R测量，模拟西林电桥和电流比较仪电桥，试验室介损精度达到精密电桥标准，29kg。3、介损仪的性能评测（1） 准确度tg：（1%读数+0.0004）例如介损读数1.000，按上式计算，误差为（1%1.000+0.0004） 0.05%，即实际介损可能在0.9501.050%之间。通常介损的数值都比较小，因此这个零点误差起主要作用。AI-6000无干扰时控制零点误差为0.00005，2：1干扰下控制介损波动量小于0.0002。（2）抗干扰指标用于现场测量的介损仪，必须具备良好的抗干扰能力。抗干扰能力应当定量描述，例如只说“抗22万电场干扰或50万电场干扰”，或者拿试验室精度当作现场测量精
13、度，或者随意提高精度指标都是不可取的。实际上仪器的测量重复性也能够反映抗干扰能力，如果重复性很好，必然说明抗干扰能力强。（3）安全性能实际上，安全性应当成为仪器选型的首要因素。例如意外接触高压，靠跳闸烧保险肯定是危险的。仪器应当在数毫秒内切断输出。当然开路式切断与短路式切断又有不同，短路式切断不会产生过电压，更加安全。另外，仪器开关、端子、安全警示、操作是否能尽可能防止误操作，仪器是否带有接地保护等，也是十分重要的。设计者和生产厂有责任尽最大努力提高仪器安全性，减少误操作的可能性。即便发生误操作，也必须将损失降到最低限度。例如“一按启动即测量”肯定不安全。输出端子一会这个带高压，一会另一个带高
14、压也是不安全的。除对试验人员的保护外，还要求仪器能对被测设备进行保护。例如测量过程中，过高的电压引起试品电流异常增大，直至击穿放电，仪器能否提前察觉到电流异常增大而停止测量。或者进行CVT自激法测量时能否缓慢地、试探性升压，提前发现接线错误而停止测量等。除对试验人员的保护外、被测设备进行保护外，仪器还应能对自身保护。因为即便用户使用原因引起仪器损坏，也会耽误用户的工作。例如现场测量拉电源线时，会将380V线电压当作相电压给仪器供电，如果没有这个保护，必然造成仪器返修。（4）功能 用户还关心的问题是仪器的性价比，同样价格仪器功能应尽量完备。同时多功能也不能增加仪器操作的复杂性，仪器操作要人性化，
15、界面要简单明了。（5）故障率低，售后服务及时 目前生产厂家已非常注重产品服务了，剩下的差别就在于仪器返修率。一个好的产品应当结实耐用，性能稳定可靠。（6）通过技术监督部门质量认证和检定 生产厂家应当具备合法的生产手续，可靠的质量保证体系。目前介损仪的生产厂家较多，粗劣技术多家转让、盗版、过度降低成本的情况已有发生。如果使用一些低劣、不安全、故障率高的仪器，必然会给用户利益造成损害。 许多物资部门采用竞标方式采购设备。由于介损仪的质量差别较大，应当以质论价而不要以价论价。有些户购买了仪器，因性能不符合要求，导致仪器不能使用，造成重复采购和浪费。而用户反映好，市场占有率高的成熟仪器，就不会有后顾之
16、忧。4、电桥的工作原理（1）西林电桥调节R3、C4使电桥平衡，此时a、b两点电压相等，即R3、C4两端电压相等。因为交流电路中电容阻抗为。电路中R4、C4的并联阻抗为两者倒数和的倒数按阻抗元件分压原理，不难得到：两边取倒数得：按复数相等实部、虚部分别相等的规定得到按串连模型介损定义：,由于R4是固定的可以从C4刻度盘上读出介损，通过R3、R4、Cn可以计算Cx。 采用这个原理的仪器有现场用的QS1、试验室用的2801等。（2）M型电桥 将试品改为并联模型。注意到Ir与Icx、Icn差90度：调节R4使Uw最小。这时IcnR4=IcxR3, Uw=IrR3，因此： 由于a、b间电压没有完全抵消，
17、因此M型电桥也称为不平衡电桥。Uw测量的是绝对值，小介损时电压很低，难以保证测量精度。（3）数字电桥 数字电桥的测量回路还是一个桥。R3、R4两端的电压经过A/D采样送到计算机，求得:进一步可求得试品介损和电容量。 数字电桥的最大优势在于：可以实现自动测量，可以补偿所有原理性误差，没有复杂的机械调节部件，测量以软件为主，性能十分稳定。5、介损仪的工作方式 由于各种电桥的桥路接线相同，这里仍以西林电桥为例，介绍几种测量方式。（1）正接线（UST）（各种仪器相同）试品不接地，桥体E端接地。此时桥体处于地电位R3、C4可以安全调节。（2）标准反接线（GST） 测量接地试品，最常用的是反接线，此时桥体
18、处于高压端，R3、C4必须通过绝缘杆调节(QS1、HV9001方案)。（3）侧接线代替反接线 侧接线是另一种接地试品测量方法，此时桥体处于低电位（M2000、M4000方案）。 侧接线与反接线有很大不同：高压电源、高压线的干扰全部经过R3回路与真正的试品电流混杂到一起，极易受到干扰。为提高精度，需要双层屏蔽，消除内部和外部干扰。（4）高压电流传感器实现反接线 使桥体处于安全地电位，又能克服侧接线易受干扰的缺陷的另一个方法是使用高压电流传感器：一般生产厂家很少使用这个方法，原因是很难保证传感器的精度。AI-6000采用高速高精度A/D、D/A，配合10兆比特数字传输，很好地解决了这个问题，使反接
19、线精度达到了正接线的水平。6、抗干扰方法（1）干扰源 介损测量受到的主要干扰是感应电场产生的工频电流。无论何种测量方式，它都会进入桥体： 一般介损仪都能抗磁场干扰，因为内部的升压变压器就是一个强烈的磁场干扰源。（2）倒相法 测量一次介损，然后将试验电源倒相180度再测量一次，然后取平均值。 倒相法是抗干扰最简单的方法，也是效果最差的方法。因为两次测量之间干扰电流或试品电流的幅度会发生波动，会引起明显误差。 一般干扰电流不超过试验电流2时，这种方法是很有效的。（3）移相法 一种方法是采用大功率移相电源，调整试验高压的相位，使试品电流与干扰电流方向相同或相反，这样干扰电流影响减小，再配合倒相测量，
20、能大大提高测量精度。另一种方法是采用小功率移相电源，从R3桥臂上抵消干扰电流，再配合倒相测量，能大大提高测量精度。 通常在升压之前先检测干扰电流的大小和方向，然后调整移相电源。由于测量过程中无法再了解干扰的信息，因此测量过程中干扰或电源发生相位波动，仍会引起明显误差。 一般干扰电流不超过试验电流20时，这种方法是很有效的。（4）变频法干扰十分严重时，变频测量能得到准确可靠的结果。例如用55Hz测量时，测量系统只允许55Hz信号通过，50Hz干扰信号被有效抑制，原因在于测量系统很容易区别不同频率，由下述简单计算可以说明变频测量的效果：两个频率相差1倍的正弦波叠加到一起，高频的是干扰，幅度为低频的
21、10倍：Y=1.234sin(x+5.678)+12.34sin(2x+87.65)在x=0/90/180/270得到4个测量值Y0=12.4517，Y1= -11.1017，Y2=12.2075，Y3= -13.5576，计算A=Y1 - Y3=2.4559，B=Y0 - Y2=0.2442，则：这刚好是低频部分的相位和幅度，干扰被完全抑制。 变频测量时，仪器需要知道的唯一信息是干扰频率。因为仪器供电频率就是干扰频率，整个电网的频率是一样的。仪器在测量中可以动态实时跟踪干扰频率，将数字滤波器的吸收点时刻调整到干扰频率上。而干扰信号的幅值和相位变化对这种测量是没有影响的。 一般干扰电流不超过试
22、验电流200时，这种方法是很有效的。 由于A/D位数限制，干扰进一步增大时，会导致有用信号的有效数字位数降低，引起A/D的量化效应，使测量数据产生波动。我们目前已经掌握了抵抗20倍以上干扰的方法。由于还没有发现超过2倍的干扰，因此暂时没有启用这个功能。三、AI6000介损仪的原理及应用1、AI6000介损仪的研制过程AI-6000自1990年开始研制，原理的设计验证于1996年完成。1997年推出分体机；1998年推出一体机A型；1999年推出一体机B型；2001年推出一体机C型；2003年推出一体机D型；2005年推出一体机E型；2、AI6000客户及取得的荣誉AI-6000目前有近2000
23、家用户。产品主要在国内销售，部分出口到了周边国家。通过武高所检定通过了武高所型式试验获得技术监督局CMC技术认证和生产许可1999年12月获国家电力公司农电入网许可1998年9月在山东电科院举办的现场技术比武中获入网许可1999年6月在东北电科院举办的现场技术比武中取得第一名1999年11月在河南电研所举办的现场技术比武中取得第一名2000年11月在江西电研所举办的现场技术比武中取得第一名2001年1月在湖南电研所举办的现场技术比武中取得第一名2001年8月在浙江电研所举办的现场技术比武中获入网许可2001年9月在江苏电研所举办的现场技术比武中取得第一名2001年10月在安徽电研所举办的现场技
24、术比武中取得第一名2001年10月在山东电科院举办的第二届现场技术比武中获入网许可1997年12月在四川电研所与QS3和QS37做了油介损对比检测，效果均优于QS电桥2001年10月在安徽电研所举办的油介损技术比武中获入网许可2001年开始出口国外2004年2月AI-6000介损测量仪和AI-6100氧化锌避雷器测试仪被济南市高新区认证为高新技术产品。2004年7月在山东电科院举办的第三届现场技术比武中获入网许可2004年11月在湖南电研所举办的现场技术比武中取得第一名3. 仪器工作原理简介（1）仪器结构仪器结构框图 测量电路：傅立叶变换、复数运算等全部计算和量程切换、变频电源控制等。 控制面
25、板：打印机、键盘、显示和通讯中转。 变频电源：采用SPWM开关电路产生大功率正弦波稳压输出。 升压变压器：将变频电源输出升压到测量电压，最大无功输出2kVA / 1分钟。 标准电容器：内Cn，测量基准。 Cn电流检测：用于检测内/外标准电容器电流，10A1A。输入电阻2。 Cx正接线电流检测：只用于正接线测量，10A1A。输入电阻2。 Cx反接线电流检测：只用于反接线测量，10A1A。输入电阻2。 反接线数字隔离通讯：采用精密MPPM数字调制解调器，将反接线电流信号送到低压侧。隔离电压20kV。（2）工作原理 启动测量后高压设定值送到变频电源，变频电源用PID算法将输出缓速调整到设定值，测量电
26、路将实测高压送到变频电源，微调低压，实现准确高压输出。根据正/反接线和内/外标准电容的设置，测量电路根据试验电流自动选择输入并切换量程，测量电路采用傅立叶变换滤掉干扰，分离出信号基波，对标准电流和试品电流进行矢量运算，幅值计算电容量，角差计算tg。反复进行多次测量，经过排序选择一个中间结果。测量结束，测量电路发出降压指令变频电源缓速降压到0。 CVT测量：CVT隔离开关断开，低压隔离开关接通输出低压。测量C2时，CVT倒线开关接通，C2接入试品通道，用C1作标准电容测量C2。4. AI-6000特点简介（1）现场抗干扰能力强，数据稳定采用4565Hz变频抗干扰技术，在200%干扰下仍能准确测量
27、，测试数据非常稳定。（2）测量精度高AI-6000不仅是一台抗干扰电桥，又是一台精密电桥。可以用于试验室的各种精密介损试验。（3）安全性高高压保护：试品短路、击穿或高压电流波动，能以短路方式高速切断输出。低压保护：误接380V、电源波动或突然断电，启动保护，不会引起过电压。接地保护：仪器接地失灵使外壳带危险电压时，启动接地保护。C V T：高压电压和电流、低压电压和电流四个保护限，不会损坏设备。防误操作：两级电源开关；电压、电流实时显示；多次按键确认；接线端子高/低压分明；声光报警。防“容升”：测量大容量试品时会出现电压抬高的“容升”效应，仪器能自动调整输出电压。抗震性能：仪器采用独特抗震设计
28、，可耐受强烈长途运输震动、颠簸而不会损坏。高压电缆：为耐高压绝缘导线，可拖地使用。（4）功能强大，产品系列化AI-6000一体机有五种型号：A型：正/反接线，内/外标准电容，高电压介损。具备所有传统电桥功能。B型：正/反接线测量功能，功率稍小。能满足绝大多数测量要求。体积小重量轻，便于携带。C型：增加CVT自激法测量功能。D型：强化CVT测量功能，C1/C2可一次测出，自动补偿原理性误差。汉显、存储、计算机接口。E型：增加反接线低压屏蔽，满足特殊测量需要。进一步提高了反接线测量精度。用串连谐振做高压介损，支持38Hz72Hz的各种频率。CVT测量允许高压线拖地。4. 常用测量接线（1）正接线（
29、UST）a、常规正接线b、高电压介损（2）反接线（GST）a、常规反接线b、反接线高压屏蔽c、反接线低压屏蔽（3）CVT测量 下面以母线接地CVT为例介绍各个电容的测量方法（A未引出）。 如果是母线CVT测量之前应确认结合滤波器已断开，以消除载波信号影响。a、C1由多节电容组成时，测C11可用高压屏蔽其它电容 中间几节电容可用一般正反接线测量。C1由两节电容组成时，用低压屏蔽其它电容：b、用自激法测量C12、C2：注意：（1）低压激励线，可接任何一组二次线圈。二次线圈应解开，防止将仪器低压短路。低压激励线电流大，应良好接触。（2）使用带接地屏蔽的高压线可以拖地（参见仪器操作说明）。使用其它导线
30、不应拖地，必须吊起，否则高压线对地电容和附加介损会引起误差。（3）C型仪器要断开接地母线，必须分两次测量。测量数据的原理误差需要手工修正。6. 现场试验注意事项如果使用中出现测试数据明显不合理，请从以下方面查找原因：6.1搭钩接触不良现场测量使用搭钩连接试品时，搭钩务必与试品接触良好，否则接触点放电会引起数据严重波动！如高压挂在引流线上时，因引流线氧化层太厚，或风吹线摆动，易造成接触不良。6.2接地接触不良接地不良会引起仪器保护或数据严重波动。应刮净接地点上的油漆和锈蚀，务必保证0电阻接地！如果测量接地试品，试品地和仪器地应共地连接，保持地电位一致。6.3直接测量CVT或末端屏蔽法测量电磁式PT直接测量CVT的下节耦合电容会出现负介损，应改用自激法。用末端屏蔽法测量电磁式PT时由于受潮引起“T形网络干扰”出现负介损，吹干下面三裙瓷套和接线端子盘即可。也可改用常规法或末端加压法测量。6.4空气湿度过大空气湿度大使介损测量值异常增大（或减小甚至为负）且不稳定，必要时可加屏蔽环。因人为加屏蔽环改变了试品电场分布，此法有争议，可参照有关规程。6.5发电机供电发电机供电时输入频率不稳定，可采用定频50Hz模式工作。6.6测试线由于长期使用和连接，易造成测试线芯线和屏
