介質損耗因數(tanδ)試驗

1、介質損耗因數的物理意義 

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

1.1 等效電路及電壓、電流相量圖 

絕緣介質在交流電壓作用下產生介質損耗的等效電路見圖5-2。其施加電壓及介質損耗電流的相量圖見圖5-6。圖5-2和圖5-6可進一步簡化成圖 5-7。  

圖5-2 絕緣介質的等效電路

表5-2 絕緣電阻測量結果

1.2 介質損耗因數(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來表示相對的介質損耗因數的大小。這樣可以消除絕緣介質幾何尺寸差異造成的影響，便于比較和判定不同結構產品的絕緣性能。

2 tanδ的電壓溫度特性 

2.1 電壓特性 

tanδ與施加電壓的關系決定于絕緣介 質的性能、絕緣介質工藝處理的好壞和產品結構。當絕緣介質工藝處理良好時，外施電壓與tanδ之間的關系近似一水平直線，且施加電壓上升和下降時測得的tanδ值是基本重合的。當施加電壓達到某一極限值時， tanδ曲線開始向上彎曲，見圖5-8曲線1。

如果絕緣介質工藝處理得不好或絕緣 介質中殘留氣泡等，則絕緣介質的tanδ比良好絕緣時要大。另外，由于工藝處理不好的絕緣介質在極低電壓下就會發生局部放電，所以，tanδ曲線就會較早地向上彎曲，且電壓上升和下降時測得的tanδ值是不相重合的，見圖5-8曲線2。

當絕緣老化時，絕緣介質的tanδ反而比良好絕緣時要小，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就會隨著電壓的上升迅速增大，且電壓上升和下降時測得的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

?—功率因數角 δ—介質損失角

圖5-7 絕緣介質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—絕緣介質的總電容 R_x—絕緣介質的總泄漏電阻 I_Cx—絕緣介質的總電容電流 I_Rx—絕緣介質的總泄漏電流

圖5-8 絕緣介質tanδ的電壓特性

tanδ隨溫度的上升而增加，其與溫度之間的關系與絕緣材料的種類、性能和產品的絕緣結構等有關，在同樣材料、同樣絕緣結構的情況下與絕緣介質的工藝干燥、吸潮和老化程度有關。

對于油浸式變壓器，在10℃～40℃范圍內，干燥產品的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。為了比較產品不同溫度下的tanδ，GB/T6451—1999國家標準規定了不同溫度t下測量的tanδ的換算公式。

tanδ₂＝tanδ₁·1.3^(t_1-t2)/10 (5-2)

式中　tanδ₂——油溫為t₂時的tgδ值，%;

　tanδ₁——油溫為t₁時的tgδ值，%。

3 tanδ測量方法 

3.1 測量儀器及測量電壓 

變壓器、互感器等產品的介質損耗因數 (tanδ)測量一般均采用高壓西林電橋。使用比較多的電橋型號有國產QS1型 (變壓器 tanδ測量多采用此電橋) 和瑞士進口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可以調節，且主橋外帶有一套2911型自動電位調節器，該調節器可以自動消除不利的接地和測量導線局部電容對tanδ測量的影響。2801型電橋的測量范圍和準確度為：使用橋內測量元件和100pF標準電容器時，電容測量范圍為 0.01pF～11μF，測量準確度為±0.05%;tanδ測量范圍為0～350%，測量準確度為±0.5%。 

圖5-9 高壓西林電橋原理線路圖

C_x—被測產品等效電容 C_N—標準電容器 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量儀在變壓器、互感器等產品的介損tanδ測量中應用很廣。這種測量儀采用矢量電流法測量電容和介質損耗因數。其原理是將C_N和C_x兩個回路電流輸入測量儀后，經微處理器進行數字運算，得到電容C_x和其介質損耗因數，便于實現自動化測量。典型儀器有進口的2876 電橋、2818電容介損測量儀和國產的2518介質損耗測試儀。這類測試儀測量準確度比2801電橋稍低，但實現了全自動測量，操作簡單，適合于生產性試驗測量。

tanδ測量電壓：對于額定電壓6kV及以下電壓等級的產品(當要求測量tanδ時)，取額定電壓;對于額定電壓為10kV～35kV電壓等級的產品(當要求測量tanδ時)取10kV;對于額定電壓為63kV及以上電壓等級的產品取≥10kV，但最高不應超過產品低電壓繞組額定電壓的60%。

3.2 正接法測量 

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

(1)預估試品電容和測量tanδ電壓下的電容電流，并根據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，并經認真檢查無誤后，先施加較低電壓進行測量，然后再升壓至測量電壓進行測量。

(3)測量時首先調節電橋的橋臂電阻R₃，使電橋基本達到平衡，然后再調節電橋的橋臂電容C₄ 和橋臂微調電阻r，使電橋*達到平衡。

(4)讀取、記錄電橋R₃(r)和C₄測量值，然后根據電橋R₄的取值和標準電容器C_N的電容值計算試品的電容和tanδ%。

試品電容C_x的計算公式為：

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

圖5-10 正接法測量原理線路圖

PT—電壓互感器 V—電壓表 U—tanδ測量電壓

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

3.3 反接法測量 

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

測量方法和步驟同正接法。但由于反接法測量時橋臂電阻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行操作的(或人站在?10kV絕緣臺子上操作)，故測量時必須時刻注意安全。

4 幾點分析 

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

圖5-11 反接法測量原理線路圖

(2)由于變壓器的tanδ只能用來判斷絕緣的整體特性，對判斷絕緣的局部缺陷是不靈敏的，所以，此項試驗還有一定的局限性。正因為如此，所以，GB1094.1—1996標準只規定有此試驗項目， GB/T6451—1999標準只要求提供tanδ實測數據，而沒有規定具體限值 (330kV有限值規定)。GB/ T16274—1996標準要求提供tanδ實測數據，而且有具體限值規定。各企業可根據自己的制造工藝等積累這方面的數據和經驗，并用以判斷不同產品的絕緣處。

關鍵詞：介電常數測試儀 介質損耗因數 介質損耗角正切值 高壓自動介損