1、電 橋 測 量 介 損 的 原 理 -簡述AI-6000介質(zhì)損耗測量儀的原理和用法濟南泛華佳業(yè)微電子技術(shù)有限公司 一、變頻測量的等效性一、變頻測量的等效性v1、介質(zhì)的兩種模型及與頻率的關(guān)系、介質(zhì)的兩種模型及與頻率的關(guān)系含有介損的電容器都可以模擬成RC串聯(lián)和并聯(lián)兩種理想模型進行分析：v并聯(lián)模型并聯(lián)模型：認為損耗是與電容并連的電阻產(chǎn)生的。這種情況RC兩端電壓相等：有功功率 ，無功功率 ， 因此其中2f，f為電源頻率?？梢姡绻嬲靡粋€純電阻和一個純電容模擬介損的話，它與頻率成反比。當R=時，沒有有功功率，介損為0。這種方法常用于試驗室模擬10以上的大介損，或用于制做標準介損器。v串聯(lián)模型：串聯(lián)模

2、型：認為損耗是與電容串連的電阻產(chǎn)生的。這種情況電路的電流相等：有功功率 ，無功功率 ， 因此可見，如果用真正用一個純電阻和一個純電容模擬介損的話，它與頻率成正比。當R=0時，沒有有功功率，介損為0。這種方法常用于試驗室模擬10以下的介損，或用于制做標準介損器。 v實際試品：實際試品：va、固定頻率下測量實際試品在一個固定頻率下，即可以用串連模型也可以用并聯(lián)模型表示。例如50Hz下，下面兩個電路對外呈現(xiàn)的特性完全一樣：v不同的電橋測量這兩個試品，其介損都是31.4，但西林電橋（2801或QS1）測量的電容量是10000pF，電流比較儀電橋（如QS30）測量的電容量是9101.7pF。這是因為28

3、01電橋認為試品損耗是串連模型，QS30認為試品是并聯(lián)模型。v通常認為并聯(lián)模型更接近實際情況，這是因為有功電流穿過電極之間的絕緣層，更象是損耗電阻并聯(lián)在電極之間，而電極本身電阻為零，沒有損耗。實際上當介損在10以下時，這種電容量的差別是很小的。從事現(xiàn)場試驗的專家都有這樣的經(jīng)驗：使用傳統(tǒng)儀器，如QS1，在干擾嚴重的現(xiàn)場環(huán)境下測量介損，采用移相、倒相方法反復測量，仍無法使電橋平衡。隨著電壓等級提高，干擾越來越嚴重。這種情況下變頻測量是一個很好的、甚至是唯一的選擇。變頻測量的抗干擾能力比移相、倒相法提高一個數(shù)量級以上。這好比兩個電臺在同一個頻率上，很難將另一個信號抑制掉，但如果兩個電臺的頻率不同，則

4、很容易區(qū)分。v變頻測量變頻測量v變頻測量受到的唯一懷疑是頻率的等效性。按串聯(lián)或者并聯(lián)模型，介損是隨頻率變化的。例如50Hz下1的介損，采用55Hz測量。串聯(lián)模型的測量結(jié)果變成1.1(正比)，并聯(lián)模型測量結(jié)果變成0.91%（反比）。雖然這樣的誤差可能滿足現(xiàn)場測量的要求，但誤差還是偏大。v為了解決這個問題，我們首先提出了雙變頻測量原理：在50Hz對稱位置45Hz和55Hz各測量一次，然后將測量數(shù)據(jù)平均，使誤差大大減小。理論分析結(jié)果如下表所示：v直接平均法：v當然如果試品介損不隨頻率變化，則這幾種平均方法都沒有誤差。v以上分析表明，采用雙變頻測量，即發(fā)揮了變頻測量的高抗干擾能力，理論上的最大相對誤差

5、也小于1，可以滿足現(xiàn)場測量需要。v實際測量顯示，變頻測量的數(shù)據(jù)十分穩(wěn)定，重復性特別好。試驗室校驗也顯示了很好的精度指標。目前變頻測量的原理已經(jīng)得到普遍認可。v2005年4月21日，我們在濟南500kV變電站強干擾下測量斷口電容（2400pF）和滅弧室（15pF），AI-6000讀數(shù)十分穩(wěn)定，而2816電橋只作出了電容量，因抗干擾不行，沒有測到介損數(shù)據(jù)。估計原因是移相抗干擾能力不行，而AI-6000則采用變頻抗干擾，其優(yōu)勢十分明顯。二、二、AI-6000介損儀的原理及性能介損儀的原理及性能1、儀器工作原理簡介、儀器工作原理簡介AI-6000電橋都是通過電流來取信號，根據(jù)電流的幅度大小和相位變化，

6、通過計算得出試品的電容量Cx和介損tg。 I1=V1/R1 I2=V2/R2 通過傅立葉變換到頻域，求出I1與I2 的相位差，tg即為介損。 AI-6000電橋原理如左下圖同時，I=*C*V, 所以 Cx*I1=Cn*I2. Cx= I2*Cn/I1電流電壓矢量圖v儀器結(jié)構(gòu)儀器結(jié)構(gòu)儀器結(jié)構(gòu)框圖v測量電路：傅立葉變換、復數(shù)運算等全部計算和量程切換、變頻電源控制等。v控制面板：打印機、鍵盤、顯示和通訊中轉(zhuǎn)。v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。v升壓變壓器：將變頻電源輸出升壓到測量電壓，最大無功輸出2kVA / 1分鐘。v標準電容器：內(nèi)Cn，測量基準。vCn電流檢測：用于檢測內(nèi)

7、/外標準電容器電流，10A5A。輸入電阻2。vCx正接線電流檢測：只用于正接線測量，10A5A。輸入電阻2。vCx反接線電流檢測：只用于反接線測量，10A5A。輸入電阻2。v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，將反接線電流信號送到低壓側(cè)。隔離電壓20kV。v工作原理： 啟動測量后高壓設定值送到變頻電源，變頻電源用PID算法將輸出緩速調(diào)整到設定值，測量電路將實測高壓送到變頻電源，微調(diào)低壓，實現(xiàn)準確高壓輸出。根據(jù)正/反接線和內(nèi)/外標準電容的設置，測量電路根據(jù)試驗電流自動選擇輸入并切換量程，測量電路采用傅立葉變換濾掉干擾，分離出信號基波，對標準電流和試品電流進行矢量運算，幅值計算電容

8、量，角差計算tg。反復進行多次測量，經(jīng)過排序選擇一個中間結(jié)果。測量結(jié)束，測量電路發(fā)出降壓指令變頻電源緩速降壓到0。CVT測量：CVT隔離開關(guān)斷開，低壓隔離開關(guān)接通輸出低壓。測量C2時，CVT倒線開關(guān)接通，C2接入試品通道，用C1作標準電容測量C2。v2、AI-6000介損儀的技術(shù)性能介損儀的技術(shù)性能v電容量范圍電容量范圍: 內(nèi)置電壓 3pF60000pF/10kV 60pF1uF/0.5kV外加高壓 3pF1.5uF/10kV 分辨率:最高0.001pF,4位有效數(shù)字vtg范圍范圍: 不限不限,分辨率分辨率0.001%,電容、電感、電阻三種試品自動識別。電容、電感、電阻三種試品自動識別。v試驗

9、頻率：試驗頻率：45、50 、 55 、 60 、 65Hz 單頻45/55 、 55/65 、 47.5/52.5Hz 自動雙變頻精度：0.01Hzv試驗電流：試驗電流：10uA5Av內(nèi)施高壓：內(nèi)施高壓：設定范圍：0.5kV10kV 最大輸出電流：200mA 升降壓方式：連續(xù)平滑調(diào)節(jié) 變壓器最大輸出功率:2000VA/min 精度（1.5% 讀數(shù)+10V） 分辨率：1Vv準確度準確度Cx ：（讀數(shù)1%+1pF）tg：（讀數(shù)1%+0.00040）例如介損讀數(shù)1.000，按上式計算，誤差為（1%1.000+0.00040） 0.05%，即實際介損可能在0.9501.050%之間。通常介損的數(shù)值都

10、比較小，因此這個零點誤差起主要作用。AI-6000無干擾時控制零點誤差為0.00005，2：1干擾下控制介損波動量小于0.0002。v抗干擾指標抗干擾指標抗干擾指標：在200%干擾（即I干擾 / I試品2）下仍能達到上述準確度用于現(xiàn)場測量的介損儀，必須具備良好的抗干擾能力?？垢蓴_能力應當定量描述，例如只說“抗22萬電場干擾或50萬電場干擾”，或者拿試驗室精度當作現(xiàn)場測量精度，或者隨意提高精度指標都是不可取的。實際上儀器的測量重復性也能夠反映抗干擾能力，如果重復性很好，必然說明抗干擾能力強。由于A/D位數(shù)限制，干擾進一步增大時，會導致有用信號的有效數(shù)字位數(shù)降低，引起A/D的量化效應，使測量數(shù)據(jù)產(chǎn)

11、生波動。我們目前已經(jīng)掌握了抵抗20倍以上干擾的方法。由于還沒有發(fā)現(xiàn)超過2倍的干擾，因此暫時沒有啟用這個功能。 v安全性能安全性能v多種安全保護措施，確保人身和試驗設備安全v高壓保護：試品短路、擊穿或高壓電流波動，能以短路方式高速切斷輸出。v低壓保護：誤接380V，電源波動或突然斷電，啟動保護，不會引起過電壓。v接地保護：儀器接地失靈使外殼帶危險電壓時，啟動接地保護。vC V T：高壓電壓和電流、低壓電壓和電流四個保護限，不會損壞設備；誤選菜單不會輸出激磁電壓。v防誤操作：兩級電源開關(guān)；電壓、電流實時顯示；多次按鍵確認；接線端子高/低壓分明；聲光報警。v防“容升”：測量大容量試品時會出現(xiàn)電壓抬高

12、的“容升”效應，儀器能自動跟蹤輸出電壓，保持試驗電壓恒定。v抗震性能：儀器采用獨特抗震設計，可耐受強烈長途運輸震動、顛簸而不會損壞。v高壓電纜：為耐高壓絕緣導線，可拖地使用。實際上，安全性應當成為儀器選型的首要因素。例如意外接觸高壓，靠跳閘燒保險肯定是危險的。儀器應當在數(shù)毫秒內(nèi)切斷輸出。當然開路式切斷與短路式切斷又有不同，短路式切斷不會產(chǎn)生過電壓，更加安全。另外，儀器開關(guān)、端子、安全警示、操作是否能盡可能防止誤操作，儀器是否帶有接地保護等，也是十分重要的。設計者和生產(chǎn)廠有責任盡最大努力提高儀器安全性，減少誤操作的可能性。即便發(fā)生誤操作，也必須將損失降到最低限度。例如“一按啟動即測量”肯定不安全

13、。輸出端子一會這個帶高壓，一會另一個帶高壓也是不安全的。除對試驗人員的保護外，還要求儀器能對被測設備進行保護。例如測量過程中，過高的電壓引起試品電流異常增大，直至擊穿放電，儀器能否提前察覺到電流異常增大而停止測量?；蛘哌M行CVT自激法測量時能否緩慢地、試探性升壓，提前發(fā)現(xiàn)接線錯誤而停止測量等。除對試驗人員的保護外、被測設備進行保護外，儀器還應能對自身保護。因為即便用戶使用原因引起儀器損壞，也會耽誤用戶的工作。例如現(xiàn)場測量拉電源線時，會將380V線電壓當作相電壓給儀器供電，如果沒有這個保護，必然造成儀器返修。v功能功能用戶還關(guān)心的問題是儀器的性價比，同樣價格儀器功能應盡量完備。同時多功能也不能增

14、加儀器操作的復雜性，儀器操作要人性化，界面要簡單明了。v故障率低，售后服務及時故障率低，售后服務及時目前生產(chǎn)廠家已非常注重產(chǎn)品服務了，剩下的差別就在于儀器返修率。一個好的產(chǎn)品應當結(jié)實耐用，性能穩(wěn)定可靠。v通過技術(shù)監(jiān)督部門質(zhì)量認證和檢定通過技術(shù)監(jiān)督部門質(zhì)量認證和檢定生產(chǎn)廠家應當具備合法的生產(chǎn)手續(xù)，可靠的質(zhì)量保證體系。目前介損儀的生產(chǎn)廠家較多，粗劣技術(shù)多家轉(zhuǎn)讓、盜版、過度降低成本的情況已有發(fā)生。如果使用一些低劣、不安全、故障率高的儀器，必然會給用戶利益造成損害。三、三、AI6000介損儀的現(xiàn)場接線方式及注意事項介損儀的現(xiàn)場接線方式及注意事項v1. 常用測量接線常用測量接線v正接線（正接線（UST）

15、va、常規(guī)正接線、常規(guī)正接線 vb、高電壓介損、高電壓介損v反接線（反接線（GST）va、常規(guī)反接線、常規(guī)反接線vb、反接線高壓屏蔽、反接線高壓屏蔽vc、反接線低壓屏蔽、反接線低壓屏蔽CVT的設置與測量的設置與測量vCVT的設置：的設置：將光標移到高壓位置，輕按啟停鍵可以依次出現(xiàn)以下界面，這四個分別是高壓電壓、高壓電流、低壓電壓和低壓電流的設定值，當然也可以根據(jù)需要自己設定。vCVT的測量：的測量：v下面以母線接地CVT為例介紹各個電容的測量方法（A未引出）。vv如果是母線如果是母線CVT測量之前應確認結(jié)合濾波器已斷開，以消除載波信號影響。測量之前應確認結(jié)合濾波器已斷開，以消除載波信號影響。v

16、a、C1由多節(jié)電容組成時，測C11可用高壓屏蔽其它電容vC12、C13電容可用一般正接線測量。vC14和C2用CVT自激法測量vC1由兩節(jié)電容組成時，用低壓屏蔽其它電容：b、用自激法測量C12、C2： 低壓激勵線，可接任何一組二次線圈。二次線圈應解開，防止將儀器低壓短路。低壓激勵線電流大，應良好接觸。v使用帶接地屏蔽的高壓線可以拖地（參見儀器操作說明）。使用其它導線不應拖地，必須吊起，否則高壓線對地會有一個附加電阻，這樣會導致電壓產(chǎn)生相移從而引起測量誤差。 v測量CVT時建議高壓線接CVT的下端（N）點。 2. 現(xiàn)場試驗注意事項現(xiàn)場試驗注意事項v搭鉤接觸不良搭鉤接觸不良現(xiàn)場測量使用搭鉤連接試品

17、時，搭鉤務必與試品接觸良好，否則接觸點放電會引起數(shù)據(jù)嚴重波動！如高壓掛在引流線上時，因引流線氧化層太厚，或風吹線擺動，易造成接觸不良。v接地接觸不良接地接觸不良接地不良會引起儀器保護或數(shù)據(jù)嚴重波動。應刮凈接地點上的油漆和銹蝕，務必保證0電阻接地！如果測量接地試品，試品地和儀器地應共地連接，保持地電位一致。v直接測量直接測量CVT或末端屏蔽法測量電磁式或末端屏蔽法測量電磁式PT直接測量CVT的下節(jié)耦合電容會出現(xiàn)負介損，應改用自激法。用末端屏蔽法測量電磁式PT時由于受潮引起“T形網(wǎng)絡干擾”出現(xiàn)負介損，吹干下面三裙瓷套和接線端子盤即可。也可改用常規(guī)法或末端加壓法測量。v空氣濕度過大空氣濕度過大空氣濕

18、度大使介損測量值異常增大（或減小甚至為負）且不穩(wěn)定，必要時可加屏蔽環(huán)。因人為加屏蔽環(huán)改變了試品電場分布，此法有爭議，可參照有關(guān)規(guī)程。v發(fā)電機供電發(fā)電機供電發(fā)電機供電時輸入頻率不穩(wěn)定，可采用定頻50Hz模式工作。v測試線測試線由于長期使用和連接，易造成測試線芯線和屏蔽短路或插座接觸不良，用戶應經(jīng)常維護測試線；測試標準電容試品時，應使用全屏蔽插頭連接，以消除附加雜散電容影響，否則不能反映出儀器精度；自激法測量CVT時，高壓線應吊起懸空，否則對地附加雜散電容和介損會引起測量誤差。v工作模式選擇工作模式選擇接好線后請選擇正確的測量工作模式（正、反和CVT），不可選錯。干擾環(huán)境下應選用變頻抗干擾模式。v試驗方法影響試驗方法影響由于介損測量受試驗方法影響較大，應區(qū)分是試驗方法誤差還是儀器誤差。出現(xiàn)問題時可首先檢查接線，然后檢查是否儀器故障。v儀器故出現(xiàn)故障及處理方法儀器故出現(xiàn)故障及處理方法v儀器測試時升壓出現(xiàn)儀器測試時升壓出現(xiàn)ER-PS a. 儀器工作電源問題：是否為發(fā)電機供電，電源插排是否良好。b. 儀器問題：檢查儀器，空升是否保護。c. 測試