高壓電橋介質損耗測量儀——測量高電壓絕緣介質損耗的方法

一、傳統(tǒng)的介質測量方法

(一)電橋法

電橋法是介損測量領域長期采用的一種方法，而傳統(tǒng)的測量方法主要就是指西林電橋 法。分析來看，當前流行的電橋分西林型高壓電橋和電流比較儀型高壓電橋。其中最為典型 的要數西林電橋，所謂的電橋法也即西林電橋法。西林電橋屬于比較同類阻抗元件的電橋， 它的標準阻抗和被測阻抗都是電容器。在強高壓下進行高精度的介損測量是西林電橋的突出 優(yōu)勢，倘若采取特殊的措施甚至可以在強磁干擾下進行頗高精度的測量；而電流比較儀型高 壓電容電橋的原理是用變壓器的比例臂代替普通的阻抗臂，以提高測量的準確度，如若配以 專門的輔助電路，可以實現自動平衡電橋。

西林電橋法的測量原理是用標準電容和電阻將測試品進行比較性的模擬測量。因為它的 模擬電路較為復雜，對元器件的要求比較高。隨著電力電子技術和計算機技術的快速發(fā)展， 數字化測量方法逐漸取代弊端較多的模擬方法，其原理是利用傳感器從試驗品上取得電壓和 電流信號，經預處理后再進行數字化，之后輸至計算單元，算出相位差，最后得到測量值。 由于利用了計算機技術，使得模擬電路結構簡化，提高了儀器的性能。目前許多裝置就是基 于此原理，像 PSC 型介質損耗自動測量儀，即為利用電流比較儀線路進行平衡的，采用這 一裝置能夠達到很高的測量精度。

(二)伏安法

伏安法是zui常用也是zui成熟的一種傳統(tǒng)方法，其工作原理是借助被測試品的端電壓向量 和流過被測試品電流向量之比，得到被測試品的阻抗向量，根據 Zx 的實部和虛部，進一步 計算求得介質損耗值 tgδ。這種測量方法在精密計算機引入后進一步得到更新完善，基于 測量系統(tǒng)的不斷升級，測量數據的處理效率大大提高，而且精準度也得到保證。電力電子技術的滲入使介質損耗測量技術進入一個新時代。

二、過零點時差比較法

過零點時差比較法是數字化測量介質損耗中較早采用并且效果明顯的一種方法。其主要 原理是通過比較施加于介質上的電壓 U 和電流 I 的過零時刻兩個值，求得兩個值之間的相位 差，從而求得介質損耗角。與此同時，再用脈沖技術求得兩個值的值差。若計數器顯示的脈 沖數為 n，而計數器的頻率為 f,則△t=n/f,測量裝置對損耗角的分辨率也就是 2л/Tf。由 此可見，只要計數器頻率足夠高，就可以保證較高的分辨率。過零點時差比較法的優(yōu)點在于 測量的分辨率高，容易數字化處理，其缺點是極易受諧波干擾，導致測量數值不準，這也是過零點時差比較法使用程度不高的主要原因

三、諧波分析法

諧波分析法的工作程序是首先由波形采集裝置u 和i 的時域波形同步地轉換為數字波形并存儲，然后計算機將兩個數字波形調入內存，用離散傅立葉變換出兩個信號的基波，最后 由特定的換算公式求出絕緣介質損耗角和等值電容。諧波分析法的關鍵步驟是基于傅立葉變換作等量，考慮到三角函數的正交性，傅立葉變換求解電壓和電流的基波是不受高次諧波的影響，也不會受儀器電子電路所產生的零漂影響，因此可以達到比較高的穩(wěn)定性和測量精準度。

然而，諧波分析法的軟肋也是很明顯的。由于現實中電網頻率的不穩(wěn)定與采樣誤差，極 為容易造成對采樣信號作 DFT 時出現偏差，數據不真實影響最終測量結果，因此又多出了 一道消除偏差的程序，從而增加了麻煩。

四、異頻電源法

異頻電源法是一種全新的抗干擾方法。其原理是在介質損耗測量中測試電源頻率偏離干 擾電源頻率，通過頻率識別或濾波技術排除干擾電源的影響。實際上 tgδ是隨著頻率的變 化而變化的，這就出現了不同頻率下的介質損耗測量結果的等同性問題。異頻電源頻率不能 偏離工頻太遠，否則測量結果與工頻下的損耗值失去等同性；但也不能偏離太近，否則又會 增大頻率分辨的難度，同樣會造成較大的誤差。技術層面上看，將異頻頻率和工頻頻率分辨 開來可以采用 DFT。理論上只要滿足同步采樣條件，DFT 就不會出現泄漏效應，也就意味 著可以準確地將異頻電源頻率所對應的頻譜抽取出來，從而得到該頻率波的初相位。

不過，同樣由于電網頻率的不穩(wěn)定性，加之同步采樣環(huán)節(jié)存在的某些誤差，自然會造成 對采樣信號作 DFT 時出現較大的誤差，所以在對信號作 DFT 時應該去針對性的措施來消弭 誤差，確保測量的 tgδ精準度。

五、現代介損測量技術的發(fā)展動向

分析對比以上提出的介損測量技術，發(fā)現都存在某些局限，因此現代測量介損技術的發(fā) 展趨向是在吸取借鑒以上幾種技術優(yōu)勢的同時，進一步克服其存在的弊端，并與新型的計算 機技術融合，在裝置性能逐漸走向了量程廣，功能上強調自動校正與補償，自動測量自動輸 出數據，抗干擾能力強大，測量精度高的路子上來。如制造業(yè)強國德國最新推出的 LDV-5 型精密型介質損耗測量裝置，采用了數字信號處理(DSP)芯片支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)對實時信號 的接受和數據處理可以在計算時間內完成，而且由于捕獲測量值的時間短，使測量中面臨的 諧波靈敏度降到了zui低程度，大大提高了檢測數據的精準度，再加上該裝置能實現全自動化 測量，這也提高了測量效率，同時最大限度地避免了傳統(tǒng)檢測方法容易出現的技術失誤。

高壓電橋介質損耗測量儀——介電常數定義：

介電常數是反映壓電智能材料電介質在靜電場作用下介電性質或極化性質的主要參數，通常用ε來表示。不同用途的壓電元件對壓電智能材料的介電常數要求不同。當壓電智能材料的形狀、尺寸一定時，介電常數ε通過測量壓電智能材料的固有電容CP來確定。

根據物質的介電常數可以判別高分子材料的極性大小。通常，相對介電常數大于3.6的物質為極性物質；相對介電常數在2.8~3.6范圍內的物質為弱極性物質；相對介電常數小于2.8為非極性物質。

測量方法：

相對介電常數εr可以用靜電場用如下方式測量：首先在兩塊極板之間為真空的時候測試電容器的電容C0。然后，用同樣的電容極板間距離，但在極板間加入電介質后測得電容Cx。然后相對介電常數可以用下式計算：

εr＝Cx/C0。

在標準大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對電容率εr＝1.00053。因此，用這種電極構形在空氣中的電容Cair來代替C0來測量相對電容率εr時，也有足夠的準確度。（參考GB/T 1409-2006）

對于時變電磁場，物質的介電常數和頻率相關，通常稱為介電系數。

常見溶劑：附常見溶劑的相對介電常數，條件為室溫下，測試頻率為1KHz。