高壓自動(dòng)介電常數(shù)測(cè)量?jī)x（介質(zhì)損耗試驗(yàn)機(jī)）—實(shí)驗(yàn)原理

按照物質(zhì)電結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)，任何物質(zhì)都是由不同的電荷構(gòu)成，而在電介質(zhì)中存在原子、分子和離子等。當(dāng)固體電介質(zhì)置于電場(chǎng)中后會(huì)顯示出一定的極性，這個(gè)過(guò)程稱為極化。對(duì)不同的材料、溫度和頻率，各種極化過(guò)程的影響不同。

1、介電常數(shù)(ε)：某一電介質(zhì)(如硅酸鹽、高分子材料)組成的電容器在一定電壓作用下所得到的電容量C與同樣大小的介質(zhì)為真空的電容器的電容量C之比值，被稱為該電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)。

式中：C—電容器兩極板充滿介質(zhì)時(shí)的電容；

Cο—電容器兩極板為真空時(shí)的電容；

ε—電容量增加的倍數(shù)，即相對(duì)介電常數(shù)

介電常數(shù)的大小表示該介質(zhì)中空間電荷互相作用減弱的程度。作為高頻絕緣材料，ε要小，特別是用于高壓絕緣時(shí)。在制造高電容器時(shí)，則要求ε要大，特別是小型電容器。

在絕緣技術(shù)中，特別是選擇絕緣材料或介質(zhì)貯能材料時(shí)，都需要考慮電介質(zhì)的介電常數(shù)。此外，由于介電常數(shù)取決于極化，而極化又取決于電介質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)和分子運(yùn)動(dòng)的形式。所以，通過(guò)介電常數(shù)隨電場(chǎng)強(qiáng)度、頻率和溫度變化規(guī)律的研究，還可以推斷絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)。

2．介電損耗(tgδ)：指電介質(zhì)材料在外電場(chǎng)作用下發(fā)熱而損耗的那部分能量。在直流電場(chǎng)作用下，介質(zhì)沒有周期性損耗，基本上是穩(wěn)態(tài)電流造成的損耗；在交流電場(chǎng)作用下，介質(zhì)損耗除了穩(wěn)態(tài)電流損耗外，還有各種交流損耗。由于電場(chǎng)的頻繁轉(zhuǎn)向，電介質(zhì)中的損耗要比直流電場(chǎng)作用時(shí)大許多(有時(shí)達(dá)到幾千倍)，因此介質(zhì)損耗通常是指交流損耗。

在工程中，常將介電損耗用介質(zhì)損耗角正切tgδ來(lái)表示。tgδ是絕緣體的無(wú)效消耗的能量對(duì)有效輸入的比例，它表示材料在一周期內(nèi)熱功率損耗與貯存之比，是衡量材料損耗程度的物理量。

tg

式中：ω—電源角頻率；

R—并聯(lián)等效交流電阻；

C—并聯(lián)等效交流電容器

凡是體積電阻率小的，其介電損耗就大。介質(zhì)損耗對(duì)于用在高壓裝置、高頻設(shè)備，特別是用在高壓、高頻等地方的材料和器件具有特別重要的意義，介質(zhì)損耗過(guò)大，不僅降低整機(jī)的性能，甚至?xí)斐山^緣材料的熱擊穿。

3、Q值：tgδ的倒數(shù)稱為品質(zhì)因素，或稱Q值。Q值大，介電損失小，說(shuō)明品質(zhì)好。所以在選用電介質(zhì)前，必須首先測(cè)定它們的ε和tgδ。而這兩者的測(cè)定是分不開的。

通常測(cè)量材料介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切的方法有二種：交流電橋法和Q表測(cè)量法，其中Q表測(cè)量法在測(cè)量時(shí)由于操作與計(jì)算比較簡(jiǎn)便而廣泛采用。本實(shí)驗(yàn)主要采用的是Q表測(cè)量法。

Q表的測(cè)量回路是一個(gè)簡(jiǎn)單的R—L—C回路，如圖1所示。當(dāng)回路兩瑞加上電壓V后，電容器C的兩端電壓為Vc，調(diào)節(jié)電容器C使回路諧振后，回路的品質(zhì)因數(shù)Q就可以用下式表示：

式中：L—回路電感；

R—回路電阻；

Vc—電容器C兩端電壓；

V—回路兩端電壓；

圖1 Q表測(cè)量原理圖

由上式可知，當(dāng)輸入電壓V不變時(shí)，則Q與Vc成正比。因此在一定輸入下，Vc值可直接標(biāo)示為Q值。Q值表即根據(jù)這一原理來(lái)制造。

4、STD－A陶瓷介質(zhì)損耗角正切及介電常數(shù)測(cè)試儀：它由穩(wěn)壓電源、高頻信號(hào)發(fā)生器、定位電壓表CBl、Q值電壓表CB2、寬頻低阻分壓器以及標(biāo)準(zhǔn)可調(diào)電容器等組成(圖2)。工作原理如下：高頻信導(dǎo)發(fā)生器的輸出信號(hào)，通過(guò)低阻抗耦合線圈將信號(hào)饋送至寬頻低阻抗分壓器。輸出信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)是通過(guò)控制振蕩器的簾柵極電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)調(diào)節(jié)定位電壓表CBl指在定位線上時(shí)，Ri兩端得到約l0mV的電壓(Vi)。當(dāng)Vi調(diào)節(jié)在一定數(shù)值(10mV)后，可以使測(cè)量Vc的電壓表CB2直接以Q值刻度，即可直接的讀出Q值，而不必計(jì)算。

圖2 Q表測(cè)量電路圖

經(jīng)推導(dǎo)(1) 介電常數(shù)：

(1)

式中：C1—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的電容量；

C2—樣品測(cè)試的電容量；

d—試樣的厚度(cm)；

Φ—試樣的直徑(cm)；

(2) 介質(zhì)損耗角正切：

(2)

式中：Q1—標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的Q值；

Q2—樣品測(cè)試的Q值；

(3) Q值：

(3)

高壓自動(dòng)介電常數(shù)測(cè)量?jī)x（介質(zhì)損耗試驗(yàn)機(jī)）—傳統(tǒng)的介質(zhì)測(cè)量方法

(一)電橋法

電橋法是介損測(cè)量領(lǐng)域長(zhǎng)期采用的一種方法，而傳統(tǒng)的測(cè)量方法主要就是指西林電橋 法。分析來(lái)看，當(dāng)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(shù)西林電橋，所謂的電橋法也即西林電橋法。西林電橋?qū)儆诒容^同類阻抗元件的電橋， 它的標(biāo)準(zhǔn)阻抗和被測(cè)阻抗都是電容器。在強(qiáng)高壓下進(jìn)行高精度的介損測(cè)量是西林電橋的突出 優(yōu)勢(shì)，倘若采取特殊的措施甚至可以在強(qiáng)磁干擾下進(jìn)行頗高精度的測(cè)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(cè)量的準(zhǔn)確度，如若配以 專門的輔助電路，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)平衡電橋。

西林電橋法的測(cè)量原理是用標(biāo)準(zhǔn)電容和電阻將測(cè)試品進(jìn)行比較性的模擬測(cè)量。因?yàn)樗?模擬電路較為復(fù)雜，對(duì)元器件的要求比較高。隨著電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展， 數(shù)字化測(cè)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(yàn)品上取得電壓和 電流信號(hào)，經(jīng)預(yù)處理后再進(jìn)行數(shù)字化，之后輸至計(jì)算單元，算出相位差，最后得到測(cè)量值。 由于利用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，使得模擬電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(zhì)損耗自動(dòng)測(cè)量?jī)x，即為利用電流比較儀線路進(jìn)行平衡的，采用這 一裝置能夠達(dá)到很高的測(cè)量精度。

(二)伏安法

伏安法是常用也是成熟的一種傳統(tǒng)方法，其工作原理是借助被測(cè)試品的端電壓向量 和流過(guò)被測(cè)試品電流向量之比，得到被測(cè)試品的阻抗向量，根據(jù) Zx 的實(shí)部和虛部，進(jìn)一步 計(jì)算求得介質(zhì)損耗值 tgδ。這種測(cè)量方法在精密計(jì)算機(jī)引入后進(jìn)一步得到更新完善，基于 測(cè)量系統(tǒng)的不斷升級(jí)，測(cè)量數(shù)據(jù)的處理效率大大提高，而且精準(zhǔn)度也得到保證。電力電子技術(shù)的滲入使介質(zhì)損耗測(cè)量技術(shù)進(jìn)入一個(gè)新時(shí)代。

二、過(guò)零點(diǎn)時(shí)差比較法

過(guò)零點(diǎn)時(shí)差比較法是數(shù)字化測(cè)量介質(zhì)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(guò)比較施加于介質(zhì)上的電壓 U 和電流 I 的過(guò)零時(shí)刻兩個(gè)值，求得兩個(gè)值之間的相位 差，從而求得介質(zhì)損耗角。與此同時(shí)，再用脈沖技術(shù)求得兩個(gè)值的值差。若計(jì)數(shù)器顯示的脈 沖數(shù)為 n，而計(jì)數(shù)器的頻率為 f,則△t=n/f,測(cè)量裝置對(duì)損耗角的分辨率也就是 2л/Tf。由 此可見，只要計(jì)數(shù)器頻率足夠高，就可以保證較高的分辨率。過(guò)零點(diǎn)時(shí)差比較法的優(yōu)點(diǎn)在于 測(cè)量的分辨率高，容易數(shù)字化處理，其缺點(diǎn)是極易受諧波干擾，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)值不準(zhǔn)，這也是過(guò)零點(diǎn)時(shí)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(shí)域波形同步地轉(zhuǎn)換為數(shù)字波形并存儲(chǔ)，然后計(jì)算機(jī)將兩個(gè)數(shù)字波形調(diào)入內(nèi)存，用離散傅立葉變換出兩個(gè)信號(hào)的基波，最后 由特定的換算公式求出絕緣介質(zhì)損耗角和等值電容。諧波分析法的關(guān)鍵步驟是基于傅立葉變換作等量，考慮到三角函數(shù)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(huì)受儀器電子電路所產(chǎn)生的零漂影響，因此可以達(dá)到比較高的穩(wěn)定性和測(cè)量精準(zhǔn)度。

然而，諧波分析法的軟肋也是很明顯的。由于現(xiàn)實(shí)中電網(wǎng)頻率的不穩(wěn)定與采樣誤差，極 為容易造成對(duì)采樣信號(hào)作 DFT 時(shí)出現(xiàn)偏差，數(shù)據(jù)不真實(shí)影響最終測(cè)量結(jié)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(zhì)損耗測(cè)量中測(cè)試電源頻率偏離干 擾電源頻率，通過(guò)頻率識(shí)別或?yàn)V波技術(shù)排除干擾電源的影響。實(shí)際上 tgδ是隨著頻率的變 化而變化的，這就出現(xiàn)了不同頻率下的介質(zhì)損耗測(cè)量結(jié)果的等同性問(wèn)題。異頻電源頻率不能 偏離工頻太遠(yuǎn)，否則測(cè)量結(jié)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(huì) 增大頻率分辨的難度，同樣會(huì)造成較大的誤差。技術(shù)層面上看，將異頻頻率和工頻頻率分辨 開來(lái)可以采用 DFT。理論上只要滿足同步采樣條件，DFT 就不會(huì)出現(xiàn)泄漏效應(yīng)，也就意味 著可以準(zhǔn)確地將異頻電源頻率所對(duì)應(yīng)的頻譜抽取出來(lái)，從而得到該頻率波的初相位。

不過(guò)，同樣由于電網(wǎng)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(huì)造成 對(duì)采樣信號(hào)作 DFT 時(shí)出現(xiàn)較大的誤差，所以在對(duì)信號(hào)作 DFT 時(shí)應(yīng)該去針對(duì)性的措施來(lái)消弭 誤差，確保測(cè)量的 tgδ精準(zhǔn)度。