高壓電橋介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x——測(cè)量高電壓絕緣介質(zhì)損耗的方法

一、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(lèi)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(zhuān)門(mén)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(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(jiàn)，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(kāi)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。

五、現(xiàn)代介損測(cè)量技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

分析對(duì)比以上提出的介損測(cè)量技術(shù)，發(fā)現(xiàn)都存在某些局限，因此現(xiàn)代測(cè)量介損技術(shù)的發(fā) 展趨向是在吸取借鑒以上幾種技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，進(jìn)一步克服其存在的弊端，并與新型的計(jì)算 機(jī)技術(shù)融合，在裝置性能逐漸走向了量程廣，功能上強(qiáng)調(diào)自動(dòng)校正與補(bǔ)償，自動(dòng)測(cè)量自動(dòng)輸 出數(shù)據(jù)，抗干擾能力強(qiáng)大，測(cè)量精度高的路子上來(lái)。如制造業(yè)強(qiáng)國(guó)德國(guó)最新推出的 LDV-5 型精密型介質(zhì)損耗測(cè)量裝置，采用了數(shù)字信號(hào)處理(DSP)芯片支持系統(tǒng)，該系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào) 的接受和數(shù)據(jù)處理可以在計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成，而且由于捕獲測(cè)量值的時(shí)間短，使測(cè)量中面臨的 諧波靈敏度降到了zui低程度，大大提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，再加上該裝置能實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化 測(cè)量，這也提高了測(cè)量效率，同時(shí)最大限度地避免了傳統(tǒng)檢測(cè)方法容易出現(xiàn)的技術(shù)失誤。

高壓電橋介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x——介電常數(shù)定義：

介電常數(shù)是反映壓電智能材料電介質(zhì)在靜電場(chǎng)作用下介電性質(zhì)或極化性質(zhì)的主要參數(shù)，通常用ε來(lái)表示。不同用途的壓電元件對(duì)壓電智能材料的介電常數(shù)要求不同。當(dāng)壓電智能材料的形狀、尺寸一定時(shí)，介電常數(shù)ε通過(guò)測(cè)量壓電智能材料的固有電容CP來(lái)確定。

根據(jù)物質(zhì)的介電常數(shù)可以判別高分子材料的極性大小。通常，相對(duì)介電常數(shù)大于3.6的物質(zhì)為極性物質(zhì)；相對(duì)介電常數(shù)在2.8~3.6范圍內(nèi)的物質(zhì)為弱極性物質(zhì)；相對(duì)介電常數(shù)小于2.8為非極性物質(zhì)。

測(cè)量方法：

相對(duì)介電常數(shù)εr可以用靜電場(chǎng)用如下方式測(cè)量：首先在兩塊極板之間為真空的時(shí)候測(cè)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(zhì)后測(cè)得電容Cx。然后相對(duì)介電常數(shù)可以用下式計(jì)算：

εr＝Cx/C0。

在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，不含二氧化碳的干燥空氣的相對(duì)電容率εr＝1.00053。因此，用這種電極構(gòu)形在空氣中的電容Cair來(lái)代替C0來(lái)測(cè)量相對(duì)電容率εr時(shí)，也有足夠的準(zhǔn)確度。（參考GB/T 1409-2006）

對(duì)于時(shí)變電磁場(chǎng)，物質(zhì)的介電常數(shù)和頻率相關(guān)，通常稱(chēng)為介電系數(shù)。

常見(jiàn)溶劑：附常見(jiàn)溶劑的相對(duì)介電常數(shù)，條件為室溫下，測(cè)試頻率為1KHz。