高頻振諧法GB1409介質損耗測試儀

GBT1409-2006測量電氣絕緣材料在工頻、音頻、高頻(包括米波波長在內)下電容率和介質損耗因數的推薦方法

一 工作特性
1.    平板電容器
極片尺寸：φ25.4mm
極片間距可調范圍和分辨率：≥10mm，±0.01mm
2.    園筒電容器
電容量線性：0.33pF / mm±0.05 pF
長度可調范圍和分辨率：≥0～20mm，±0.01mm
3.  夾具插頭間距：25mm±1mm
4.  夾角損耗角正切值：≤4×10－4（1MHz時）

二. 工作原理
本測試裝置是由二只測微電容器組成，平板電容器一般用來夾持被測樣品，園筒電容器是一只分辨率高達0.0033pF的線性可變電容器，配用儀器作為指示儀器，絕緣材料的損耗角正切值是通過被測樣品放進平板電容器和不放進樣品的Q值變化，由園筒電容器的刻度讀值變化值而換算得到的。同時，由平板電容器的刻度讀值變化而換算得到介電常數。

三. 使用方法
1.    被測樣品的準備
被測樣品要求為園形，直徑25.4～27mm，這是減小因樣品邊緣泄漏和邊緣電場引起的誤差的有效辦法。樣品厚度可在1～5mm之間，如太薄或太厚則測試精度就會下降，樣品要盡可能平直。
下面推薦一種能提高測試精確性的方法：準備二片厚0.05mm的園形錫膜，直徑和平板電容器極片*，錫膜兩面均勻地涂上一層薄薄的凡士林，它起粘著作用，又能排除接觸面之間殘余空氣，把錫膜再粘在平板電容器兩個極片上，粘好后，極片呈鏡面狀為佳，然后放上被測樣品。
2. 測試順序
先要詳細了解配用儀器的使用方法，操作時，要避免人體感應的影響。
a.    把配用的儀器主調諧電容置于zui小電容量，微調電容置于－3pF。
b.    把本夾具測試裝置插到儀器測試回路的“電容”兩個端子上，即插入到儀器上方接線銅柱的右邊兩個圓柱內。
 
c.    配上相適應的高Q值電感線圈，選擇電感沒有特別的方法，只有試或憑經驗來選擇合適的那個，一般選擇使高頻儀器顯示Q值zui大的電感zui為合適。
注：以上步驟是為了使高頻儀器工作起來（儀器是LC諧振工作原理，所以要選擇合適的電感才能使儀器諧振）
d.    調節平板電容器測微桿，使二極片相接為止，讀取刻度值記為DO。
e.    再松開二極片，把被測樣品插入二極片之間，調節平板電容器，到二極片夾住樣品止（注意調節時要用測微桿，以免夾得過緊或過松），這時能讀取新的刻度值，記為D1，這時樣品厚度D2= D1－D0。
注：以上d和e兩步是測出被測樣片的厚度，方便后面計算介電常數時用。
f.    把園筒電容器置于7mm處（該值不是的，我們一般在測的時候放到7mm處就可以測了，不過有的時候在做到h步0驟時順時針旋轉完刻度了Q值還沒有達到一半，這時就要適當的把7mm刻度調整到9mm或更大了）。
g.    改變配合儀器頻率，使之諧振，讀得Q值。（如果測試材料樣片有“要求的測試頻率”，那么就先把頻率定位到該頻率，然后再調節儀器的主調電容，使儀器諧振（即儀器的Q值顯示為zui大）；如果不知道在頻率下測試的話，我們一般把頻率放在1MHz下來調試，然后再調節主調電容使儀器工作）。
h.    先順時針方向，后逆時針方向，調節園筒電容器，讀取當儀器指示Q值為原值的一半時測微桿上二個刻度值，取這二個值之差，記為M1。（先記下園筒電容在7mm時儀器諧振時的zui大Q值，即d步驟測得的Q值；然后調節園筒電容器，看儀器的Q值顯示為原來的一半時，讀取園筒電容器上邊的刻度為多少，要順時針和逆時針旋轉兩次取兩個刻度值；如果園筒電容器順時針轉到0刻度時Q值還沒有到一半，那么就要返回到第f步驟把園筒電容器置于9mm處或更大，重新操作）。 
i.    再調節園筒電容器，使儀器再次諧振（即把園筒電容器調回到7mm處）。
j.    取出平板電容器中的樣品，這時儀器又失諧，調節平
板電容器，使再諧振，讀取測微桿上的讀值D3，其變化值為
D4= D3－D0。
k.    和h款操作一樣，得到新的二個值之差，記為M2。
3.  計算測試結果
被測樣品的介電常數：
Σ＝D2 / D4
被測樣品的損耗角正切值：
     tgδ＝K（M1－M2 ）/ 15.5    
式中：K為園筒電容器線性變化率，一般為0.33。
4.  其他應用使用方法
使用本測試裝置和儀器配用，對絕緣材料以及其他高阻性能的薄材，列如：優質紙張、優質木材、粉壓片料等，進行相對測量，其測試方法就非常簡便、實用，采取被測樣品和標準樣品相比較方法，就能靈敏地區別二者之間的輕微差別，例如含水量、配用原料變動等等。
測試時先把標準樣品放入平板電容器，調節儀器頻率，諧振后讀得Q值，再換上被測樣品，調節園筒電位器，再諧振，看Q值變化，如Q值變化很小，說明標準樣品和被測樣品高頻損耗值*，反之說明二者性能有區別，如園筒電容器調節不能再諧振，通過調節儀器頻率才能諧振，且頻率變化較大，說明被測樣品和標準樣品的配用原材料相差較大。

四. 維修方法
本測試裝置是由精密機械構件組成的測微設備，所以在使用和
保存時要避免振動和碰撞，要求在不含腐蝕氣體和干燥的環境中使用和保存，不能自行拆裝，否則其工作性能就不能保證，如測試夾具受到碰撞，或者作為定期檢查，要檢測以下幾個指標：
1.    平板電容器二極片平行度不超過0.02mm。
2.    園筒電容器的軸和軸同心度誤差不超過0.1mm。
3.    保證二個測微桿0.01mm分辨率。
4.    用精密電容測量儀（±0.01pF分辨率）測量園筒電容器，電容呈線性率，從0~20mm，每隔1mm測試一點，要求符合工作特性要求。

關于介電常數測試儀的其他附加介紹
測試介電常數的意義：
介電常數又叫介質常數，介電系數或電容率，它是表示絕緣能力特性的一個系數，以字母ε表示，單位為法/米 . 它是一個在電的位移和電場強度之間存在的比例常量。這一個常量在自由的空間（一個真空）中是8.85×10的-12次方法拉第/米（F/m）。在其它的材料中，介電系數可能差別很大，經常遠大于真空中的數值，其符號是eo。 在工程應用中，介電系數時常在以相對介電系數的形式被表達，而不是值。如果eo表現自由空間（是，8.85×10的-12次方F/m）的介電系數，而且e是在材料中的介電系數，則這個材料的相對介電系數（也叫介電常數）由下式給出： ε1＝ε / εo＝ε×1.13×10的11次方 很多不同的物質的介電常數超過1。這些物質通常被稱為絕緣體材料，或是絕緣體。普遍使用的絕緣體包括玻璃，紙，云母，各種不同的陶瓷，聚乙烯和特定的金屬氧化物。絕緣體被用于交流電.泡沫塑料用聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚氨基甲酸酯等樹脂制成 聚苯乙烯2.4～2.6 ,介電常數有相對介電常數和有效介電常數之分，平時我們說的介電常數就是相對介電常數，硅的相對介電常數是11.9 .（AC），聲音電波（AF）和無線電電波（射頻）的電容器和輸電線路。 一個電容板中充入介電常數為ε的物質后電容變大ε倍。
介質損失角正切值（tgδ）的物理意義。
介質損失角正切值（tgδ）表示電介質在交流電壓下的有功損耗和無功損耗之比，值越大，介質損耗越大，它反映了電介質在交流電壓下的損耗性能。
介質損耗角正切
摘要：電力系統中檢測高壓設備的運行可靠性和發現電氣絕緣方面缺陷，電介質損耗角的測量*。電介質損耗角是一項反映高壓電氣設備絕緣性能的重要指標。本文介紹了介質損耗角的基本概念和其意義，簡單分析了介質損耗角檢測的方法。
關鍵詞：電介質損耗角；方法；測量；因素
一.引言
1.電介質損耗角研究的意義
       電氣設備是組成電力系統的基本元件，是保證供電可靠性的基礎。無論是大型關鍵設備如發電機、變壓器，還是小型設備如電力電容器、絕緣子等，一旦發生失效，必將引起局部甚至全部地區的停電。而導致設備失效的主要原因是其絕緣性能的劣化。絕緣劣化有很多原因，不僅電應力可引起絕緣劣化，導致絕緣故障，而且機械力或熱得作用，或者和電場的共同作用，zui終也會發展為絕緣性故障。鑒于絕緣故障在電力故障中所占的比重及其后果的嚴重性，電力運行部門歷來十分重視電氣設備的絕緣監督。
       電介質的電氣特性，主要表現為它們在電場作用下的導電性能、介電性能和電氣強度，它們分別以四個主要參數，即電導率（或絕緣電阻率）、介電常數、介質損耗角正切和擊穿場強來表示。電介質損耗角是一項反映高壓電氣設備絕緣性能的重要指標。電介質損耗角的變化可反映受潮、劣化變質或絕緣中氣體放電等絕緣缺陷，因此測量介質損耗角是研究絕緣老化特征及在線監視絕緣狀況的一項重要內容。而在實際測量中，由于電介質損耗很小，所以需要測量系統有較高的測量精度，這樣才能正確及時地反映電介質損耗的變化。對于電容型絕緣設備，通過對其介質特性的監視，可以發現尚處于早期發展階段的缺陷。
2.電介質損耗角正切的理論基礎
對電介質施加正弦波電壓，外施電壓與相同頻率的電流之間相角的余角的正切值。其物理理論基礎為tanδ=每個周期內介質損耗的能量/每個周期內介質存儲的能量 
1—1  介質在交流電壓的等值電路和向量圖a  示意圖
      b  等值電路      c  向量圖
在交流電壓下，流過電介質的電流I包含有功分量IR和無功分量IC，即I=IR+I
由圖1—1可以看出，此時的介質功率損耗P=UIcos=UICtanδ=U2ωCPtanδ  （1--1） 式  ω----電源角頻率Φ----功δ
-----介質損耗角。采用介質損耗P作為比較各種絕緣材料損耗特性優劣的指標是不合適的，因為P
值得大小與所加電壓U、試品電容量CP、電源頻率ω等一系列因素有關，而式中的
tanδ切是一個僅僅取決于材料損耗特性，而與上述種種因素無關的物理量。正因于此，通常均采用介質損耗角正切tanδ作為綜合反映電介質損耗特性優劣的指標，測量和監控各種電力設備絕緣的tan
δ值已成為電力系統中絕緣預防性試驗的zui重要項目之一。有損介質更細致的等值電路如圖1—2所示
圖1—2  電介質的三條支路等值電路和向量圖
a  等值電路     b向量圖圖中C1----介質無R2，C2----各種有損極化；R3----電導損耗。
在這個等值電路上加上直流電壓時，電介質中流過的將是電容電流I1、吸收電流I2和傳導電流I3。在電容電流I1在加壓瞬間數值很大，但迅速下降到零，是一極短暫的充電電流；吸收電流I2則隨著加電壓時間增長而逐漸減小，比充電電流的下降要慢得多，約經數十分鐘才衰減到零，具體時間長短取決于絕緣的類型、不均勻程度和結構；傳導電流I3是*長期存在的電流分量。這三個電流分量加在一起即得出吸收曲線，如圖1—3所示。上述三條支路等值電路可進一步簡化為電阻、
電容的并聯等值電路或串聯等值電路。若介質損耗主要由電導所引起，常用并聯等值電路；
如果介質損耗主由極化所引起，常用串聯等值電路。
三.等值電路1.并聯等值電路如果把圖1—2中的電流歸并成由有功電流和無功電流兩部分組成，即可得到圖1—1b示并列電路，圖中CP代表無功電流IC等值電容、R則代表有功電流I
R的等值電阻。其中IR=3+I2R=URIC=1+I2C=UωCP介質損耗角正切tanδ等于有功電流和無功電流的比值，即tanδ=IRIC=URUωCP=1UωCP此時電路的功率損耗為：P=U2R=U2ωCPtanδ可見與式（1--1）所得介質損耗*相同。2.串聯等值電路用一只理想的無損耗電容CS一個電阻r相串聯的等值電路來代替，如果1—3a所示。且由如1—3b的向量圖可得：tanδ=IrIω=ωCr由于r=tanδωCS，I=cSωCS=UcosδωCS，所以電路的功率損耗將為：P=2r=（UcosδωCS）2tanδωCS=U2ωCStanδ（cosδ）2
因為介質損耗角δ值很小，cosδ≈1，所以P=U2ωCStanδ由并聯等值電路和串聯等值電路可知，串聯等值電路中的電阻r要比并聯等值電路中的電阻R小得多圖1—3 電介質的簡化串聯等值電路及向量a  串聯等值電路       b  向量
四.介質損耗角正切的測量由于介質的功率損耗P與介質損耗角正切tanδ成正比，所以tanδ
是絕緣品質的重要指標，測量tanδ值是判斷電氣設備的絕緣狀態的一項靈敏有效方法。tanδ能反映絕緣的整體性缺陷（例如全面老化）和小電容試品中的嚴重局部缺陷。由于tanδ隨電壓而變化的曲線，可判斷絕緣是否受潮、含有氣泡及老化程度。但是測量tanδ不能靈敏地反映大容量發電機、變壓器和電力電纜絕緣中的局部性缺陷，這是應盡可能將這些設備分解成幾部分，然后分別測量它們的tanδ，tanδ值得測量，zui常用的是高壓交流電橋，即西林電橋法。