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介质损耗因数(tanδ)试验

1 、 介 质 损 耗因数的物理意义

绝缘 介 质在交流电压作用下会在绝缘 介 质内部产生 损 耗，这些 损 耗包括绝缘 介 质极化产生的 损 耗、绝缘 介 质沿面爬电产生的 损 耗和绝缘 介 质内部局部放电产生的 损 耗等。由于绝缘 介 质内部产生了 损 耗，所以造成施加在绝缘 介 质上的交流电压与电流之间的功率因数角不再是90°。我们把功率因数角的余角称为 介 质 损 失角，并用 介 质 损 耗因数(tanδ)来表示绝缘系统电容的 介 质 损 耗特性。

1.1 等效电路及电压、电流相量图

绝缘 介 质在交流电压作用下产生 介 质 损 耗的等效电路见图5-2。其施加电压及 介 质 损 耗电流的相量图见图5-6。图 5-2 和图 5-6 可进一步简化成图 5-7 。

图5-2 绝缘 介 质的等效电路

表5-2 绝缘电阻测量结果

1.2 介 质 损 耗因数 (tanδ)的表示方法

由图5-7等效电路图和相量图可知，绝缘 介 质中的 损 耗可表示为W=UIcos  ＝UI _R ＝UI _C tanδ， 所以 tanδ=I _R /I _C 。为了便于比较，通常取tanδ=I _R /I _C ×100% ，即用 tanδ 来表示相对的 介 质 损 耗因数的大小。这样可以消除绝缘 介 质几何尺寸差异造成的影响，便于比较和判定不同结构产品的绝缘性能。

2 tanδ的电压温度特性

2.1 电压特性

tanδ与施加电压的关系决定于绝缘 介 质的性能、绝缘 介 质工艺处理的好坏和产品结构。当绝缘 介 质工艺处理良好时，外施电压与tanδ之间的关系近似一水平直线，且施加电压上升和下降时测得的 tanδ 值是基本重合的。当施加电压达到某一极限值时， tanδ 曲线开始向上弯曲，见图 5-8 曲线 1 。

如果绝缘 介 质工艺处理得不好或绝缘 介 质中残留气泡等，则绝缘 介 质的tanδ比良好绝缘时要大。另外，由于工艺处理不好的绝缘 介 质在极低电压下就会发生局部放电，所以，tanδ曲线就会较早地向上弯曲，且电压上升和下降时测得的 tanδ 值是不相重合的，见图 5-8 曲线 2 。

当绝缘老化时，绝缘 介 质的tanδ反而比良好绝缘时要小，但 tanδ 开始增长的电压较低，即 tanδ 曲线在较低电压下即向上弯曲，见图 5-8 曲线 3 。另外，老化的绝缘比较容易吸潮，一旦吸潮， tanδ 就会随着电压的上升迅速增大，且电压上升和下降时测得的 tanδ 值不相重合，见图 5-8 曲线 4 。

2.2 温度特性

图5-6 绝缘 介 质等值电流相量图

I _C — 吸收电流的无功分量 I _R — 吸收电流的有功分量

 — 功率因数角 δ— 介 质 损 失角

图5-7 绝缘 介 质简化等效电路和等值电流相量图

(a)等效电路 (b) 等值电流相量图

C _x — 绝缘 介 质的总电容 R _x — 绝缘 介 质的总泄漏电阻 I _Cx — 绝缘 介 质的总电容电流 I _Rx — 绝缘 介 质的总泄漏电流

图5-8 绝缘 介 质tanδ的电压特性

tanδ随温度的上升而增加，其与温度之间的关系与绝缘材料的种类、性能和产品的绝缘结构等有关，在同样材料、同样绝缘结构的情况下与绝缘 介 质的工艺干燥、吸潮和老化程度有关。

对于油浸式变压器，在10 ℃ ～40 ℃ 范围内，干燥产品的tanδ增长较慢 ; 温度高于 40 ℃ ，则tanδ的增长加快，温度特性曲线向上逐渐弯曲。为了比较产品不同温度下的 tanδ ， GB/T6451—1999 国家标准规定了不同温度 t 下测量的 tanδ 的换算公式。

tanδ ₂ ＝tanδ ₁ ·1.3 ^(t _1-t2)/10  (5-2)

式中tanδ ₂ —— 油温为 t ₂ 时的tgδ值， %;

　tanδ ₁ —— 油温为 t ₁ 时的tgδ值， % 。

3 tanδ测量方法

3.1 测量仪器及测量电压

变压器、互感器等产品的 介 质 损 耗因数 (tanδ)测量一般均采用高压西林电桥。使用比较多的电桥型号有国产 QS1 型 ( 变压器 tanδ 测量多采用此电桥 ) 和瑞士进口 2801 型。两种电桥的基本原理是一样的 ( 见图 5- 9) ，不同的是 2801 型电桥的 R ₄ 可以调节，且主桥外带有一套2911型自动电位调节器，该调节器可以自动消除不利的接地和测量导线局部电容对 tanδ 测量的影响。 2801 型电桥的测量范围和准确度为：使用桥内测量元件和 100pF 标准电容器时，电容测量范围为 0.01pF ～ 11μF ，测量准确度为 ±0.05%;tanδ 测量范围为 0 ～ 350% ，测量准确度为 ±0.5% 。

图5-9 高压西林电桥原理线路图

C _x — 被测产品等效电容 C _N — 标准电容器 R ₃ 、r、 R ₄ — 可变桥臂电阻 C ₄ — 可变桥臂电容 G—5511(5512) 电子式零指示器 (2801 电桥 )

还有一类电容和 介损 测量仪在变压器、互感器等产品的 介损 tanδ测量中应用很广。这种测量仪采用矢量电流法测量电容和 介 质 损 耗因数。其原理是将C _N 和C _x 两个回路电流输入测量仪后，经微处理器进行数字运算，得到电容C _x 和其 介 质 损 耗因数，便于实现自动化测量。典型仪器有进口的2876 电桥、 2818 电容 介损 测量仪和国产的2518 介 质 损 耗 测试仪 。这类 测试仪 测量准确度比2801电桥稍低，但实现了全自动测量，操作简单，适合于生产性试验测量。

tanδ测量电压：对于额定电压 6kV 及以下电压等级的产品 ( 当要求测量 tanδ 时 ) ，取额定电压 ; 对于额定电压为 10kV ～ 35kV 电压等级的产品 ( 当要求测量 tanδ 时 ) 取 10kV; 对于额定电压为 63kV 及以上电压等级的产品取 ≥10kV ，但最高不应超过产品低电压绕组额定电压的60% 。

3.2 正接法测量

西林电桥正接法只能测量两极对地绝缘的产品，如电流互感器、套管等，原理线路图见图5- 10。测量方法和步骤如下。

(1)预估试品电容和测量 tanδ 电压下的电容电流，并根据试品电容和电容电流的大小选择合适的电桥分流器和桥臂电阻 R ₄ (QS1型电桥 R ₄ 等于10 000/π)。

(2)按图 5-10 线路接线，并经认真检查无误后，先施加较低电压进行测量，然后再升压至测量电压进行测量。

(3)测量时首先调节电桥的桥臂电阻 R ₃ ，使电桥基本达到平衡，然后再调节电桥的桥臂电容C ₄ 和桥臂微调电阻r，使电桥*达到平衡。

(4)读取、记录电桥 R ₃ (r)和 C ₄ 测量值，然后根据电桥R ₄ 的取值和标准电容器C _N 的电容值计算试品的电容和tanδ%。

试品电容C _x 的计算公式为：

当R ₄ 取1000/π Ω， C ₄ 取 μF 时， tanδ=0.1C ₄ ，tanδ%=10C ₄ ;

图5-10 正接法测量原理线路图

PT—电压互感器 V— 电压表 U—tanδ 测量电压

当R ₄ 取10 000/πΩ， C ₄ 取 μF 时， tanδ=C ₄ ，tanδ%=100C ₄ 。

3.3 反接法测量

对于变压器来说，由于其油箱是直接落在地面上的，所以测量绕组对地的 介 质 损 耗因数(tanδ) 不能采用正接法，只能采用反接法，原理线路图见图 5-11 。

测量方法和步骤同正接法。但由于反接法测量时桥臂电阻R ₃ 、r、 R ₄ 和C ₄ 均处于高电位，因此，是用绝缘杆把操作元件引到电桥接地盖子上进行操作的(或人站在 ≫ 10kV 绝缘台子上操作)，故测量时必须时刻注意安全。

4 几点分析

(1)由于变压器的 tanδ 与产品使用的变压器油、绝缘材料的种类和性能以及产品制造工艺有关，所以，不能用一种简单的关系来代表所有的情况。

图5-11 反接法测量原理线路图

(2)由于变压器的 tanδ 只能用来判断绝缘的整体特性，对判断绝缘的局部缺陷是不灵敏的，所以，此项试验还有一定的局限性。正因为如此，所以， GB1094.1—1996 标准只规定有此试验项目， GB/T6451—1999 标准只要求提供 tanδ 实测数据，而没有规定具体限值 (330kV 有限值规定 ) 。 GB/ T16274—1996 标准要求提供 tanδ 实测数据，而且有具体限值规定。各企业可根据自己的制造工艺等积累这方面的数据和经验，并用以判断不同产品的绝缘处。

关键词： 介电常数测试仪 介质损耗因数 介质损耗角正切值 高压自动介损