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1、电 桥 测 量 介 损 的 原 理 -简述AI-6000介质损耗测量仪的原理和用法济南泛华佳业微电子技术有限公司 一、变频测量的等效性一、变频测量的等效性v1、介质的两种模型及与频率的关系、介质的两种模型及与频率的关系含有介损的电容器都可以模拟成RC串联和并联两种理想模型进行分析：v并联模型并联模型：认为损耗是与电容并连的电阻产生的。这种情况RC两端电压相等：有功功率 ，无功功率 ， 因此其中2f，f为电源频率。可见，如果真正用一个纯电阻和一个纯电容模拟介损的话，它与频率成反比。当R=时，没有有功功率，介损为0。这种方法常用于试验室模拟10以上的大介损，或用于制做标准介损器。v串联模型：串联模
2、型： 认为损耗是与电容串连的电阻产生的。这种情况电路的电流相等：有功功率 ，无功功率 ， 因此可见，如果用真正用一个纯电阻和一个纯电容模拟介损的话，它与频率成正比。当R=0时，没有有功功率，介损为0。这种方法常用于试验室模拟10以下的介损，或用于制做标准介损器。 v实际试品：实际试品：va、固定频率下测量实际试品在一个固定频率下，即可以用串连模型也可以用并联模型表示。例如50Hz下，下面两个电路对外呈现的特性完全一样：v不同的电桥测量这两个试品，其介损都是31.4，但西林电桥（2801或QS1）测量的电容量是10000pF，电流比较仪电桥（如QS30）测量的电容量是9101.7pF。这是因为2
3、801电桥认为试品损耗是串连模型，QS30认为试品是并联模型。v通常认为并联模型更接近实际情况，这是因为有功电流穿过电极之间的绝缘层，更象是损耗电阻并联在电极之间，而电极本身电阻为零，没有损耗。实际上当介损在10以下时，这种电容量的差别是很小的。从事现场试验的专家都有这样的经验：使用传统仪器，如QS1，在干扰严重的现场环境下测量介损，采用移相、倒相方法反复测量，仍无法使电桥平衡。随着电压等级提高，干扰越来越严重。这种情况下变频测量是一个很好的、甚至是唯一的选择。变频测量的抗干扰能力比移相、倒相法提高一个数量级以上。这好比两个电台在同一个频率上，很难将另一个信号抑制掉，但如果两个电台的频率不同，
4、则很容易区分。v变频测量变频测量v变频测量受到的唯一怀疑是频率的等效性。按串联或者并联模型，介损是随频率变化的。例如50Hz下1的介损，采用55Hz测量。串联模型的测量结果变成1.1(正比)，并联模型测量结果变成0.91%（反比）。虽然这样的误差可能满足现场测量的要求，但误差还是偏大。v为了解决这个问题，我们首先提出了双变频测量原理：在50Hz对称位置45Hz和55Hz各测量一次，然后将测量数据平均，使误差大大减小。理论分析结果如下表所示：v直接平均法：v当然如果试品介损不随频率变化，则这几种平均方法都没有误差。v以上分析表明，采用双变频测量，即发挥了变频测量的高抗干扰能力，理论上的最大相对误
5、差也小于1，可以满足现场测量需要。v实际测量显示，变频测量的数据十分稳定，重复性特别好。试验室校验也显示了很好的精度指标。目前变频测量的原理已经得到普遍认可。v2005年4月21日，我们在济南500kV变电站强干扰下测量断口电容（2400pF）和灭弧室（15pF），AI-6000读数十分稳定，而2816电桥只作出了电容量，因抗干扰不行，没有测到介损数据。估计原因是移相抗干扰能力不行，而AI-6000则采用变频抗干扰，其优势十分明显。二、二、AI-6000介损仪的原理及性能介损仪的原理及性能1、仪器工作原理简介、仪器工作原理简介AI-6000电桥都是通过电流来取信号，根据电流的幅度大小和相位变化
6、，通过计算得出试品的电容量Cx和介损tg。 I1=V1/R1 I2=V2/R2 通过傅立叶变换到频域，求出I1与I2 的相位差，tg即为介损。 AI-6000电桥原理如左下图同时，I=*C*V, 所以 Cx*I1=Cn*I2. Cx= I2*Cn/I1电流电压矢量图v仪器结构仪器结构仪器结构框图v测量电路：傅立叶变换、复数运算等全部计算和量程切换、变频电源控制等。v控制面板：打印机、键盘、显示和通讯中转。v变频电源：采用SPWM开关电路产生大功率正弦波稳压输出。v升压变压器：将变频电源输出升压到测量电压，最大无功输出2kVA / 1分钟。v标准电容器：内Cn，测量基准。vCn电流检测：用于检测
7、内/外标准电容器电流，10A5A。输入电阻2。vCx正接线电流检测：只用于正接线测量，10A5A。输入电阻2。vCx反接线电流检测：只用于反接线测量，10A5A。输入电阻2。v反接线数字隔离通讯：采用精密MPPM数字调制解调器，将反接线电流信号送到低压侧。隔离电压20kV。v工作原理： 启动测量后高压设定值送到变频电源，变频电源用PID算法将输出缓速调整到设定值，测量电路将实测高压送到变频电源，微调低压，实现准确高压输出。根据正/反接线和内/外标准电容的设置，测量电路根据试验电流自动选择输入并切换量程，测量电路采用傅立叶变换滤掉干扰，分离出信号基波，对标准电流和试品电流进行矢量运算，幅值计算电
8、容量，角差计算tg。反复进行多次测量，经过排序选择一个中间结果。测量结束，测量电路发出降压指令变频电源缓速降压到0。CVT测量：CVT隔离开关断开，低压隔离开关接通输出低压。测量C2时，CVT倒线开关接通，C2接入试品通道，用C1作标准电容测量C2。v2、AI-6000介损仪的技术性能介损仪的技术性能v电容量范围电容量范围: 内置电压 3pF60000pF/10kV 60pF1uF/0.5kV外加高压 3pF1.5uF/10kV 分辨率:最高0.001pF,4位有效数字vtg范围范围: 不限不限,分辨率分辨率0.001%,电容、电感、电阻三种试品自动识别。电容、电感、电阻三种试品自动识别。v试
9、验频率：试验频率：45、50 、 55 、 60 、 65Hz 单频45/55 、 55/65 、 47.5/52.5Hz 自动双变频精度：0.01Hzv试验电流：试验电流：10uA5Av内施高压：内施高压：设定范围：0.5kV10kV 最大输出电流：200mA 升降压方式：连续平滑调节 变压器最大输出功率:2000VA/min 精度（1.5% 读数+10V） 分辨率：1Vv准确度准确度Cx ：（读数1%+1pF）tg：（读数1%+0.00040）例如介损读数1.000，按上式计算，误差为（1%1.000+0.00040） 0.05%，即实际介损可能在0.9501.050%之间。通常介损的数值
10、都比较小，因此这个零点误差起主要作用。AI-6000无干扰时控制零点误差为0.00005，2：1干扰下控制介损波动量小于0.0002。v抗干扰指标抗干扰指标抗干扰指标：在200%干扰（即I干扰 / I试品2）下仍能达到上述准确度用于现场测量的介损仪，必须具备良好的抗干扰能力。抗干扰能力应当定量描述，例如只说“抗22万电场干扰或50万电场干扰”，或者拿试验室精度当作现场测量精度，或者随意提高精度指标都是不可取的。实际上仪器的测量重复性也能够反映抗干扰能力，如果重复性很好，必然说明抗干扰能力强。由于A/D位数限制，干扰进一步增大时，会导致有用信号的有效数字位数降低，引起A/D的量化效应，使测量数据
11、产生波动。我们目前已经掌握了抵抗20倍以上干扰的方法。由于还没有发现超过2倍的干扰，因此暂时没有启用这个功能。 v安全性能安全性能v多种安全保护措施，确保人身和试验设备安全v高压保护：试品短路、击穿或高压电流波动，能以短路方式高速切断输出。v低压保护：误接380V，电源波动或突然断电，启动保护，不会引起过电压。v接地保护：仪器接地失灵使外壳带危险电压时，启动接地保护。vC V T：高压电压和电流、低压电压和电流四个保护限，不会损坏设备；误选菜单不会输出激磁电压。v防误操作：两级电源开关；电压、电流实时显示；多次按键确认；接线端子高/低压分明；声光报警。v防“容升”：测量大容量试品时会出现电压抬
12、高的“容升”效应，仪器能自动跟踪输出电压，保持试验电压恒定。v抗震性能：仪器采用独特抗震设计，可耐受强烈长途运输震动、颠簸而不会损坏。v高压电缆：为耐高压绝缘导线，可拖地使用。实际上，安全性应当成为仪器选型的首要因素。例如意外接触高压，靠跳闸烧保险肯定是危险的。仪器应当在数毫秒内切断输出。当然开路式切断与短路式切断又有不同，短路式切断不会产生过电压，更加安全。另外，仪器开关、端子、安全警示、操作是否能尽可能防止误操作，仪器是否带有接地保护等，也是十分重要的。设计者和生产厂有责任尽最大努力提高仪器安全性，减少误操作的可能性。即便发生误操作，也必须将损失降到最低限度。例如“一按启动即测量”肯定不安
13、全。输出端子一会这个带高压，一会另一个带高压也是不安全的。除对试验人员的保护外，还要求仪器能对被测设备进行保护。例如测量过程中，过高的电压引起试品电流异常增大，直至击穿放电，仪器能否提前察觉到电流异常增大而停止测量。或者进行CVT自激法测量时能否缓慢地、试探性升压，提前发现接线错误而停止测量等。除对试验人员的保护外、被测设备进行保护外，仪器还应能对自身保护。因为即便用户使用原因引起仪器损坏，也会耽误用户的工作。例如现场测量拉电源线时，会将380V线电压当作相电压给仪器供电，如果没有这个保护，必然造成仪器返修。v功能功能用户还关心的问题是仪器的性价比，同样价格仪器功能应尽量完备。同时多功能也不能
14、增加仪器操作的复杂性，仪器操作要人性化，界面要简单明了。v故障率低，售后服务及时故障率低，售后服务及时目前生产厂家已非常注重产品服务了，剩下的差别就在于仪器返修率。一个好的产品应当结实耐用，性能稳定可靠。v通过技术监督部门质量认证和检定通过技术监督部门质量认证和检定生产厂家应当具备合法的生产手续，可靠的质量保证体系。目前介损仪的生产厂家较多，粗劣技术多家转让、盗版、过度降低成本的情况已有发生。如果使用一些低劣、不安全、故障率高的仪器，必然会给用户利益造成损害。三、三、AI6000介损仪的现场接线方式及注意事项介损仪的现场接线方式及注意事项v1. 常用测量接线常用测量接线v正接线（正接线（UST
15、）va、常规正接线、常规正接线 vb、高电压介损、高电压介损v反接线（反接线（GST）va、常规反接线、常规反接线vb、反接线高压屏蔽、反接线高压屏蔽vc、反接线低压屏蔽、反接线低压屏蔽CVT的设置与测量的设置与测量vCVT的设置：的设置：将光标移到高压位置，轻按启停键可以依次出现以下界面，这四个分别是高压电压、高压电流、低压电压和低压电流的设定值，当然也可以根据需要自己设定。vCVT的测量：的测量：v下面以母线接地CVT为例介绍各个电容的测量方法（A未引出）。v v如果是母线如果是母线CVT测量之前应确认结合滤波器已断开，以消除载波信号影响。测量之前应确认结合滤波器已断开，以消除载波信号影响
16、。va、C1由多节电容组成时，测C11可用高压屏蔽其它电容vC12、C13电容可用一般正接线测量。vC14和C2用CVT自激法测量vC1由两节电容组成时，用低压屏蔽其它电容：b、用自激法测量C12、C2： 低压激励线，可接任何一组二次线圈。二次线圈应解开，防止将仪器低压短路。低压激励线电流大，应良好接触。v使用带接地屏蔽的高压线可以拖地（参见仪器操作说明）。使用其它导线不应拖地，必须吊起，否则高压线对地会有一个附加电阻，这样会导致电压产生相移从而引起测量误差。 v测量CVT时建议高压线接CVT的下端（N）点。 2. 现场试验注意事项现场试验注意事项v搭钩接触不良搭钩接触不良现场测量使用搭钩连接
17、试品时，搭钩务必与试品接触良好，否则接触点放电会引起数据严重波动！如高压挂在引流线上时，因引流线氧化层太厚，或风吹线摆动，易造成接触不良。v接地接触不良接地接触不良接地不良会引起仪器保护或数据严重波动。应刮净接地点上的油漆和锈蚀，务必保证0电阻接地！如果测量接地试品，试品地和仪器地应共地连接，保持地电位一致。v直接测量直接测量CVT或末端屏蔽法测量电磁式或末端屏蔽法测量电磁式PT直接测量CVT的下节耦合电容会出现负介损，应改用自激法。用末端屏蔽法测量电磁式PT时由于受潮引起“T形网络干扰”出现负介损，吹干下面三裙瓷套和接线端子盘即可。也可改用常规法或末端加压法测量。v空气湿度过大空气湿度过大空
18、气湿度大使介损测量值异常增大（或减小甚至为负）且不稳定，必要时可加屏蔽环。因人为加屏蔽环改变了试品电场分布，此法有争议，可参照有关规程。v发电机供电发电机供电发电机供电时输入频率不稳定，可采用定频50Hz模式工作。v测试线测试线由于长期使用和连接，易造成测试线芯线和屏蔽短路或插座接触不良，用户应经常维护测试线；测试标准电容试品时，应使用全屏蔽插头连接，以消除附加杂散电容影响，否则不能反映出仪器精度；自激法测量CVT时，高压线应吊起悬空，否则对地附加杂散电容和介损会引起测量误差。v工作模式选择工作模式选择接好线后请选择正确的测量工作模式（正、反和CVT），不可选错。干扰环境下应选用变频抗干扰模式
19、。v试验方法影响试验方法影响由于介损测量受试验方法影响较大，应区分是试验方法误差还是仪器误差。出现问题时可首先检查接线，然后检查是否仪器故障。v仪器故出现故障及处理方法仪器故出现故障及处理方法v仪器测试时升压出现仪器测试时升压出现ER-PS a. 仪器工作电源问题：是否为发电机供电，电源插排是否良好。b. 仪器问题：检查仪器，空升是否保护。c. 测试线问题：检查接线，内部是否有短路情况。d. 试品方面的原因： 试品是否对地短路。 vER-ZX 这也是在测试过程中常出现的情况这也是在测试过程中常出现的情况a. 设置问题：在进行测试时是否设置为外标准电容。b. 检查仪器，空升是否出现ER-Zx，排
20、除仪器内部线接触不良的问题。c. 测试线是否接触牢靠，对测试线的连接点是否进行过除锈处理。用万用表测量一下测试线的芯线和屏蔽是否短路；输入电源220V过高或过低；接地是否良好。 vER-cw CVT自激发测试时出现的保护信息自激发测试时出现的保护信息a. 设置问题：在测试时对低压电压、低压电流、高压电压和高压电流进行设置，否则会出现ER-cv、ER-ci、ER-cV和ER-cI保护信息。b. 接线问题：有时一次尾段X点不接地，电压升不起来会出现ER-cw。c. 仪器问题：用电压表检测仪器低压输出端是否有电压输出，大约25V左右（启动CVT测量瞬间）。v仪器不显示仪器不显示a. 仪器通电后，打开开关，开关灯不亮，仪器不显示，开关坏。b. 仪器通电后，打开开关，开关灯亮，但是仪器不显示，有可能误接380V电源。v测试结果不稳定，重复性不好测试结果不稳定，重复性不好a. 仪器是否使用变频方式测量b. 接线是否牢靠，由于长期使用和连接，易造成测试线芯线和屏蔽短路或插座接触不良，用户应经常维护测试线。 v仪器死机，光标不移动，有可能打印机按键问题仪器死机，光标不移动，有可能打印机按键问题
