高压自动介电常数测量仪（介质损耗试验机）—实验原理

按照物质电结构的观点，任何物质都是由不同的电荷构成，而在电介质中存在原子、分子和离子等。当固体电介质置于电场中后会显示出一定的极性，这个过程称为极化。对不同的材料、温度和频率，各种极化过程的影响不同。

1、介电常数(ε)：某一电介质(如硅酸盐、高分子材料)组成的电容器在一定电压作用下所得到的电容量C与同样大小的介质为真空的电容器的电容量C之比值，被称为该电介质材料的相对介电常数。

式中：C—电容器两极板充满介质时的电容；

Cο—电容器两极板为真空时的电容；

ε—电容量增加的倍数，即相对介电常数

介电常数的大小表示该介质中空间电荷互相作用减弱的程度。作为高频绝缘材料，ε要小，特别是用于高压绝缘时。在制造高电容器时，则要求ε要大，特别是小型电容器。

在绝缘技术中，特别是选择绝缘材料或介质贮能材料时，都需要考虑电介质的介电常数。此外，由于介电常数取决于极化，而极化又取决于电介质的分子结构和分子运动的形式。所以，通过介电常数随电场强度、频率和温度变化规律的研究，还可以推断绝缘材料的分子结构。

2．介电损耗(tgδ)：指电介质材料在外电场作用下发热而损耗的那部分能量。在直流电场作用下，介质没有周期性损耗，基本上是稳态电流造成的损耗；在交流电场作用下，介质损耗除了稳态电流损耗外，还有各种交流损耗。由于电场的频繁转向，电介质中的损耗要比直流电场作用时大许多(有时达到几千倍)，因此介质损耗通常是指交流损耗。

在工程中，常将介电损耗用介质损耗角正切tgδ来表示。tgδ是绝缘体的无效消耗的能量对有效输入的比例，它表示材料在一周期内热功率损耗与贮存之比，是衡量材料损耗程度的物理量。

tg

式中：ω—电源角频率；

R—并联等效交流电阻；

C—并联等效交流电容器

凡是体积电阻率小的，其介电损耗就大。介质损耗对于用在高压装置、高频设备，特别是用在高压、高频等地方的材料和器件具有特别重要的意义，介质损耗过大，不仅降低整机的性能，甚至会造成绝缘材料的热击穿。

3、Q值：tgδ的倒数称为品质因素，或称Q值。Q值大，介电损失小，说明品质好。所以在选用电介质前，必须首先测定它们的ε和tgδ。而这两者的测定是分不开的。

通常测量材料介电常数和介质损耗角正切的方法有二种：交流电桥法和Q表测量法，其中Q表测量法在测量时由于操作与计算比较简便而广泛采用。本实验主要采用的是Q表测量法。

Q表的测量回路是一个简单的R—L—C回路，如图1所示。当回路两瑞加上电压V后，电容器C的两端电压为Vc，调节电容器C使回路谐振后，回路的品质因数Q就可以用下式表示：

式中：L—回路电感；

R—回路电阻；

Vc—电容器C两端电压；

V—回路两端电压；

图1 Q表测量原理图

由上式可知，当输入电压V不变时，则Q与Vc成正比。因此在一定输入下，Vc值可直接标示为Q值。Q值表即根据这一原理来制造。

4、STD－A陶瓷介质损耗角正切及介电常数测试仪：它由稳压电源、高频信号发生器、定位电压表CBl、Q值电压表CB2、宽频低阻分压器以及标准可调电容器等组成(图2)。工作原理如下：高频信导发生器的输出信号，通过低阻抗耦合线圈将信号馈送至宽频低阻抗分压器。输出信号幅度的调节是通过控制振荡器的帘栅极电压来实现。当调节定位电压表CBl指在定位线上时，Ri两端得到约l0mV的电压(Vi)。当Vi调节在一定数值(10mV)后，可以使测量Vc的电压表CB2直接以Q值刻度，即可直接的读出Q值，而不必计算。

图2 Q表测量电路图

经推导(1) 介电常数：

(1)

式中：C1—标准状态下的电容量；

C2—样品测试的电容量；

d—试样的厚度(cm)；

Φ—试样的直径(cm)；

(2) 介质损耗角正切：

(2)

式中：Q1—标准状态下的Q值；

Q2—样品测试的Q值；

(3) Q值：

(3)

高压自动介电常数测量仪（介质损耗试验机）—传统的介质测量方法

(一)电桥法

电桥法是介损测量领域长期采用的一种方法，而传统的测量方法主要就是指西林电桥 法。分析来看，当前流行的电桥分西林型高压电桥和电流比较仪型高压电桥。其中最为典型 的要数西林电桥，所谓的电桥法也即西林电桥法。西林电桥属于比较同类阻抗元件的电桥， 它的标准阻抗和被测阻抗都是电容器。在强高压下进行高精度的介损测量是西林电桥的突出 优势，倘若采取特殊的措施甚至可以在强磁干扰下进行颇高精度的测量；而电流比较仪型高 压电容电桥的原理是用变压器的比例臂代替普通的阻抗臂，以提高测量的准确度，如若配以 专门的辅助电路，可以实现自动平衡电桥。

西林电桥法的测量原理是用标准电容和电阻将测试品进行比较性的模拟测量。因为它的 模拟电路较为复杂，对元器件的要求比较高。随着电力电子技术和计算机技术的快速发展， 数字化测量方法逐渐取代弊端较多的模拟方法，其原理是利用传感器从试验品上取得电压和 电流信号，经预处理后再进行数字化，之后输至计算单元，算出相位差，最后得到测量值。 由于利用了计算机技术，使得模拟电路结构简化，提高了仪器的性能。目前许多装置就是基 于此原理，像 PSC 型介质损耗自动测量仪，即为利用电流比较仪线路进行平衡的，采用这 一装置能够达到很高的测量精度。

(二)伏安法

伏安法是常用也是成熟的一种传统方法，其工作原理是借助被测试品的端电压向量 和流过被测试品电流向量之比，得到被测试品的阻抗向量，根据 Zx 的实部和虚部，进一步 计算求得介质损耗值 tgδ。这种测量方法在精密计算机引入后进一步得到更新完善，基于 测量系统的不断升级，测量数据的处理效率大大提高，而且精准度也得到保证。电力电子技术的渗入使介质损耗测量技术进入一个新时代。

二、过零点时差比较法

过零点时差比较法是数字化测量介质损耗中较早采用并且效果明显的一种方法。其主要 原理是通过比较施加于介质上的电压 U 和电流 I 的过零时刻两个值，求得两个值之间的相位 差，从而求得介质损耗角。与此同时，再用脉冲技术求得两个值的值差。若计数器显示的脉 冲数为 n，而计数器的频率为 f,则△t=n/f,测量装置对损耗角的分辨率也就是 2л/Tf。由 此可见，只要计数器频率足够高，就可以保证较高的分辨率。过零点时差比较法的优点在于 测量的分辨率高，容易数字化处理，其缺点是极易受谐波干扰，导致测量数值不准，这也是过零点时差比较法使用程度不高的主要原因

三、谐波分析法

谐波分析法的工作程序是首先由波形采集装置u 和i 的时域波形同步地转换为数字波形并存储，然后计算机将两个数字波形调入内存，用离散傅立叶变换出两个信号的基波，最后 由特定的换算公式求出绝缘介质损耗角和等值电容。谐波分析法的关键步骤是基于傅立叶变换作等量，考虑到三角函数的正交性，傅立叶变换求解电压和电流的基波是不受高次谐波的影响，也不会受仪器电子电路所产生的零漂影响，因此可以达到比较高的稳定性和测量精准度。

然而，谐波分析法的软肋也是很明显的。由于现实中电网频率的不稳定与采样误差，极 为容易造成对采样信号作 DFT 时出现偏差，数据不真实影响最终测量结果，因此又多出了 一道消除偏差的程序，从而增加了麻烦。

四、异频电源法

异频电源法是一种全新的抗干扰方法。其原理是在介质损耗测量中测试电源频率偏离干 扰电源频率，通过频率识别或滤波技术排除干扰电源的影响。实际上 tgδ是随着频率的变 化而变化的，这就出现了不同频率下的介质损耗测量结果的等同性问题。异频电源频率不能 偏离工频太远，否则测量结果与工频下的损耗值失去等同性；但也不能偏离太近，否则又会 增大频率分辨的难度，同样会造成较大的误差。技术层面上看，将异频频率和工频频率分辨 开来可以采用 DFT。理论上只要满足同步采样条件，DFT 就不会出现泄漏效应，也就意味 着可以准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来，从而得到该频率波的初相位。

不过，同样由于电网频率的不稳定性，加之同步采样环节存在的某些误差，自然会造成 对采样信号作 DFT 时出现较大的误差，所以在对信号作 DFT 时应该去针对性的措施来消弭 误差，确保测量的 tgδ精准度。