5、高压电容电桥
高压电容电桥的标准通道输入标准电容器的电流、试品通道输入试品电流。
通过比对电流相位差测量tgδ,通过出比电流幅值测量试品电容量。
因此用电桥测量介损还需要携带标准电容器、升压PT和调压器。
接线也十分烦琐。
国内常见高压电容电桥有:
型号
生产厂家
性能
2801
Haefely
西林电桥,手动调节,介损相对误差0.5%,试验室使用。
其改进型为2809A。
QS30
上海沪光厂
电流比较仪电桥,手动调节,介损相对误差0.5%±0.00005,试验室使用。
QS1
上海电表厂
西林电桥,手动调节,介损相对误差10%±0.003,现场测量用。
支持正反接线,移相或到相抗干扰。
AI-6000分体型
泛华电子
自动调节,红外线遥控,介损相对误差0.2%±0.00005,现场或试验室用。
支持正反接线,移相或倒相抗干扰。
配合变频电源可变频抗干扰。
6、高压介质损耗测量仪
简称介损仪,是指采用电桥原理,应用数字测量技术,对介质损耗角正切值和电容量进行自动测量的一种新型仪器。
一般包含高压电桥、高压试验电源和高压标准电容器三部分。
AI-6000利用变频抗干扰原理,采用傅立叶变化数字波形分析技术,对标准电流和试品电流进行计算,抑制干扰能力强,测量结果准确稳定。
国内常见高压介质损耗测量仪有:
型号
生产厂家
性能
2816
Haefely
高压输出12kV/200mA,介损误差1%±0.0001(抗干扰方式、指标不祥,估计是移相),正反接线方式,C/L/R测量,总重量104kg。
M4000
DOBLE
高压输出10kV/300mA,介损误差1%±0.0004(变频抗干扰,20倍),正反接线方式,C/L/R测量,笔记本+WINDOWS,45~70Hz,重量66kg。
AI-6000
泛华电子
10kV/200mA,介损误差1%±0.0004,变频法45~65Hz,抗干扰2:
1,正、反(含高、低压侧屏蔽)接线方式,CVT自激法,C/L/R测量,模拟西林电桥和电流比较仪电桥,试验室介损精度达到精密电桥标准,29kg。
7、外施
使用外部高压试验电源和标准电容器进行试验,对介损仪的示值按一定的比例关系进行计算得到测量结果的方法。
8、内施
使用介损仪内附高压电源和标准器进行试验,直接得到测量结果的方法。
9、正接线
用于测量不接地试品的方法,测量时介损仪测量回路处于地电位。
10、反接线
用于测量接地试品的方法,测量时介损仪测量回路处于高电位,他与外壳之间承受全部试验电压。
11、常用介损仪的分类
现常用介损仪有西林型和M型两种,QS1和AI-6000为西林型。
12、常用抗干扰方法
在介质损耗测量中常见抗干扰方法有三种:
倒相法、移相法和变频法。
AI-6000采用变频法抗干扰,同时支持倒相法测量。
13、准确度的表示方法
tgδ:
±(1%D+0.0004)
Cx:
±(1%C+1pF)
+前表示为相对误差,+后表示为绝对误差。
相对误差小表示仪器的量程线性度好,绝对误差小表示仪器的误差起点低。
校验时读数与标准值的差应小于以上准确度,否则就是超差。
14、抗干扰指标
抗干扰指标为满足仪器准确度的前提下,干扰电流与试验电流的最大比例,比例越大,抗干扰性能越好。
AI-6000在200%干扰(即I干扰/I试品≤2)下仍能达到上述准确度。
介损与频率的关系及变频测量原理
(泛华电子)
1、变频测量原理
干扰十分严重时,变频测量能得到准确可靠的结果。
例如用55Hz测量时,测量系统只允许55Hz信号通过,50Hz干扰信号被有效抑制,原因在于测量系统很容易区别不同频率,由下述简单计算可以说明选频测量的效果:
两个频率相差1倍的正弦波叠加到一起,高频的是干扰,幅度为低频的10倍:
Y=1.234sin(x+5.678°)+12.34sin(2x+87.65°)
在x=0/90/180/270°得到4个测量值Y0=12.4517,Y1=-11.1017,Y2=12.2075,Y3=-13.5576,计算A=Y1-Y3=2.4559,B=Y0-Y2=0.2442,则:
这刚好是低频部分的相位和幅度,干扰被抑制。
实际波形的测量点多达数万,计算量很大,结果反映了波形的整体特征。
2、频率和介损的关系
任何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:
(1)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
并联模型
其中ω=2πf,f为电源频率。
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。
(2)串联模型
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
串联模型
由上分析可知,串联模型tgδ=2πfRC,并联模型tgδ=1/(2πfRC),R和C基本不变,f是变化量。
把45Hz、50Hz、55Hz分别代入公式,可看到tgδ分别随频率f成正比和反比。
如下图所示,f对完全正比和完全反比两种模型影响较大。
但实际电容器是多种模型交织的混合模型,此时f的影响就小。
3.实际电容试品:
(1)固定频率下测量
实际电容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:
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2801电桥认为试品损耗是串连模型,QS30认为试品是并联模型。
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。
(2)变频测量
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,则很容易区分。
4、自动变频与50Hz等效
变频测量受到的唯一怀疑是频率的等效性。
按上述模型,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。
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:
模型
50Hz真实介损
45Hz测量介损
55Hz测量介损
平均
串连
1%
0.9%
1.1%
1%
并联
1%
1.111%
0.909%
1.010%
可见最大误差发生在并联模型,相对误差1%。
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差也小于1%,可以满足现场测量需要。
也可以采用47.5Hz、52.5Hz双变频测量,理论误差将减少到0.25%,但这时的抗干扰能力肯定不如45Hz、55Hz好。
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。
测量介损时常用的抗干扰方法
(泛华电子)
1、干扰源
介损测量受到的主要干扰是感应电场产生的工频电流。
无论何种测量方式,它都会进入桥体:
一般介损仪都能抗磁场干扰,因为内部的升压变压器就是一个强烈的磁场干扰源。
2、倒相法
测量一次介损,然后将试验电源倒相180度再测量一次,然后取平均值。
倒相法是抗干扰最简单的方法,也是效果最差的方法。
因为两次测量之间干扰电流或试品电流的幅度会发生波动,会引起明显误差。
一般干扰电流不超过试验电流2%时,这种方法是很有效的。
3、移相法
一种方法是采用大功率移相电源,调整试验高压的相位,使试品电流与干扰电流方向相同或相反,这样干扰电流影响减小,再配合倒相测量,能大大提高测量精度。
另一种方法是采用小功率移相电源,从R3桥臂上抵消干扰电流,再配合倒相测量,能大大提高测量精度。
通常在升压之前先检测干扰电流的大小和方向,然后调整移相电源。
由于测量过程中无法再了解干扰的信息,因此测量过程中干扰或电源发生相位波动,仍会引起明显误差。
一般干扰电流不超过试验电流20%时,这种方法是很有效的。
4、变频法
干扰十分严重时,变频测量能得到准确可靠的结果。
例如用55Hz测量时,测量系统只允许55Hz信号通过,50Hz干扰信号被有效抑制,原因在于测量系统很容易区别不同频率,由下述简单计算可以说明变频测量的效果:
两个频率相差1倍的正弦波叠加到一起,高频的是干扰,幅度为低频的10倍:
Y=1.234sin(x+5.678°)+12.34sin(2x+87.65°)
在x=0/90/180/270°得到4个测量值Y0=12.4517,Y1=-11.1017,Y2=12.2075,Y3=-13.5576,
计算A=Y1-Y3=2.4559,B=Y0-Y2=0.2442,则:
这刚好是低频部分的相位和幅度,干扰被完全抑制。
变频测量时,仪器需要知道的唯一信息是干扰频率。
因为仪器供电频率就是干扰频率,整个电网的频率是一样的。
仪器在测量中可以动态实时跟踪干扰频率,将数字滤波器的吸收点时刻调整到干扰频率上。
而干扰信号的幅值和相位变化对这种测量是没有影响的。
用AI-6000D做不拆高压引线的CVT自激法测量试验及电位
(泛华电子)
用AI-6000D做CVT自激法测量非常方便,可按下图接线。
如果C1是单节电容,母线不能接地;如果C1是多节电容,高压引线可不拆,母线也可接地,C11和C12可用常规正反接线测量,C13和C2用自激法测量。
一、接线方法如下图:
二、测量过程及电位
CVT自激法测量中,仪器先测量C13,然后自动倒线测量C2,并自动校准分压影响。
测C13时,高压线芯线和屏蔽带高压,CX线芯线和屏蔽都是低压。
测C2时,高压线芯线和屏蔽、CX线芯线和屏蔽都是低压。
三、为什么先测量C13,再测量C2
大家知道,C13电容量较小,约2万pF;c2电容量较大,至少4万pF;CN为50pF标准电容器。
测量C13时,C2和内CN串连当作标准电容器,根据电容串联公式C串=(C2CN)/(C2+CN),由于C2>>CN,C串≈CN,这样C2对测量结果影响较小,可忽略不计。
反之,如果先测C13,因C13容量较小,和内CN串连后,会把C13的介损加进去,造成标准臂介损增大,引起C2介损减小,造成测量误差。
四、自激法时高压线拖地会引起介损增大
自激法时高压线应悬空不能接触地面,否则其对地附加介损会引起介损增大,可用细电缆连接高压插座与CVT试品并吊起。
上图蓝色框内为电缆拖地时附加杂散电容的RC串联模型,使δ点的电压UN超前变成UN',相应的IN变成IN',Ix相位不变,造成δ角增大,既介质损耗增大。
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