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。
高压电容电桥的基本工作原理
(泛华电子)
(1)西林电桥
调节R3、C4使电桥平衡,此时a、b两点电压相等,即R3、C4两端电压相等。
因为交流电路中电容阻抗为
。
电路中R4、C4的并联阻抗为两者倒数和的倒数
按阻抗元件分压原理,不难得到:
两边取倒数得:
按复数相等实部、虚部分别相等的规定得到
按串连模型介损定义:
由于R4是固定的可以从C4刻度盘上读出介损,通过R3、R4、Cn可以计算Cx。
采用这个原理的仪器有现场用的QS1、试验室用的2801等。
(2)M型电桥
将试品改为并联模型。
注意到Ir与Icx、Icn差90度:
调节R4使Uw最小。
这时IcnR4=IcxR3,Uw=IrR3,因此:
由于a、b间电压没有完全抵消,因此M型电桥也称为不平衡电桥。
Uw测量的是绝对值,小介损时电压很低,难以保证测量精度。
(3)数字电桥
数字电桥的测量回路还是一个桥。
R3、R4两端的电压经过A/D采样送到计算机,求得
:
进一步可求得试品介损和电容量。
数字电桥的最大优势在于:
可以实现自动测量,可以补偿所有原理性误差,没有复杂的机械调节部件,测量以软件为主,性能十分稳定。
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。
表面泄漏或屏蔽不良引起正接线测量介质损耗减小的分析
(泛华电子)
用末端屏蔽法测量电磁式PT、正接线测量CT或变压器套管,有时会出现介损极小或负值的现象,这主要是绝缘受潮、表面泄漏或屏蔽不良引起的,可分析如下:
示意图
等效电路图
CX:
试品
C1:
高压端对瓷套的杂散电容
C2:
低压端对瓷套的杂散电容
R:
瓷套表面泄漏对地电阻
1:
为试验电压
2:
为仪器输入
这样,C1、C2、R形成T形网络,由于C1和R微分移相作用,使通过C2的电流超前,而使介损减小。
设1为外加电压U、2接地电位,流过2的电流为:
介质损耗因数为实部电流与虚部电流之比,由于第一项为负值,故介损因数减小。
以CX=120pF,C1=1pF,C2=0.1pF,R=1000MΩ,CX无介损,按上式计算,T形网络引起的附加介损为:
-0.025%
同理,检修用脚手架及包装箱引起正接线测量介质损耗减小:
试品对包装箱形成杂散电容,也形成T型网络干扰。
解决方法:
1、擦干净瓷套表面的脏污。
2、在阳光下曝晒试品或加热烤干瓷套,变压器套管吹干中间三裙。
3、高压线尽量水平拉远,不要贴近瓷套表面。
4、改用末端加压法或常规法测量电磁式PT。
5、新设备吊装前试验时,一定要拆掉包装箱和脚手架,移开木梯,解开绳套。
做变压器套管时一定要放在套管架上试验,不能斜靠在墙上或躺放在地上。
为什么升压显示不到10kV--仪器防"容升效应"电压自校正技术的介绍
(泛华电子)
AI-6000介损测试仪在升压测量时,尤其是测量大容量试品(>1000P,如变压器试品),用户有时看到升不到10kV(如9.8kV、9.5kV)的现象,而测量结束后打印的测量电压已到10kV,这就是仪器启动了防“容升”电压自校正技术。
仪器内部升压变压器(L)和试品电容(C),形成了一个LC回路,回路内电压会抬高,这就是“容升效应”。
由于“容升效应”造成回路电压抬高,就使试品和仪器的工作电压>10kV,易造成绝缘击穿或参数变化,造成仪器损坏或测量结果误差。
仪器自动跟踪输出电压和回路电压,进行准确升压控制,对试品和仪器起到了有效的保护作用。
在CVT自激法做介损试验时“容升”现象更明显,由于CVT下节耦合电容的容量很大(>4万P),在二次侧升几伏电压,一次侧就能达到上千伏。
一定要严格监测一次侧(A点)电压小于3kV,二次侧电流小于6A。
所以AI-6000C、D两个型号在CVT测量时提供了高压电压、高压电流、低压电压和低压电流四个保护限制,根据这四个保护限制,AI-6000准确调制电压,确保试验仪器和设备的安全。
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。
感兴趣的用户也可用公式推导出来。
用AI-6000C、D型介损测试仪做CVT自激磁测量
(泛华电子)
一、CVT测量的基本原理
电容式电压互感器(CVT)为叠装式结构,由于现场试验时叠装式CVT的电容分压器和电磁单元不能分开,给电容分压器的电容及介损测量造成了一定的困难。
CVT生产制造厂在CVT叠装前对电容分压器的电容及介损进行分体测量。
而对组装好的,将中压端子(A点)引出的CVT,可采用正接线直接测量,对没有抽头的CVT只能采用自激法测量。
500kVCVT示意图
二、CVT自激法测量时需要采取的保护措施
在CVT自激法做介损试验时,由于“回路谐振”和“容升效应”,绝对不能简单的用变比衡量一次侧电压。
CVT分压电容的容量很大(>4万P),在二次侧升几伏电压,一次侧就能达到上千伏。
一定要严格监测一次侧(A点)电压小于3kV,二次侧电流小于6A。
所以AI-6000C、D两个型号在CVT测量时提供了高压电压、高压电流、低压电压和低压电流四个保护限制,根据这四个保护限制,AI-6000准确调制电压,确保试验仪器和设备的安全。
三、CVT自激法介绍
1、传统CVT自激法:
需外接标准电容、低压激励电源和监控用电压电流表,具体接线参见高压试验规程。
2、用AI-6000C型做母线不接地CVT自激法测量
测量C1测量C2
应注意,高压线应悬空不能接触地面,否则其对地附加介损会引起误差,可用细电缆连接高压插座与CVT试品并吊起。
另外,考虑C2或C1与内Cn串联分压效应,其电容量可按下式校准:
其中Cc为校准经验值,包含了Cn及高压线对地电容的影响,其值可取110pF。
3.母线接地CVT自激法测量
如果母线接地,建议采用如下方法测量:
“内Cn”方式测量C13:
测量C13接线用C13作标准电容测量C2
应注意,高压线应悬空不能接触地面,否则其对地附加介损会引起一些误差(表现为C13介损增加)。
可用细电缆连接高压插座与CVT试品并吊起。
为进一步补偿C2串入标准回路对C13影响,可按下式校准C13电容:
其中Cc为校准经验值,包含了Cn及高压线对地电容的影响,其值可取110pF。
“外Cn”方式。
母线不接地时,也可以用这种接线方式测量。
4、用AI-6000D做CVT自激法测量
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。
CVT自激法测量中,仪器先测量C1,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。
应注意,高压线应悬空不能接触地面,否则其对地附加介损会引起误差,可用细电缆连接高压插座与CVT试品并吊起。
四、正接线直接测量C1C2的串,介质损耗为负值或很小。
反接线直接测量C1C2的串,介质损耗为一大数
用正接线直接测量C1C2的串,电容量可以测出来,但电磁单元的杂散阻抗可以模拟成一个RC串联模型,使A点电压超前,也造成Ix超前向第二象限偏转,造成δ角减小变成δ',如果偏过90°就造成负值。
同理,用反接线直接测量C1C2的串,在δ端反接线<3kV,介质损耗为一大数。
正接线直接测量C1C2的串的等效电路
Ix被移相变成Ix'
注意:
有些CVT铭牌标的电容量为C1、C2;而有些为C1、C1C2的串,可计算出:
C串=(C1C2)/(C1+C2)。
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。
感兴趣的用户也可用公式推导出来。
正接线测量时高压输出线用"皮儿"还是"芯儿"
(泛华电子)
用AI-6000做正接线测量时,一般用高压输出线的屏蔽端输出高压,即用"皮儿"。
高压线的屏蔽端是从仪器内部试验变压器高压端直接引出,没有阻抗。
而高压线的芯线在仪器内部串联了一个<2Ω的采样电阻,输出高压时会有分压影响,在测量大容量试品时,如40000P,介损会增大<0.005%。
所以说在现场正接线测量时的高压线,最好是单接屏蔽、也可芯线和屏蔽一块接,只接芯线稍微有些误差但也完全可以接受。
在试验室内校验时,最好用高压线的屏蔽端接试品高压端。
AI-6103型氧化锌避雷器带电测试仪
用谐波含量分析氧化锌避雷器的好坏
(泛华电子)
氧化锌避雷器在劣化的初期其内部会产生局部放电,泄漏电流中会产生高频分量。
AI-6103型氧化锌避雷器带电测试仪内置了谐波分析功能,采用快速傅立叶变换把高次谐波定量的分离出来,得到1~399次谐波信息,并分组显示结果,就可以检查局部放电的严重程度。
可以在同类型MOA之间作横向比较,数值异常增加的可用其它方法综合检测。
仪器推荐以下三个主要数据:
1、总电流Ix
MOA受潮劣化会引起总电流的增加,虽然总电流的增加不如基波阻性电流灵敏,但仍能反映其故障状态。
2、总谐波含量Ih
MOA是非线性设备,若参考电压降低,会导致谐波含量增大。
总谐波含量受母