四川大学电气信息学院高电压技术实验报告.docx

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四川大学电气信息学院高电压技术实验报告

四川大学

电气信息学院

高电压技术实验报告

姓名：

XXXXX

学号：

07430XXX

专业：

电气工程及其自动化

实验二介质损耗角正切值的测量

一．实验目的：

学习使用QS1型西林电桥测量介质损耗正切值的方法。

二．相关知识：

介质极化、偶极子、漏导。

三．实验任务：

1．正接线测试2．反接线测试

四．接线方式：

（a）高压试验源（b）正接线（c）反接线（d）对角接线

图2-1QS1西林电桥试验接线图

QS1电桥在使用中有多种接线方式，即图2-1（b）所示的正接线，图2-1（c）所示的反接线，图2-1

（d）所示的对角接线，另外还有低压测量接线等。

正接线适用于所测设备两端都对地绝缘的情况，此时电桥的D点接地，试验高电压在被试品及标准电容

上形成压降后，作用于电桥本体的电压很低，测试操作很安全也很方便，而且电桥的三根引出线（CX、CN、

E）也都是低压，不需要与地绝缘。

反接线适用于所测设备有一端接地的情况，这时是C点接地，试验高电压通过电桥加在被试品及标准电

容上，电桥本体处于高电位，在测试操作时应注意安全，电桥调节手柄应保证具有15kv以上的交流耐压能力，

电桥外壳应保证可靠接地。

电桥的三根引出线为高压线，应对地绝缘。

对角接线使用于所测设备有一端接地而电桥耐压又不够，不能使用反接线的情况，但这种接线的测量误

差较大，测量结果需进行校正。

低压接线可用来测量低压电容器的电容量及

tgδ值，标准电容可选配0.001μf（可测CX范围为300pf～

10μf）或0.01μf（可测C范围为3000pf

～100μf）

X

3．分流电阻的选择及tgδ值的修正：

QS1电桥可测试品范围很广，试品电容电流变化范围也很广，但电桥中R3的最大允许工作电流为

0.01A，

如果试品电容电流超过此值，则必须投入分流器，以保证

R3的安全工作，分流器挡位的选择可按表

2-1所列

数据进行。

在投入分流器后所测

tgδ值很小的情况下，测量值应进行校正，其校正式如下：

tg

X

tg

tg

tg

CNR4100

n

R3

tgδ为实测值，tgδ为校正量，tgδX为校正后的值。

表2-1分流器挡位选择表

试品电容量（pf）

3000

8000

19400

48000

400000

分流开关刻度（A）

0.01

0.025

0.06

0.15

1.25

分流系数n

100+R3

60

25

10

4

五．工作原理：

1、绝缘介质中的介质损耗（P=ωCu2tgδ）以介质损耗角δ的正切值（tgδ）来表征,介质损耗角正切值

等于介质有功电流和电容电流之比。

用测量tgδ值来评价绝缘的好坏的方法是很有效的，因而被广泛采用，

它能发现下述的一些绝缘缺陷：

（1

）、绝缘介质的整体受潮；

（2

）、绝缘介质中含有气体等杂质；

（3

）、浸渍物及油等的不均匀或脏污。

测量介质损耗正切值的方法较多，主要有平衡电桥法（

QS1），不平衡电桥法及瓦特表法。

目前，我国多采用

平衡电桥法，特别是工业现场广泛采用

QS1型西林电桥。

这种电桥工作电压为

10Kv，电桥面板如图2-1所示，其工作原理及操作方法简介如下：

⑴．检流计调谐钮

⑵．检流计调零钮

⑶．C4电容箱（

tgδ）

⑷．R3

电阻箱

⑸．微调电阻ρ（R3桥臂）

⑹．灵敏度调节钮

⑺．检流计电源开关⑻．检流计标尺框

⑼．+tgδ/-tgδ及接通Ⅰ/断开/接通Ⅱ切换钮

⑽．检流计电源插座⑾．接地

⑿．低压电容测量⒀．分流器选择钮

⒁．桥体引出线

2、工作原理分析：

原理接线图如图2-2

所示，桥臂

BC接入标准电容CN（一般CN=50pf），

桥臂BD由固定的无感电阻

R和可调电容C

并联组成，桥臂AD接入可调电阻

4

4

R3，对角线AB上接入检流计G，

剩下一个桥臂

AC就接被试品CX。

图2-2

QS1西林电桥面板图

高压试验电压加在

CD之间，测量时只要调节

R3和C4

就可使G中的电

流为零，此时电桥达到平衡。

由电桥平衡原理有：

UCA

UCB

即：

ZCA

ZCB

（式2-1

）

UAD

UBD

ZAD

ZBD

各桥臂阻抗分别为：

ZCA

RX

ZBD

Z4

R4

ZX

1jC4R4

1jCXRX

ZAD

Z3R3

ZCB

ZN

1

jCN

将各桥臂阻抗代入式

2-？

，并使等式两边的实部和虚部分别相等，可得：

CX

R4

tg

C4

R4

（式2-2）

CN

R3

在电桥中，R4的数值取为=10000/

π=3184（Ω），电源频率ω=100π，因此：

tgδ=C4（μf）

（式2-3）

即在C4电容箱的刻度盘上完全可以将

C4的电容值直接刻度成

tgδ值（实际上是刻度成

tgδ（%）值），

便于直读。

六．仪器设备：

1

、50/5

试验装置

一套

2

、水阻

一只

3

、电压表

一只

4

、QS1电桥

一套

5

、220Kv

脉冲电容器（被试品）

一只

七．实验步骤：

⑴．首先按图2-3所示的正接线法接好试验线路；

⑵．将R3、C4以及灵敏度旋钮旋至零位，极性切换开关放在中间断开位置；

⑶．根据被试品电容量确定分流器挡位；

⑷．检查接线无误后，合上光偏式检流计的光照电源，这时刻度板上应出现一条窄光带，调节零位旋钮，

使窄光带处在刻度板零位上；

⑸．合上试验电源，升至所需试验电压；

⑹．把极性切换开关转至“+tgδ”位置的“接通Ⅰ”上；

⑺．把灵敏度旋钮旋至1或2位置，调节检流计的合频旋钮，找到检流计的谐振点，光带达到最宽度，

即检流计单挡灵敏度达到最大；

⑻．调节检流计灵敏度旋钮，使光带达到满刻度的1/3～2/3为止；

⑼．先调节R3使光带收缩至最窄，然后调节C4使光带再缩至最窄，当观察不便时，应增大灵敏度旋钮

挡（注意在整个调节过程中，光带不能超过满刻度），最后，反复调节ρ和C4并在灵敏度旋钮增至10挡（最

大挡）时，将光带收缩至最窄（一般不超过4mm），这时电桥达到平衡；

⑽．电桥平衡后，记录tgδ、R3、ρ值，以及分流器挡位和所对应的分流器电阻n，还有所用标准电容

的容量CN；

⑾．将检流计灵敏度降至零，把极性旋钮旋至关断，把试验电压降至零并关断试验电源，关断灯光电源

开关，最后将试验变压器及被试品高压端接地。

⑿．计算被试品电容量：

R4100R3

CxCN

R3n

式中，CN------标准电容的容量（50pf或100pf）

n------分流器电阻值（对应于分流器挡位，如表2-1所列）

⒀．按图2-4所示的反接线法接好试验线路（选做）；并按⑵～⑿操作步骤调节电桥，测出被试品的tg

δ值和CX值。

注意：

反接线法桥体内为高压，电桥箱体必须良好接地，电桥引出线应架空与地绝缘。

操作时注意安全。

八．实验结果：

实验测得：

tgδ=1.3%

Cx

R4

100R3

CN

n

由

R3

可求得Cx

其中CN-=50P,R4=10000/

π，R3=171Ω,ρ=0.8,n=60,

故Cx

=4206P

。

九．实验分析：

1）、实验图：

正接线反接线对角接线

2）测量介质损耗角正切值tg的意义

介质损耗角正切值又称介质损耗因数或简称介损。

测量介质损耗因数是一项灵敏度很高的试验项目，它可以

发现电力设备绝缘整体受潮、劣化变质以及小体积被试设备贯通和未贯通的局部缺陷。

例如：

某台变压器的

套管，正常tg值为0.5％，而当受潮后tg值为3.5％，两个数据相差7倍；而用测量绝缘电阻检测，受潮前

后的数值相差不大。

由于测量介质损耗因数对反映上述缺陷具有较高的灵敏度，所以在电工制造及电力设备交接和预防性试验中

都得到了广泛的应用。

变压器、发电机、断路器等电气设备的介损测试《规程》都作了规定。

3）介质损耗是表征介质交流损耗的参数（直流损耗用电导就可表征），包括电导损耗和电偶损耗；测量tgδ

值对检测大面积分布性绝缘缺陷或贯穿性绝缘缺陷较灵敏和有效，但对局部性非贯穿性绝缘缺陷却不灵敏和

不太有效。

中性介质的介质损耗主要是电导损耗，极性介质的介质损耗则由电导损耗和电偶损耗两部分组成。

4）利用西林电桥测量tgδ的结果会受到一系列外界因素的影响，主要有：

外界电磁场的干扰、温度的影响、

测试电压的影响、试品电容量的影响、试品表面泄露的影响。

十．实验总结及误差分析

在实际测量中，若忽略R3的分布电容和残余电感以及R4上的分布电容和残余电感对电路的影响，只考

虑检流计G两端对地的寄生电容C’3、C’4和泄露电阻R’3，R’4则其等效电路如图2所示。

由图2可见

将上述四个式子代入

（1）式，使等式两边的实部相等，可得到

由上式可知，QS1型高压交流平衡电桥测量介质损耗tgδ值与检流计G两端对地的寄生电容C’3、C’4

和泄露电阻R’3、R’4有关。

所以，在实际测量中，QS1型高压交流平衡电桥测量介质损耗tgδ值的

绝对误差为：

相对误差为

由于QS1型高压交流平衡电桥主要技术参数为：

额定工作电压10千伏，试品电容

寄生电容C’3、C’4又都是pF级电容，故相对误差可简化为：

由上式知，若R’4和C’4均为一定值时，C’4值越大即介质损耗

tgδ值越大，则相对误差就越大，说明

测量越不准确。

若R’4=∞和C’4=0时，不论C’4为何值即介质损耗

tgδ为任何值，则相对误差

γ=0。

因此QS1型

高压交流平衡电桥测量介质损耗

tgδ值是受到寄生电容C’3、C’4

和泄露电阻R’3

、R’4

的影响。

十一、实验感想及改进

通过实验及前面分析，由于检流计G两端对地的寄生电容

C’3、C’

4和泄露电阻R’3、R’4

的存在，QS1

型高压交流平衡电桥测量介质损耗

tgδ值就会产生误差。

为了克服寄生电容

C’3、C’4

和泄露电阻R’3、

R’4给测试带来的影响，在电桥

Z3、Z4臂的连接点D与地之间，

串接一个附加电源“

E”，如图11-1所

示。

附加电源“E”是一个与试验回路同频且可调整电压大小

（0～

2．5v）

及相位（0

～180O）的隔离

电源。

调整E使之与R3和Z4的电压降大小相等、方向相反。

这样，由于A、B两点的电位与地相等，就

可使寄生电容C’3、C’4和泄露电阻R’3、R’4的两端同电位而无电流，不再影响测试结果，消除由寄

生电容C’3、C’4所产生的误差。

图11-1克服检流计两测桥臂对地的寄生电容和泄露电阻对测量的影响

实验二．避雷器试验

一．实验目的：

了解阀型避雷器的种类、型号、规格、工作原理及不同种类避雷器的结构和适用范围，掌握阀型避雷器

电气预防性试验的项目、具体内容、试验标准及试验方法。

二．相关知识：

大气过电压、内过电压、伏秒特性、冲击耐压强度、绝缘配合、雷电流计算标准。

三．实验内容：

1．FS-10型避雷器试验

（1）．绝缘电阻检查

（2）．工频放电电压测试

2．FZ-15型避雷器试验

（1）．绝缘电阻检查

（2）．泄漏电流及非线性系数的测试

四．实验仪器设备：

1

、50/5

试验装置

一套

2

、水阻

一只

3

、高压硅堆

一只

4

、滤波电容

一只

5

、微安表

一只

6

、电压表

一只

7

、高压静电电压表

一只

8

、FS-10

型避雷器

一只

9

、FZ-15

型避雷器

一只

五．实验说明及原理：

阀型避雷器分普通型和磁吹型两类，普通型又分FS型（配电型）和FZ型（站用型）两种。

它们的作用

过程都是在雷电波入侵时击穿火花间隙，通过阀片（非线性电阻）泄导雷电流并限制残压值，在雷电过后又

通过阀片减小工频续流并通过火花间隙的自然熄弧能力在工频续流第一次过零时切断之，避雷器实际工作时

的通流时间≯10ms（半个工频周期）。

FS型避雷器的结构最简单，如图5-1所示，由火花间隙和非线性电阻

（阀片）串联组成。

FZ型避雷器的结构特点是在火花间隙上并联有均压电阻（也为非线性电阻），如图5-2

所示，增设均压电阻是为了提高避雷器的保护性能，因为多个火花间隙串联后将引起间隙上工频电压分布图

5-1FS型避雷器结构及

图5-2

FZ型避雷器

电路示意图

电路示意图

不均，并随外瓷套电压分布而变化，从而引起避雷器间隙恢复电压的不均匀及不稳定，降低避雷器熄弧能力，

同时其工频放电电压也将下降和不稳定。

加上均压电阻后，工频电压将按电阻分布，从而大大改善间隙工频

电压的分布均匀度，提高避雷器的保护性能。

非线性电阻的伏安特性式为：

U=CIα，其中C为材料系数，α

即为非线性系数（普通型阀片的α≈0.2、磁吹型阀片的α≈0.24、FZ型避雷器因均压电阻的影响，其整体

α≈0.35～0.45），其伏安特性曲线如图5-3所示。

可见流过非线性电阻的电流越大，其阻值越小，反之其阻

值越大，这种特性对避雷器泄导雷电流并限制残压，减小并切断工频续流都很有利。

另外，FS型避雷

图5-3非线性电阻的伏安特性曲线

器的工作电压较低（≤10kv），而FZ型避雷器工作电压可做到220kv。

FZ型避雷器中的非线性电阻（均压

电阻和阀片）的热容量较FS型为大，因其工作时要长期流过工频漏电流（很小、微安级）。

磁吹型避雷器有

FCZ型（电站用）和FCD型（旋转电机用）两种，其结构与FZ型相似，间隙上都有均压电阻，只是磁吹型

避雷器采用磁吹间隙，并配有磁场线圈和辅助间隙。

由于以上结构上的不同，所以对FS型和FZ（FCZ、FCD）

型避雷器的预防性试验项目和标准都有很大的不同。

根据《电力设备预防性试验规程》，对FS型避雷器主要应做绝缘电阻检查和工频放电电压试验，对FZ（及

FCZ、FCD）型避雷器则应做绝缘电阻检查和直流泄漏电流及非线性系数的测试。

只有在其解体检修后才要

求做工频放电电压试验（需要专门设备）。

避雷器其它的预防性试验还包括底座绝缘电阻的检查、放电计数器

的检查及瓷套密封性检查等。

避雷器试验应在每年雷雨季节前及大修后或必要时进行。

绝缘电阻的检查应采用电压≥2500v及量程≥

2500MΩ的兆欧表。

要求对于FS型避雷器绝缘电阻应不低于2500MΩ；FZ（FCZ、FCD）型避雷器绝缘电

阻与前次或同类型的测试值比较，不应有明显差别。

FS型避雷器的工频放电电压试验的合格值如表5-1所列。

表5-1FS型避雷器的工频放电电压值：

额定电压（kv）

3

6

10

工频放电电压

大修后

9～11

16～19

26～31

（kv）

运行中

8～12

15～21

23～

33

FZ型避雷器的直流泄漏电流及非线性系数的测试的试验电压及电导电流值如表

5-2所列，所测泄漏电流

值还应与历年数据相比较，不应有显著变化，同相元件电导电流差值不应大于

30%。

表5-2FZ型避雷器的直流泄漏试验电压及电导电流值：

额定电压（kv）

3

6

10

15

20

30

40

U1

--

--

--

8

10

12

16

试验电压（kv）

4

6

10

16

20

24

32

U2

U2时电导电流（μA）

450～

400～600

650

电导电流差值按式

5-1计算：

I%

ImaxImin100%

Imax

（式5-1）

非线性系数按式5-2计算：

U2

log

（式5-2）

logI2

I1

同相组合元件的非线性系数差值不应大于0.05。

六．实验接线：

图4-4绝缘电阻测试接线图图4-5FS型避雷器工频放电实验接线图

（a）微安表接在避雷器处（b）微安表接在试验变压器尾端

图4-6FZ型避雷器工频放电实验接线图

七．实验步骤：

1．FS-10型避雷器试验

（1）．绝缘电阻检查

测试接线如图4-4所示，测试前应把避雷器表面清洁干净，检查有无外伤，两端头有无松动及锈蚀。

测

试时避雷器应竖放，先检查兆欧表的零位和最大偏转位，然后夹好接线，以120转/分的速度匀速摇转兆欧表，

读取稳定的读数；为消除表面泄露的影响，可做一屏蔽环并接于兆欧表的G端，使表面泄露不影响读数。

所测得的绝缘电阻如果小于2500MΩ，可能是避雷器瓷套密封不良引起内部受潮所至。

（2）．工频放电电压测试

测试接线如图4-5所示，试验电路中应设保护电阻R，用来限制击穿放电时的放电电流，要求将此电流

幅值限制到0.7A以下，以避免放电烧坏火花间隙；控制电路应设电流速断保护，要求间隙放电后在0.5s内

切断电源。

电压测量可在低压侧进行，并通过变比折算出高压侧电压，试验步骤：

①检查接线正确后，接通电源；

②合上高压试验开关，匀速升压（≈2kv/s），直至避雷器击穿放电，并记录此时的电压值，然后将调压

器电压降至零，断开高压试验开关；

③重复步骤②三次，每次间隔时间不小于1min，取三次放电电压平均值为此避雷器的工频放电电压；

④切断电源。

2．FZ-15型避雷器试验

（1）．绝缘电阻检查

测试方法与测FS型避雷器绝缘电阻时相同，所不同的是因FZ型避雷器火花间隙上并联有均压电阻，故

所测得的值比FS型要小得多。

规程中没有规定具体数值，但必须做相对比较。

如果与前次比较明显偏小，则

可能是避雷器瓷套密封不良引起内部受潮；如果明显增大，则可能是避雷器均压电阻接触不良或断裂所至。

（2）．泄漏电流及非线性系数的测试

测试接线如图4-6所示，注意高压硅堆的方向应使试验电压呈负极性，要求试验电压的脉动系数不大于

±1.5%，一般是在回路上并接0.01～0.1μf的滤波电容C，保护电阻R应使避雷器放电时的放电电流不大于

硅堆最大允许电流，应直接测量加在避雷器上的试验电压（一般用静电电压表测量），测量准确度应在3级或

以上，电导电流可在图中A、B、C三处测量，以A处为优选，注意在C处测量时除避雷器外的其它试验设

备的接地端应接于试验变压器的X端，并空升一次以检查其它泄露情况。

电流测量准确度应在0.5级或以上，

试验步骤：

①检查接线正确后，接通电源；

②合上高压试验开关，匀速升压（≈2kv/s）至U1，记录此时的电导电流（I1），然后继续匀速升压至

U2，

并记录此时的电导电流（

I2），完毕后将电压降至零，断开高压试验开关，切断电源；

③放电，对滤波电容。

一般先通过电阻放电，然后再直接放电并挂上接地线。

八．实验结论及分析

实验数据：

1．FS-10

型避雷器试验中绝缘电阻为10000M

Ω，工频电压测试结果为

30KV

2