變壓器介質(zhì)損耗測試儀流體排出法

電橋在使用過程中，靈敏度直接影響電橋平衡的分辨程度，為保證測量準(zhǔn)確度，希望電橋靈敏度達到一定的水平。通常情況下電橋靈敏度與測量電壓，標(biāo)準(zhǔn)電容量成正比。在下面的計算公式中，用戶可根據(jù)實際使用情況估算出電橋靈敏度水平，在這個水平上的電容與介質(zhì)損耗因數(shù)的微小變化都能夠反應(yīng)出來。

在電容率近似等于試樣的電容率，而介質(zhì)損耗因數(shù)可以忽略的一種液體內(nèi)進行測量，這種測量與試 樣厚度測量的精度關(guān)系不大。當(dāng)相繼采用兩種流體時，試樣厚度和電極系統(tǒng)的尺寸可以從計算公式中 消去.

 試樣為與試驗池電極直徑相同的圓片，或?qū)y微計電極來說，試樣可以比電極小到足以使邊緣效應(yīng) 忽略不計。在測微計電極中，為了忽略邊緣效應(yīng)，試樣直徑約比測微計電極直徑小兩倍的試樣厚度’

5. 1.2.3 邊緣效應(yīng)

為了避免邊緣效應(yīng)引起電容率的測量誤差，電極系統(tǒng)可加上保護電極。保護電極的寬度應(yīng)至少為 兩倍的試樣厚度，保護電極和主電極之間的間隙應(yīng)比試樣厚度小。假如不能用保護環(huán)，通常需對邊緣電 容進行修正，表1給出了近似計算公式。這些公式是經(jīng)驗公式，只適用于規(guī)定的幾種特定的試樣形狀。

此外，在一個合適的頻率和

1— —溫度計插孔s

2— —絕緣子s

3— —過剩液體溢流的兩個出口 0

圖3測■液體的兩電極試驗池示例1——溫度計插孔《

2 1 mm厚的金屬板彳

本電橋的環(huán)境溫度為20±5℃，相對濕度為30％－80％條件下，應(yīng)滿足下列表中的技術(shù)指示要求。

  在Cn＝100pF    R4＝3183.2（W）（即10K/π）時

    測量項目       測量范圍             測量誤差               

    電容量Cx       40pF--20000pF      ±0.5%  Cx±2pF     

    介質(zhì)損耗tgd      0～1              ±1.5％tgdx±0.0001

    在Cn＝100pF      R4＝318.3（W）（即1K/π）時

    測量項目       測量范圍             測量誤差               

    電容量Cx       4pF--2000pF      ±0.5%  Cx±3pF     

    介質(zhì)損耗tgd      0～0.1          ±1.5％tgdx±0.0001

3——石英玻璃&

4 1 mm或2 mm的間隙；

5——溫度計插孔。

圖4液體測量的平板兩電極試驗池

附錄A

（資料性附錄）
儀 器

A. 1西林電橋

A. 1. 1概述

西林電橋是測量電容率和介質(zhì)損耗因數(shù)的經(jīng)典的裝置.它可使用從低于工頻（50 Hz?60 Hz） 直至100 kHz的頻率范圍，通常測定50 pF?1 000 pF的電容（試樣或被試設(shè)備通常所具有的電容）。

這是一個四臂回路（圖A.l）o其中兩個臂主要是電容（未知電容役和一個無損耗電容另外 兩臂（通常稱之為測量臂）由無感電阻R和R組成，電阻死 在未知電容Cx的對邊上，測量臂至少被 一個電容G分流。一般地說，電容G和兩個電阻R和死 中的一個是可調(diào)的，

如果采用電阻艮和（純）電容Cs的串聯(lián)等值回路來表示電容Cx,則圖A. 1所示的電橋平衡時 導(dǎo)出：

Cs = Cn ?  （ A* 1 ）

和 tan（5x =（V Cs^s — } R  （ A. 2 ）

如果電阻R被一個電容G分流，則姑渺的公式變?yōu)椋?/p>

tan^x = Ci-Ri —— （ A. 3 ）

由于頻率范圍的不同，實際上電橋構(gòu)造會有明顯的不同&例如一個50 pF?1 000 pF的電容在 50 Hz時的阻抗為60 MC?3 MQ,在100 kHz時的阻抗為3 000 Q?1 500

頻率為100 kHz時，橋的四個臂容易有相同數(shù)量級的阻抗，而在50 Hz?60 Hz的頻率范圍內(nèi)則是 不可能的。因此，出現(xiàn)了低頻和（相對）高頻兩種不同形式的電橋。

A. 1.2低頻電橋

一般為高壓電橋，這不僅是由于靈敏度的緣故，也因為在低頻下正是高電壓技術(shù)特別對電介質(zhì)損耗 關(guān)注的問題.電容臂和測量臂兩者的阻抗大小在數(shù)量級上相差很多，結(jié)果，絕大部分電壓都施加在電容 Cx和Cn上，使電壓分配不平衡。上面給出的電橋平衡條件只是當(dāng)?shù)蛪涸Ω邏涸帘螘r才成 立。同時，屏蔽必須接地，以保證平衡穩(wěn)定。如圖A. 2所示。屏蔽與使用被保護的電容G和*是一 致的，這個保護對于CN來說是必不可少的。

由于選擇不同的接地方法，實際上形成了兩類電橋。

A. L2. 1帶屏蔽的簡單西林電橋

橋的B點（在測量臂邊的電源接線端子）與屏蔽相連并接地。

屏蔽能很好地起到防護高壓邊影響的作用，但是增加了屏蔽與接到測量臂接線端M和N的各根 導(dǎo)線之間電容，此電容承受跨接測量臂兩端的電壓，這樣會引入一個通常使姑溫的測量精度限于 0.1%數(shù)量級的誤差，當(dāng)電容公和言不平衡時尤為顯著。

A. 1.2. 2帶瓦格納（Wagner）接地電路的西林電橋

圖A.2示出了使電橋測量臂接線端與屏蔽電位相等的方法,這種方法是通過使用外接輔助橋臂 Za、ZN瓦格納接地電路），并使這兩個輔助橋臂的中間點P接到屏蔽并接地。調(diào)節(jié)輔助橋臂（實際為 ZQ以使在ZA和Ze上的電壓分別與電橋的電容臂和測量臂兩端的電壓相等。顯然，這個解決方法包 括兩個橋即主橋AMNB和輔橋AMPB（或ANPB）同時平衡。通過檢測器從一個橋轉(zhuǎn)換到另一個橋逐 次地逼近平衡而終達到二者平衡，用這種方法精度可以提高一個數(shù)量級，這時，實際上該精度只決定 于電橋元件的精密度。

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必須指出，只有當(dāng)電源的兩端可以對地絕緣時才使用上述特殊的解決方法。如果不可能對地絕緣, 則必須使用更復(fù)雜的裝置（雙屏蔽電橋）.

A. 1.3高頻西林電橋

這種電橋通常在中等的電壓下工作，是比較靈活方便的一種電橋；通常電容CN是可變的（在高壓 電橋中電容通常是固定的），比較容易采用替代法。

由于不期望電容的影響隨頻率的增加而增加，因此仍可有效使用屏蔽和瓦格納接地線路。

A. 1.4關(guān)于檢測器的說明

當(dāng)西林電橋的B點接地時，必須避免檢測器的不對稱輸入（這在電子設(shè)備中是常有的）。

然而這樣的檢測器只要接地輸入端總是連接于P點，就能與裝有瓦格納接地線路的電橋一起 使用。

A.2 變壓器電橋（電感比例臂電橋）

A.2. 1概述

這種電橋的原理比西林電橋簡單。其結(jié)構(gòu)原理見圖A. 3O

當(dāng)電橋平衡時，復(fù)電抗厶和Zm之間的比值等于電壓矢量LA和耳 間的比值。如果電壓矢量的比 值是已知的，便可從已知的Zm推導(dǎo)出Z"在理想電橋中比例UJU2是一個系數(shù)K,這樣Zk = KZm, 實際上Zm的幅角直接給出汲，

變壓器電橋比西林電橋有很大的優(yōu)點，它允許將屏蔽和保護電極直接接地且不需要附加的輔助 橋臂。

這種電橋可在從工頻到數(shù)十MHz的頻率范圍內(nèi)使用,比西林電橋使用的頻率范圍寬，由于頻率 范圍的不同，橋的具體結(jié)構(gòu)也不相同.

A.2.2低頻電橋

通常是一個高壓電橋（更精密，電壓頃 是高壓，以是中壓），這種電橋的技術(shù)與變壓器的技術(shù)有關(guān)。 可采用兩類電源：

1） 電源電壓直接加到一個繞組上，另一個繞組則起變壓器次級繞組的作用。

2） 將電源加到初級繞組上（見圖A.3）,而電橋的兩個繞組是由兩個分開的次級線路組成或是由 一個帶有中間抽頭能使獲得電壓，和以 的次級繞組組成.

與所有的測量變壓器一樣，電橋存在誤差（矢量比U} /U2與其理論值之間的差兒 這種誤差隨負載 而變化，尤其是Ui和以之間的相位差，它會直接影響ta海的測量值。

因此，必須對電橋進行校正，這可以用一個無損耗電容Cn（與在西林電橋中使用的相似）代替Zx進 行.如果d與a的值相同，這實際上是替代法，測試前應(yīng)校正。但由于&很少是可調(diào)的，因此負載 的變化對公不再有效。電橋在恒定負載下工作是可能的，如圖A. 4所示：當(dāng)測量嵐時，用一個轉(zhuǎn)換開 關(guān)把6接地，反之亦然。這時對于高壓繞組來說兩個負載的總和是恒定的。（嚴格地說，低壓邊也應(yīng) 該用一個相似的裝置，但由于連在低壓邊的負載很小，盡管采用這樣處理很容易，但意義小。）

另外，若用并聯(lián)在電壓上的一個純電容*校正時，承受電壓以 的測量阻抗Zm組成如下：

1） 如果以 和，是同相的（理想情況），則用一個純電容Cm組成。

2） 如果U2超前Un則用一個電容Cm和一個電阻Rm組成。

3） 如果以滯后于Un則電阻Rm應(yīng)變成負的。這就是說，為了重新建立平衡必須在U] 一邊并 人一個電阻形成電流分量，其實并不存在適用于高壓的可調(diào)高電阻，因此通常阻性電流分量 是用一個輔助繞組來獲得的，這個輔助繞組提供一個與U]同相的低電壓圖A. 5）。

注：不可在d上串接一個電阻。因為如果將電阻接在電容器后面會破壞Cn測量極和保護極間的等電位；如果將 電阻接到前面的高壓導(dǎo)線上，則電阻（內(nèi)）電流也將包括保護電路的電流，這就可能無法校正。

這些論述同樣適用于上述第二種情況的電阻Rm。但在低壓邊容易將三個電阻R、足 和F以星形聯(lián)接來

變壓器介質(zhì)損耗測試儀式中：

AChCh的增量。

在50 kHz到50 MHz的頻率范圍內(nèi)能方便地設(shè)計這種網(wǎng)絡(luò)，這種網(wǎng)絡(luò)也容易有效地屏蔽。但其缺 點是平衡隨頻率的變化太靈敏，以致于電源頻率的諧波很不平衡。為了能拓寬頻率范圍，必須改變或換 接電橋元件，在較高頻率下接線和開關(guān)阻抗（若使用開關(guān)時）會引入很大的誤差。

A* 4諧振法（Q表法）

諧振法或Q表法是在10 kHz到260 MHz的頻率范圍內(nèi)使用。它的原理是基于在一個諧振電路 中感應(yīng)一個已知的弱小電壓時，測量在該電路出現(xiàn)的電壓。圖A. 8表示這種電路的常用形式，在線路 中通過一個共用電阻R將諧振電路耦合到振蕩器上，也可用其他的耦合方法。

操作程序是在規(guī)定的頻率下將輸入電壓或電流調(diào)節(jié)到一個已知值，然后調(diào)節(jié)諧振電路達到大諧 振，觀察此時的電壓U八 然后將試樣接到相應(yīng)的接線端上，再調(diào)節(jié)可變電容器使電路重新諧振，觀察新 的電壓S的值。

在接入試樣并重新調(diào)節(jié)線路時，只要見圖A. 8）其總電容幾乎保持不變。試樣電容近似于 △G即是可變電容器電容的變化量。

試樣的損耗因數(shù)近似為：

"泌& 余（*一￡）  A.9）

式中：

G——電路中的總電容，包括電壓表以及電感線圈本身的電容；

Q】、Q°——分別為有無試樣聯(lián)接時的Q值。

測量誤差主要來自兩臺指示器的標(biāo)定刻度以及在連線中尤其是在可變電容器和試樣的連線中所引 入的阻抗。對于高的損耗因數(shù)值的條件可能不成立，此時上面引出的近似公式不成立.

A.5變電納法（變電抗法）

圖1所示的測微計電極系統(tǒng)是哈特遜（Hartshorn）改進的，被用于消除在高頻下因接線和測量電容 器的串聯(lián)電感和串聯(lián)電阻對測量值產(chǎn)生的誤差。在這樣的系統(tǒng)中，是由于在測微電極中使用了一個與 試樣連接的同軸回路，不管試樣在不在電路中，電路中的電感和電阻總是相對地保持恒定。夾在兩電極 之間的試樣，其尺寸與電極尺寸相同或小于電極尺寸，除非試樣表面和電極表面磨得很平整，否則在試 樣放到電極系統(tǒng)里之前,必須在試樣上貼一片金屬箔或類似的電極材料。在試樣抽出后，調(diào)節(jié)測微計電 極，使電極系統(tǒng)得到同樣的電容。

按電容變化仔細校正測微計電極系統(tǒng)后，使用時則不需要校正邊緣電容、對地電容和接線電容。其 缺點是電容校正沒有常規(guī)的可變多層平板電容器那么精密且同樣不能直接讀數(shù)。

在低于1MHz的頻率下，可忽略接線的串聯(lián)電感和電阻的影響，測微計電極的電容校正可用與測 微計電極系統(tǒng)并聯(lián)的一個標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容來校正，

在接和未接試樣時電容的變化量是通過這個電容器來測得。

在測微計電極中，次要的誤差來源于電容校正時所包含的電極的邊緣電容，此邊緣電容是由于插入 一個與電極直徑相同的試樣而稍微有所變化,實際上只要試樣直徑比電極直徑小2倍試樣厚度，就可 消除這種誤差。

首先將試樣放在測微計電極間并調(diào)節(jié)測量電路參數(shù)。然后取出試樣，調(diào)節(jié)測微計電極間距或重新 調(diào)節(jié)標(biāo)準(zhǔn)電容器來使電路的總電容回到初始值。

按表2計算試樣電容C吳

損耗因數(shù)為：

也響=（七云"  （a.io）

式中：

△G——接入試樣后，在諧振的兩側(cè)當(dāng)檢測器輸入電壓等于諧振電壓的也/2時可變電容器

（圖1）的兩個電容讀數(shù)之差。

△G—在除去試樣后與上述相同情況下的兩電容讀數(shù)差.

值得注意的是在整個試驗過程中試驗頻率應(yīng)保持不變。

注；貼在試樣上的電極的電阻在髙頻下會變得相當(dāng)大，如果試樣不平整或厚度不均勻，將會引起試樣損耗因數(shù)的明 顯增加。這種變得明顯起來的頻率效應(yīng)，取決于試樣表面的平整度，該頻率也可低到10 MHzt因此，必須在 io MHg及更高的頻率下，且沒有貼電極的試樣上做電容的損耗因數(shù)的附加測量，假設(shè)Cw和tan<5w為不貼電 極的試樣的電容和損耗因數(shù)，則計算公式為：

tanB = ^-tan^w  （ A. 11 ）

Cw

式中：

Cw-…帶電極的試樣電容。

A. 6屏蔽

在一個線路兩點之間的接地屏蔽，可消除這兩點之間的所有的電容，而被這兩個點的對地電容所代 替，因此，導(dǎo)線屏蔽和元件屏蔽可任意運用在那些各點對地的電容并不重要的線路中；變壓器電橋和帶 有瓦格納接地裝置的西林電橋都是這種類型的電路。

從另一方面來說,在采用替代法電橋里，在不管有沒有試樣均保持不變的線路部分是不需要屏 蔽的。

實際上，在電路中將試樣、檢測器和振蕩器的連線屏蔽起來。并盡可能將儀器封裝在金屬屏蔽里, 可以防止觀察者的身體（可能不是地電位或不固定）與電路元件之間的電容變化.

對于100 kHz數(shù)量級或更高的頻率，連線應(yīng)可能短而粗，以減小自感和互感；通常在這樣的頻率下 即使一個很短的導(dǎo)線其阻抗也是相當(dāng)大的，因此若有幾根導(dǎo)線需要連接在一起，則這些導(dǎo)線應(yīng)盡可能的 連接于一點。

如果使用一個開關(guān)將試樣從電路上脫開，開關(guān)在打開時它的兩個觸點之間的電容必須不引入測量 誤差，在三電極測量系統(tǒng)中，要做到這點，可以在兩個觸點間接入一個接地屏蔽，或是用兩個開關(guān)串聯(lián), 當(dāng)這兩個開關(guān)打開時，將它們之間的連線接地，或?qū)⒉唤拥厍姨幱跀嚅_狀態(tài)的電極接地。

A.7電橋的振蕩器和檢測器

A. 7, 1交流電壓源

滿足總諧波分量小于1%的電壓和電流的任一電壓源。

A.7.2檢測器

下列各類檢測器均可使用，并可以帶一個放大器以增加靈敏度：

1） 電話（如需要可帶變頻器）；

2） 電子電壓表或波分析器；

3） 陰極射線示波器；

4） “電眼”調(diào)節(jié)指示器；

5） 振動檢流計（僅用于低頻）。

在電橋和檢測器中間需加一個變壓器，用它來匹配阻抗或者因為電橋的一輸出端需接地。

諧波可能會掩蓋或改變平衡點，調(diào)節(jié)放大器或引入一個低通濾波器可防止該現(xiàn)象。對測量頻率的 二次諧波有40 dB的分辨率是合適的，

A.8頻率范圍

 1西林電橋電路圖

具有瓦格納(Wagner)接地電路的西林電橋變壓器電橋，恒載校正虛線：與Cm并聯(lián)形成一個高電阻（當(dāng)A超前于11時）變壓器電橋，當(dāng)既滯后于V時的補償（用繞組仏）檢測器并聯(lián)T型網(wǎng)絡(luò)的電路原理圖并聯(lián)T型網(wǎng)絡(luò)的實際線路圖諧振法的電路圖