高壓自動介電常數測量儀（介質損耗試驗機）—實驗原理

按照物質電結構的觀點，任何物質都是由不同的電荷構成，而在電介質中存在原子、分子和離子等。當固體電介質置于電場中后會顯示出一定的極性，這個過程稱為極化。對不同的材料、溫度和頻率，各種極化過程的影響不同。

1、介電常數(ε)：某一電介質(如硅酸鹽、高分子材料)組成的電容器在一定電壓作用下所得到的電容量C與同樣大小的介質為真空的電容器的電容量C之比值，被稱為該電介質材料的相對介電常數。

式中：C—電容器兩極板充滿介質時的電容；

Cο—電容器兩極板為真空時的電容；

ε—電容量增加的倍數，即相對介電常數

介電常數的大小表示該介質中空間電荷互相作用減弱的程度。作為高頻絕緣材料，ε要小，特別是用于高壓絕緣時。在制造高電容器時，則要求ε要大，特別是小型電容器。

在絕緣技術中，特別是選擇絕緣材料或介質貯能材料時，都需要考慮電介質的介電常數。此外，由于介電常數取決于極化，而極化又取決于電介質的分子結構和分子運動的形式。所以，通過介電常數隨電場強度、頻率和溫度變化規律的研究，還可以推斷絕緣材料的分子結構。

2．介電損耗(tgδ)：指電介質材料在外電場作用下發熱而損耗的那部分能量。在直流電場作用下，介質沒有周期性損耗，基本上是穩態電流造成的損耗；在交流電場作用下，介質損耗除了穩態電流損耗外，還有各種交流損耗。由于電場的頻繁轉向，電介質中的損耗要比直流電場作用時大許多(有時達到幾千倍)，因此介質損耗通常是指交流損耗。

在工程中，常將介電損耗用介質損耗角正切tgδ來表示。tgδ是絕緣體的無效消耗的能量對有效輸入的比例，它表示材料在一周期內熱功率損耗與貯存之比，是衡量材料損耗程度的物理量。

tg

式中：ω—電源角頻率；

R—并聯等效交流電阻；

C—并聯等效交流電容器

凡是體積電阻率小的，其介電損耗就大。介質損耗對于用在高壓裝置、高頻設備，特別是用在高壓、高頻等地方的材料和器件具有特別重要的意義，介質損耗過大，不僅降低整機的性能，甚至會造成絕緣材料的熱擊穿。

3、Q值：tgδ的倒數稱為品質因素，或稱Q值。Q值大，介電損失小，說明品質好。所以在選用電介質前，必須首先測定它們的ε和tgδ。而這兩者的測定是分不開的。

通常測量材料介電常數和介質損耗角正切的方法有二種：交流電橋法和Q表測量法，其中Q表測量法在測量時由于操作與計算比較簡便而廣泛采用。本實驗主要采用的是Q表測量法。

Q表的測量回路是一個簡單的R—L—C回路，如圖1所示。當回路兩瑞加上電壓V后，電容器C的兩端電壓為Vc，調節電容器C使回路諧振后，回路的品質因數Q就可以用下式表示：

式中：L—回路電感；

R—回路電阻；

Vc—電容器C兩端電壓；

V—回路兩端電壓；

圖1 Q表測量原理圖

由上式可知，當輸入電壓V不變時，則Q與Vc成正比。因此在一定輸入下，Vc值可直接標示為Q值。Q值表即根據這一原理來制造。

4、STD－A陶瓷介質損耗角正切及介電常數測試儀：它由穩壓電源、高頻信號發生器、定位電壓表CBl、Q值電壓表CB2、寬頻低阻分壓器以及標準可調電容器等組成(圖2)。工作原理如下：高頻信導發生器的輸出信號，通過低阻抗耦合線圈將信號饋送至寬頻低阻抗分壓器。輸出信號幅度的調節是通過控制振蕩器的簾柵極電壓來實現。當調節定位電壓表CBl指在定位線上時，Ri兩端得到約l0mV的電壓(Vi)。當Vi調節在一定數值(10mV)后，可以使測量Vc的電壓表CB2直接以Q值刻度，即可直接的讀出Q值，而不必計算。

圖2 Q表測量電路圖

經推導(1) 介電常數：

(1)

式中：C1—標準狀態下的電容量；

C2—樣品測試的電容量；

d—試樣的厚度(cm)；

Φ—試樣的直徑(cm)；

(2) 介質損耗角正切：

(2)

式中：Q1—標準狀態下的Q值；

Q2—樣品測試的Q值；

(3) Q值：

(3)

高壓自動介電常數測量儀（介質損耗試驗機）—傳統的介質測量方法

(一)電橋法

電橋法是介損測量領域長期采用的一種方法，而傳統的測量方法主要就是指西林電橋 法。分析來看，當前流行的電橋分西林型高壓電橋和電流比較儀型高壓電橋。其中最為典型 的要數西林電橋，所謂的電橋法也即西林電橋法。西林電橋屬于比較同類阻抗元件的電橋， 它的標準阻抗和被測阻抗都是電容器。在強高壓下進行高精度的介損測量是西林電橋的突出 優勢，倘若采取特殊的措施甚至可以在強磁干擾下進行頗高精度的測量；而電流比較儀型高 壓電容電橋的原理是用變壓器的比例臂代替普通的阻抗臂，以提高測量的準確度，如若配以 專門的輔助電路，可以實現自動平衡電橋。

西林電橋法的測量原理是用標準電容和電阻將測試品進行比較性的模擬測量。因為它的 模擬電路較為復雜，對元器件的要求比較高。隨著電力電子技術和計算機技術的快速發展， 數字化測量方法逐漸取代弊端較多的模擬方法，其原理是利用傳感器從試驗品上取得電壓和 電流信號，經預處理后再進行數字化，之后輸至計算單元，算出相位差，最后得到測量值。 由于利用了計算機技術，使得模擬電路結構簡化，提高了儀器的性能。目前許多裝置就是基 于此原理，像 PSC 型介質損耗自動測量儀，即為利用電流比較儀線路進行平衡的，采用這 一裝置能夠達到很高的測量精度。

(二)伏安法

伏安法是常用也是成熟的一種傳統方法，其工作原理是借助被測試品的端電壓向量 和流過被測試品電流向量之比，得到被測試品的阻抗向量，根據 Zx 的實部和虛部，進一步 計算求得介質損耗值 tgδ。這種測量方法在精密計算機引入后進一步得到更新完善，基于 測量系統的不斷升級，測量數據的處理效率大大提高，而且精準度也得到保證。電力電子技術的滲入使介質損耗測量技術進入一個新時代。

二、過零點時差比較法

過零點時差比較法是數字化測量介質損耗中較早采用并且效果明顯的一種方法。其主要 原理是通過比較施加于介質上的電壓 U 和電流 I 的過零時刻兩個值，求得兩個值之間的相位 差，從而求得介質損耗角。與此同時，再用脈沖技術求得兩個值的值差。若計數器顯示的脈 沖數為 n，而計數器的頻率為 f,則△t=n/f,測量裝置對損耗角的分辨率也就是 2л/Tf。由 此可見，只要計數器頻率足夠高，就可以保證較高的分辨率。過零點時差比較法的優點在于 測量的分辨率高，容易數字化處理，其缺點是極易受諧波干擾，導致測量數值不準，這也是過零點時差比較法使用程度不高的主要原因

三、諧波分析法

諧波分析法的工作程序是首先由波形采集裝置u 和i 的時域波形同步地轉換為數字波形并存儲，然后計算機將兩個數字波形調入內存，用離散傅立葉變換出兩個信號的基波，最后 由特定的換算公式求出絕緣介質損耗角和等值電容。諧波分析法的關鍵步驟是基于傅立葉變換作等量，考慮到三角函數的正交性，傅立葉變換求解電壓和電流的基波是不受高次諧波的影響，也不會受儀器電子電路所產生的零漂影響，因此可以達到比較高的穩定性和測量精準度。

然而，諧波分析法的軟肋也是很明顯的。由于現實中電網頻率的不穩定與采樣誤差，極 為容易造成對采樣信號作 DFT 時出現偏差，數據不真實影響最終測量結果，因此又多出了 一道消除偏差的程序，從而增加了麻煩。

四、異頻電源法

異頻電源法是一種全新的抗干擾方法。其原理是在介質損耗測量中測試電源頻率偏離干 擾電源頻率，通過頻率識別或濾波技術排除干擾電源的影響。實際上 tgδ是隨著頻率的變 化而變化的，這就出現了不同頻率下的介質損耗測量結果的等同性問題。異頻電源頻率不能 偏離工頻太遠，否則測量結果與工頻下的損耗值失去等同性；但也不能偏離太近，否則又會 增大頻率分辨的難度，同樣會造成較大的誤差。技術層面上看，將異頻頻率和工頻頻率分辨 開來可以采用 DFT。理論上只要滿足同步采樣條件，DFT 就不會出現泄漏效應，也就意味 著可以準確地將異頻電源頻率所對應的頻譜抽取出來，從而得到該頻率波的初相位。

不過，同樣由于電網頻率的不穩定性，加之同步采樣環節存在的某些誤差，自然會造成 對采樣信號作 DFT 時出現較大的誤差，所以在對信號作 DFT 時應該去針對性的措施來消弭 誤差，確保測量的 tgδ精準度。