变频式介质损耗测试仪工作原理

介质损耗测试仪?工作原理
在交流电压作用下，电介质要消耗部分电能，这部分电能将转变为热能产生损耗。这种能量损耗叫做电介质的损耗。当电介质上施加交流电压时，电介质中的电压和电流间存在相角差Ψ，Ψ的余角δ称为介质损耗角，δ的正切tgδ称为介质损耗角正切。tgδ值是用来衡量电介质损耗的参数。仪器测量线路包括一标准回路（Cn）和一被试回路（Cx），如图1所示。标准回路由内置高稳定度标准电容器与测量线路组成，被试回路由被试品和测量线路组成。测量线路由取样电阻与前置放大器和A／D转换器组成。通过测量电路分别测得标准回路电流与被试回路电流幅值及其相位等，再由单片机运用数字化实时采集方法，通过矢量运算便可得出试品的电容值和介质损耗正切值。
仪器内部已经采用了抗干扰措施，保证在外电场干扰下准确测量。
测量电路：傅立叶变换、复数运算等全部计算和量程切换、变频电源控制等。
控制面板：打印机、键盘、显示和通讯中转。
变频电源：采用SPWM开关电路产生大功率正弦波稳压输出。
升压变压器：将变频电源输出升压到测量电压，大无功输出2KVA/1分钟。
标准电容器：内Cn，测量基准。
Cn电流检测：用于检测内标准电容器电流，10μA～1A。输入电阻＜2Ω。
Cx正接线电流检测：只用于正接线测量，10μA～1A。输入电阻＜2Ω。
Cx反接线电流检测：只用于反接线测量，10μA～1A。输入电阻＜2Ω。
反接线数字隔离通讯：采用精密MPPM数字调制解调器，将反接线电流信号送到低压侧。隔离电压20KV。
2. 工作原理
启动测量后高压设定值送到变频电源，变频电源用PID算法将输出缓速调整到设定值，测量电路将实测高压送到变频电源，微调低压，实现准确高压输出。根据正/反接线设置，测量电路根据试验电流自动选择输入并切换量程，测量电路采用傅立叶变换滤掉干扰，分离出信号基波，对标准电流和试品电流进行矢量运算，幅值计算电容量，角差计算tgδ。反复进行多次测量，经过排序选择一个中间结果。测量结束，测量电路发出降压指令变频电源缓速降压到0。
测量方式及原理
按被测试品是否接地分两种测量方式，即正接线测量方式和反接线测量方式。两种测量方式的原理如图一所示：
 
在高压电源的10kV侧，高压分两路，一路给机内标准电容CN，此电容介损非常小，可以认为介损为零，即为纯容性电流，此电流ICN 可做为容性电流基准。在Cx试品一侧，试品电流Icx通过采样电阻R采入机内，此Icx可分解成水平分量和垂直分量见图二所示，通过计算水平分量与垂直分量的比值即可得到tgδ值。
在图一（a）中Cx为非接地试品，试品电流Icx从试品末端进入采样电阻R，得到全电流值，在图一（b）中Cx为接地试品，机内Cx端直接接地，电流Icx从试品高压端到机内采样电阻取得全电流值。
介质损耗计算公式
电介质在恒定电场作用下，介质损耗的功率为
W=U2/R=（Ed）2S/ρd=σE2Sd
定义单位体积的介质损耗为介质损耗率为
ω=σE2
在交变电场作用下，电位移D与电场强度E均变为复数矢量，此时介电常数也变成复数，其虚部就表示了电介质中能量损耗的大小。
 
D，E，J之间的相位关系图
如图所示，从电路观点来看，电介质中的电流密度为
J=dD/dt=d（εE）/dt=Jτ+iJe
式中Jτ与E同相位。称为有功电流密度，导致能量损耗；Je，相比较E超前90°，称为无功电流密度。
定义
tanδ=Jτ/Je=ε〞/εˊ
式中，δ称为损耗角，tanδ称为损耗角正切值。
损耗角正切表示为获得给定的存储电荷要消耗的能量的大小，是电介质作为绝缘材料使用时的重要评价参数。为了减少介质损耗，希望材料具有较小的介电常数和更小的损耗角正切。损耗因素的倒数Q=（tanδ）-1在高频绝缘应用条件下称为电介质的品质因素，希望它的值要高。
tanδ被称为介质损耗角的正切，它是交流电压下电介质中的有功分量和无功分量的比值，是一个无量纲的数，反应的是电介质内单位体积中能量损耗的大小。
介质损耗

介质损耗与外施电压、电源频率、介质电容C和介质损耗因数tanδ成正比。但是用介质损耗P表示介质品质的优劣是不方便的，因为，P值和试验电压、介质尺寸（形状、大小、厚度等）等因素有关，不同设备间难以互相比较，因此也不能准确的反映电介质的绝缘状况。而当外加电压、频率一定时，介质损耗仅与介质的等值电容和介质损耗因数有关，对于一定结构及形成的电介质，等值电容是定值，因此tanδ就*反映了介质损耗情况，可以用来评价高压电力设备的绝缘水平，它是仅取决于材料的特性而与材料尺寸无关的物理量。所以，在工程上选用介质损耗角的正切tanδ的值来判断介质的品质，表征电介质的损耗大小。