電容量和介質(zhì)損耗值測(cè)量?jī)x器的選用方法

陳 菲

（機(jī)械工業(yè)第十計(jì)量測(cè)試站 上海 200031）

1 引言

目前用來(lái)測(cè)量電容量和介質(zhì)損耗值的儀器品種繁多，有LCR測(cè)量?jī)x、高壓電容電橋、全自動(dòng)介質(zhì)損耗測(cè)試儀等。究竟它們之間有什么區(qū)別，各自適用于哪種場(chǎng)合，可能了解的人還不是很多。這里就不同的產(chǎn)品用哪些儀器檢測(cè)作一些介紹。

2 工作原理分類

測(cè)量電容量和介質(zhì)損耗值的儀器設(shè)計(jì)原理有以下幾種：

(1)采用電流比較儀的原理，并結(jié)合運(yùn)算放大器具有較高的比率精度和穩(wěn)定性，配用高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器組成的高壓電橋。典型設(shè)備有實(shí)驗(yàn)室用精密型高壓電容電橋。

(2)采用自動(dòng)干擾跟蹤抵償電路，將矢量運(yùn)算法與移向有效地清除強(qiáng)烈的電場(chǎng)干擾的影響，由單片機(jī)運(yùn)用計(jì)算機(jī)數(shù)字化實(shí)時(shí)采集方法，對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的手采集數(shù)據(jù)按電工學(xué)原理處理后進(jìn)行矢量運(yùn)算，分別測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)回路電流與被試回路的電流幅值及相位關(guān)系，并由之算出試品的電容值Cx和介質(zhì)損耗角正切tgδ。典型設(shè)備有全自動(dòng)抗干擾介質(zhì)損耗測(cè)試儀，其內(nèi)部配有高壓試驗(yàn)電源和高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器。

(3)可認(rèn)為是一種測(cè)量工頻電流比率的裝置。當(dāng)工頻高壓施加在高壓標(biāo)準(zhǔn)電容和被測(cè)設(shè)備上時(shí)，即產(chǎn)生了它們的電容量與介質(zhì)損耗因數(shù)成比例的目標(biāo)及正交工頻電流分量。這兩個(gè)工頻電流分量經(jīng)電橋作比例測(cè)量后，即可得到被測(cè)設(shè)備相對(duì)于高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器的電容量比值與介質(zhì)損耗因數(shù)差值。典型設(shè)備有2801型高壓電容電橋。

(4)采用阻擾元件由電阻性和電擾性以簡(jiǎn)單的串聯(lián)或并聯(lián)等效電路的表示方式。通過(guò)測(cè)量等效電路，自動(dòng)根據(jù)測(cè)量范圍和功能設(shè)置合理的方式。典型設(shè)備有LCR測(cè)量?jī)x等。

3 使用及測(cè)量范圍

針對(duì)以上四類產(chǎn)品，其使用的范圍有所不同。

(1)實(shí)驗(yàn)室用精密型高壓電容電橋，可在高壓下測(cè)量電力電纜、高壓套管電力容器、互感器等高壓電力設(shè)備的電容量及損失角正切值tgδ。同時(shí)，可測(cè)量各種固體式液體絕緣材料的介電常數(shù)δ及損耗角正切值；測(cè)量高壓變壓器或電壓互感器的比差及角差。此產(chǎn)品若外接電流互感器可擴(kuò)大量程，測(cè)量大電容。電容測(cè)量范圍：設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)電容值的1000倍；tgδ為-0.111110～+0.111110。

(2)全自動(dòng)抗干擾介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x除了有實(shí)驗(yàn)室用精密型高壓電橋的測(cè)量功能，同時(shí)還可對(duì)一端接地試品等高壓設(shè)備的介質(zhì)損耗角正切tgδ和電容值Cx進(jìn)行測(cè)量。此設(shè)備操作簡(jiǎn)便，可謂現(xiàn)在所稱呼的“傻瓜電橋”。電容量測(cè)量量程3pF～0.5uF,介質(zhì)損耗tgδ為0～0.5。

(3)高壓電容電橋在工頻工作電壓下，能準(zhǔn)確測(cè)量各種絕緣材料、電力電纜、絕緣套管、互感器、變壓器等高壓設(shè)備的電容量C及介質(zhì)損耗角正切值tgδ。同時(shí)該儀器具有雙屏蔽功能，能有效防止外部電磁場(chǎng)的干擾。此設(shè)備測(cè)量準(zhǔn)確度比較高，操作過(guò)程比較長(zhǎng)，結(jié)果需通過(guò)間接計(jì)算得出。電容量測(cè)量量程小于11uF,介質(zhì)損耗 tgδ為 5×10-6～ 1×10-1。

(4)LCR測(cè)量?jī)x可用來(lái)快速測(cè)量電感L、電容C、電阻R、損耗因素D、品質(zhì)因素Q、電導(dǎo)G、導(dǎo)納B、電抗X和矢量阻抗|Z|及相位角θ，其頻率測(cè)量范圍100Hz～100kHz，測(cè)試電壓范圍1mV～5Vrms，測(cè)量電容范圍0.01pF～1999.0mF。

4 校準(zhǔn)依據(jù)及所用校準(zhǔn)設(shè)備要求

鑒于以上設(shè)備均可用來(lái)測(cè)量電容量和介質(zhì)損耗值，但使用的場(chǎng)合及電壓等級(jí)不同，采用的檢測(cè)及校準(zhǔn)依據(jù)也完全不同。

通常所說(shuō)的高壓電容電橋、全自動(dòng)抗干擾介質(zhì)損耗測(cè)試儀采用的校準(zhǔn)依據(jù)為JJG563-2004高壓電容電橋國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程。其中明確此方法適用于在工頻條件下測(cè)量電容量和介質(zhì)損耗因數(shù)的西林型、電流比較儀型及電子式、數(shù)字式高壓電容電橋的校準(zhǔn)。此方法特別強(qiáng)調(diào)是在高壓情況下進(jìn)行的，其對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備也要求為高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器和標(biāo)準(zhǔn)損耗值，而且對(duì)電容量準(zhǔn)確度要求比較高。

另一種同樣可用來(lái)測(cè)量電容量和介質(zhì)損耗值的設(shè)備即通常所說(shuō)的LCR測(cè)量?jī)x。其校準(zhǔn)的依據(jù)為JJG 441-2008交流電橋國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程，其中指出可用來(lái)測(cè)量工作頻率為20Hz～100kHz、電壓為不大于500V時(shí)的各產(chǎn)品的電容量和介質(zhì)損耗值。對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備來(lái)說(shuō)，就不需要高壓標(biāo)準(zhǔn)電容，但對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電容來(lái)說(shuō)要有頻響要求。

5 結(jié)論

綜上所述，同樣是測(cè)量電容量和介質(zhì)損耗值tgδ兩項(xiàng)參數(shù)，可用的設(shè)備有許多，但不同的場(chǎng)合應(yīng)使用不同的設(shè)備來(lái)測(cè)量。如欲測(cè)量高壓產(chǎn)品，就不能用LCR測(cè)量?jī)x來(lái)簡(jiǎn)單進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)樵凇?00V時(shí)，不能真實(shí)反映出高壓電容實(shí)際使用的電容量及介質(zhì)損耗值tgδ，這也是目前有許多人容易混淆的地方。其次在對(duì)全自動(dòng)抗干擾介質(zhì)損耗測(cè)試儀進(jìn)行校準(zhǔn)時(shí)，必須配置有10kV電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電容。因?yàn)檫@些測(cè)試儀均自身帶有10kV的高壓源，就是用于在高壓狀態(tài)下測(cè)量產(chǎn)品的電容量和介質(zhì)損耗值tgδ。同時(shí)還需特別注意這些校準(zhǔn)設(shè)備均帶有正/反接法測(cè)量方式(如圖1、圖2所示),對(duì)其兩種方法均需進(jìn)行校準(zhǔn)，尤其是作為反接法測(cè)量方式更為重要。因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)高壓試品大多為一端接地，所以針對(duì)此類產(chǎn)品，在測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇反接法測(cè)量方式，則校準(zhǔn)時(shí)必須測(cè)量此參數(shù)。這在目前校準(zhǔn)領(lǐng)域中也是及易被忽視的。

圖1 正接線測(cè)量

圖2 反接線測(cè)量

測(cè)量電容量和介質(zhì)損耗值tgδ的儀器設(shè)備很多，只有正確了解每種儀器設(shè)備的功能及適用場(chǎng)合，才能使我們真正得到所需準(zhǔn)確的測(cè)量值。

[1] JJF 039-2008 高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器校準(zhǔn)規(guī)范

[2] JJG 441-2008 交流電橋國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程

[3] JJG 563-2004 高壓電容電橋檢定規(guī)程