工頻電橋介電常數測試儀

工頻電橋介電常數測試儀概述：西林電橋,主要用于測量高壓工業(yè)絕緣材料的介質(zhì)損失角的正切值及電容量。其采用了西林電橋的經(jīng)典線(xiàn)路。主要可以測量電容器，互感器，變壓器，各種電工油及各種固體絕緣材料在工頻高壓下的介質(zhì)損耗( tgd)和電容量( Cx)以，其測量線(xiàn)路采用“正接法"即測量對地絕緣的試品。電橋由橋體、指另儀、電位跟蹤器組成，本電橋特別適應測量各類(lèi)絕緣油和絕緣材料的介損（tgd）及介電常數（ε）。

工頻電橋介電常數測試儀技術(shù)指標：2.1  測量范圍及誤差
本電橋的環(huán)境溫度為20±5℃，相對濕度為30％－80％條件下，應滿(mǎn)足下列表中的技術(shù)指示要求。在Cn＝100pF    R4＝3183.2（W）（即10K/π）時(shí)

測量項目            測量范圍                測量誤差

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

介損損耗tgδ        0-1                 ±1.5%  tgδx±0.0001

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

測量項目         測量范圍        測量誤差    

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

介損損耗tgδ       0-0.1           ±1.5%  tgδx±0.0001

2.2 電容量及介損顯示精度：

電容量： ±0.5%  

介  損： ±1.5％tgdx±1×10^-4

標準電容器（SF₆）

概述：在每個(gè)高壓實(shí)驗室和試驗中，壓縮氣體標準電容器是一種必要的儀器。在這些場(chǎng)合中，它有許多重要的作用。在電橋電路中壓縮氣體電容器被用來(lái)測量電容器、電纜、套管、絕緣子、變壓器繞組及絕緣材料的電容和介質(zhì)損耗角正切值（tgδ）。而且，還可以用作高壓測量電容分壓裝置的高壓電容。在某些條件下，還可以在局部放電測量中作高壓耦合電容器

特點(diǎn)：電容極穩定 、氣壓和溫度的變化對電容的影響可以忽略、介質(zhì)損耗極小

結構簡(jiǎn)介：

外殼由絕緣套筒及鋼板制成的底和蓋組成，底和蓋用螺栓及環(huán)緊固在絕緣套筒的兩端。在電容器的上下兩端有防暈罩。

電容器外殼內裝有同軸高度拋光的圓柱形高低壓電極

電容器設有壓力表及氣閥，供觀(guān)察內部壓力及充放氣使用

技術(shù)參數：

電容器安裝運行海拔不超過(guò)1000米，使用周?chē)諝鉁囟?/span>-10℃~40℃，相對濕度不超過(guò)70%

電容器的工作頻率為100Hz/50HZ

電容器實(shí)測值誤差不大于±0.05%，與標稱(chēng)值誤差不大于±3%

電容器溫度系數 ≤ 3×10^-5 /℃

電容器壓力系數 ≤ 3×10^-3Mpa

電容器的損耗角正切值不大于1×10^-5 、2×10^-5 、5×10^-5 三檔

電容器內充SF₆氣體。在20℃時(shí)，壓力為0.4±0.1Mpa

固體電極簡(jiǎn)介：

本電極適用于固體電工絕緣材料如絕緣漆、樹(shù)脂和膠、浸漬纖制品、層壓制品、云母及其制品、料、電纜料、薄膜復合制品、陶瓷和 玻璃等的相對介電系數（ε）與介質(zhì)損耗角正切值（tgδ）的測試本電極主要用于頻率在工頻50Hz下測量試品的相對介電系數（ε）和介質(zhì)損耗角正切值（tgδ

本電極的設計主要是參照國標GB1409。本電極采用的是三電極式結構，能有效的消除表面漏電流的影響，使測量電極下的電場(chǎng)趨于均勻電場(chǎng)

主要技術(shù)指標

環(huán)境溫度：20±5℃
相對濕度：65±5%
高低壓電極之間距離：0~5mm可調
百分表示值誤差：0.01mm(一粒1.5V氧化銀電池供電)
測量極直徑：70±0.1mm
空極tgδ：≤5×10^-5
空極電容量：40±1pF
Z高測試電壓：2000V
實(shí)驗頻率：50/100Hz
體積：Ф210mm H180mm

重量：6kg

高壓電源：

熱釋電材料都具有壓電性，有些還具有鐵電性，其介電常數與測試頻率有關(guān)，同時(shí)還與溫度、壓力、濕度、測試電壓強度以及樣品的老化過(guò)程等有關(guān)。

因此在測量低頻介電常數時(shí)，對上述有關(guān)條件應做出明確規定。測試條件測試的大氣條件條件如下：——溫度：15℃~35℃；——相對濕度：25%~75%；——大氣壓力：86kPa~106kPa。

仲裁測試的大氣條件如下：——溫度：25℃±2℃；——相對濕度：25%~75%；——大氣壓力：86kPa~106kPa。

一、簡(jiǎn)介

高壓電源采用*數字電路技術(shù)，測試電壓、漏電流均為數字顯示，可以直觀(guān)、準確、快速、

安全的輸出高壓。

二、技術(shù)規格

1.輸出電壓(交流）0～10kV（±3%±3個(gè)字.a型為0～5KV）
2.漏電流(交流）MAX  20mA（±3%±3個(gè)字,可調）
3.變壓器容量：1000VA
4.輸出波形：100Hz正弦波
5.工作電壓：AC220V±10%
6.使用環(huán)境：
環(huán)境溫度：0～40℃
相對濕度：（20～90）%消
7.耗功率：大75VA
8.外形尺寸：320mm（寬）×170mm（高）×245mm（深）
9.重量：10Kg

西林電橋
A.1.1 概述
西林 電橋 是測量電容率和介質(zhì)損耗因數的經(jīng)典的裝置。它可使用從低于工頻(50H z-60H z)
直至100 kHz的頻率范圍，通常測定50 pF-1 000 pF的電容(試樣或被試設備通常所具有的電容)
這是 一 個(gè) 四臂回路(圖A.1) 。其中兩個(gè)臂主要是電容(未知電容Cx和一個(gè)無(wú)損耗電容C,)。另外
兩臂(通常稱(chēng)之為測量臂)由無(wú)感電阻R，和R:組成，電阻R,在未知電容Cx的對邊上，測量臂至少被
一個(gè)電容C,分流一般地說(shuō)，電容C:和兩個(gè)電阻R,和R:中的一個(gè)是可調的
如果 采 用 電阻R、和(純)電容 C 的串聯(lián)等值回路來(lái)表示電容 Cx，則圖A.1 所示的電橋平衡時(shí)
導出:
。。R
L兌= 七N . 二了~
x ,
·······。。。······。·············? ? (A.1)
和
如果電阻R,
tan入=.CsR,=.C,R, ························??(A. 2)
被一個(gè)電容磯分流，則tans的公式變?yōu)?/span>:
tan 入 = - C ,R 一 。C ZR 2 ··· ··· ··· ··· ··· ··· ··· ··· ··· ? ? (A . 3 )
由于 頻 率 范圍的不同，實(shí)際上電橋構造會(huì )有明顯的不同。例如一個(gè)50p F-10 00p F的電容在
50 Hz時(shí)的阻抗為60 Md2-3 Md2，在100 kHz時(shí)的阻抗為3 000 Q-1 500 S1
頻率 為 100k Hz時(shí)，橋的四個(gè)臂容易有相同數量級的阻抗，而在50H z-60H z的頻率范圍內則是
不可能的。因此，出現了低頻和(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(wèn)題。電容臂和測量臂兩者的阻抗大小在數量級上相差很多，結果，絕大部分電壓都施加在電容Cx和C}上，使電壓分配不平衡上面給出的電橋平衡條件只是當低壓元件對高壓元件屏蔽時(shí)才成
立。同時(shí)，屏蔽必須接地，以保證平衡穩定。如圖A. 2所示。屏蔽與使用被保護的電容C、和C、是一
致的，這個(gè)保護對于Ch來(lái)說(shuō)是*的。
由于 選 擇 不同的接地方法，實(shí)際上形成了兩類(lèi)電橋。
A.1.2.1 帶屏蔽的簡(jiǎn)單西林電橋
橋 的 B 點(diǎn)(在測量臂邊的電源接線(xiàn)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(xiàn)端 M和N的各根
導線(xiàn)之間電容.此電容承受跨接測量臂兩端的電壓這樣會(huì )引人一個(gè)通常使tans的測量精度限于
0.1%數量級的誤差，當電容cx和Cw不平衡時(shí)尤為顯著(zhù)。
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(xiàn)端與屏蔽電位相等的方法。這種方法是通過(guò)使用外接輔助橋臂
Z, .Z.(瓦格納接地電路)，并使這兩個(gè)輔助橋臂的中間點(diǎn)P接到屏蔽并接地。調節輔助橋臂(實(shí)際為
Zu)以使在Z,和Z?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(gè)解決方法包
括兩個(gè)橋即主橋AMNB和輔橋AMPB(或ANPB)同時(shí)平衡。通過(guò)檢測器從一個(gè)橋轉換到另一個(gè)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(gè)數量級，這時(shí)，實(shí)際上該精度只決定
于電橋元件的精密度。

必 須 指 出，只有當電源的兩端可以對地絕緣時(shí)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C、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(xiàn)路
A.1 .4 關(guān)于檢測器的說(shuō)明
當西 林 電橋的 B點(diǎn)接地時(shí)，必須避免檢測器的不對稱(chēng)輸人(這在電子設備中是常有的)。
然 而這 樣 的檢測器只要接地輸人端總是連接于P點(diǎn)，就能與裝有瓦格納接地線(xiàn)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(jiǎn)單。其結構原理見(jiàn)圖A.3 .
當 電橋 平 衡時(shí)，復電抗Z、和ZM之間的比值等于電壓矢量U 和U:間的比值。如果電壓矢量的比
值是已知的，便可從已知的Zx,推導出Zx。在理想電橋中比例U,/U :是一個(gè)系數 K，這樣 ZK- K ZH
實(shí)際上ZM的幅角直接給出ax
變壓 器 電 橋比西林電橋有很大的優(yōu)點(diǎn)，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 可在從工頻到數十MHz的頻率范圍內使用。比西林電橋使用的頻率范圍寬。由于頻率
范圍的不同，橋的具體結構也不相同
A.2.2 低頻電橋
通 常是 一 個(gè)高壓電橋(更精密，電壓U，是高壓，U: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(lèi)電源:
l 電源 電壓直接加到一個(gè)繞組上，另一個(gè)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(jiàn)圖A.3) ，而電橋的兩個(gè)繞組是由兩個(gè)分開(kāi)的次級線(xiàn)路組成或是由
一個(gè) 帶 有 中 間 抽 頭 能使獲得電壓U,和U 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,/U :與其理論值之間的差) 這種誤差隨負載
而變化尤其是U 和U2之間的相位差，它會(huì )直接影響tans的測量值。
因此 ，必 須對電橋進(jìn)行校正，這可以用一個(gè)無(wú)損耗電容CN(與在西林電橋中使用的相似)代替Z、進(jìn)
行。如果C、與Cx的值相同.這實(shí)際上是替代法，測試前應校正。但由于C、很少是可調的，因此負載
的變化對Cx不再有效。電橋在恒定負載下工作是可能的，如圖A.4所示:當測量CN時(shí)，用一個(gè)轉換開(kāi)
關(guān)把CX接地，反之亦然。這時(shí)對于高壓繞組來(lái)說(shuō)兩個(gè)負載的總和是恒定的。(嚴格地說(shuō)，低壓邊也應
該用一個(gè)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IJ上的一個(gè)純電容C、校正時(shí)，承受電壓U2的測量阻抗ZM組成如下:
) 如 果 U:和U,是同相的(理想情況)，則用一個(gè)純電容CM組成。
2) 如 果U:超前U,，則用一個(gè)電容C?和一個(gè)電阻R?組成
3) 如 果 Ue滯后于U,，則電阻Ret,應變成負的 這就是說(shuō)，為了重新建立平衡必須在U,一邊并
人 一 個(gè) 電 阻 形 成 電流分量。其實(shí)并不存在適用于高壓的可調高電阻，因此通常阻性電流分量
是用 一 個(gè) 輔 助 繞 組 來(lái)獲得的，這個(gè)輔助繞組提供一個(gè)與U,同相的低電壓U3(圖A.5 )
注 :不 可 在蛛 匕串接 一個(gè)電阻 因為如果將電阻接在電容器后面會(huì )破壞 C,測量極和保護極間的等電位;如果將
電 阻接 到 C、 前 面 的高壓導線(xiàn)上，則電阻(內)電流也將包括保護電路的電流，這就可能無(wú)法校正
這些 論 述 同 樣 適 用 于 上 述 第二 種情況的電阻R} 但在低壓邊容易將三個(gè)電阻R?R:和側以星形聯(lián)接來(lái)得到一個(gè)與電容并聯(lián)的可調高值電阻。如圖八.5下面的虛線(xiàn)所示。這時(shí)有

但 是 ，可 調 側 量 電 容C}必須是純電容性的或已知其損耗低(在西林電橋中的測量電容C:不需滿(mǎn)足這些苛刻要
求 )。
A.2.3 高頻電橋
上面 的 一 些敘述也同樣適用于高頻電橋。但由于它不再是一個(gè)高壓電橋，因此承受電壓U，的臂
能容易地引人可調元件;替代法在此適用
還應 指 出，帶有分開(kāi)的初級繞組的電橋允許電源和檢測器互換位置。其平衡與在次級繞組中對應
的安匝數的補償相符
A.2.4 關(guān)于檢測器的說(shuō)明
由于 測 量 臂的一端接地的，因此不必要使用對稱(chēng)輸人的檢測器
A.3 并聯(lián)T型網(wǎng)絡(luò )
在 并 聯(lián) T型網(wǎng)絡(luò )橋路中，從振蕩器經(jīng)過(guò)兩個(gè) T形網(wǎng)絡(luò )流向檢測器的兩股電流在檢測器輸人處是大
小相等而方向相反的。在這個(gè)電路中，振蕩器和檢測器都能有一端接地;且在有些可能電路中試樣和用
于平衡的每一個(gè)可變元件也有一端接地。
圖 A. 6 出示了只使用電阻和電容簡(jiǎn)單的并聯(lián)T型網(wǎng)絡(luò )。測量電介質(zhì)材料常用的電路的原
理如圖A.7所示。這種電路的平衡條件如下(在開(kāi)路的X,X端子之間)

實(shí)際上是將一個(gè)可變電容器接到X,X端，且其電容Cv和它的電導改變了L和RF的表觀(guān)值，使電
路達到平衡;然后再將試樣接到X,X端，通過(guò)調節電容Cv和C*恢復電橋平衡。
此 時(shí) :
試樣電容等于Cv的減少量Acv;
試樣的電導G:

式 中 :
'IC ?- C,;的增量
在 50 k Hz到50M Hz的頻率范圍內能方便地設計這種網(wǎng)絡(luò )，這種網(wǎng)絡(luò )也容易有效地屏蔽。但其缺
點(diǎn)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(xiàn)和開(kāi)關(guān)阻抗(若使用開(kāi)關(guān)時(shí))會(huì )引人很大的誤差。
A. 4 諧振法(Q表法)
諧振 法 或 Q表法是在10k Hz到260M Hz的頻率范圍內使用。它的原理是基于在一個(gè)諧振電路
中感應一個(gè)已知的弱小電壓時(shí)，測量在該電路出現的電壓。圖A. 8表示這種電路的常用形式，在線(xiàn)路
中通過(guò)一個(gè)共用電阻R將諧振電路藕合到振蕩器上，也可用其他的禍合方法。
操作 程 序 是在規定的頻率下將輸人電壓或電流調節到一個(gè)已知值，然后調節諧振電路達到大諧振，觀(guān)察此時(shí)的電壓Uo 然后將試樣接到相應的接線(xiàn)端上，再調節可變電容器使電路重新諧振，觀(guān)察新
的電壓U 的值。
在接 人 試 樣并重新調節線(xiàn)路時(shí)，只要R,G <Q 見(jiàn)圖A.8 )其 總電容幾乎保持不變。試樣電容近似于
AC，即是可變電容器電容的變化量
試樣 的損 耗因數近似為:

式中:
C— 電路中的總電容，包括電壓表以及電感線(xiàn)圈本身的電容;
Q,.Q o— 分別為有無(wú)試樣聯(lián)接時(shí)的 Q值。
測量誤差主要來(lái)自?xún)膳_指示器的標定刻度以及在連線(xiàn)中尤其是在可變電容器和試樣的連線(xiàn)中所引
人的阻抗。對于高的損耗因數值，R,G < 1的條件可能不成立，此時(shí)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 的測微計電極系統是哈特遜(Haztsh。二)改進(jìn)的，被用于消除在高頻下因接線(xiàn)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。在這樣的系統中，是由于在測微電極中使用了一個(gè)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
樣放到電極系統里之前，必須在試樣上貼一片金屬箔或類(lèi)似的電極材料。在試樣抽出后，調節測微計電
極，使電極系統得到同樣的電容。
按 電容 變 化仔細校正測微計電極系統后，使用時(shí)則不需要校正邊緣電容、對地電容和接線(xiàn)電容。其
缺點(diǎn)是電容校正沒(méi)有常規的可變多層平板電容器那么精密且同樣不能直接讀數。
在低 于 1MHz的頻率下，可忽略接線(xiàn)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
微計電極系統并聯(lián)的一個(gè)標準電容器的電容來(lái)校正
在 接 和 未接試樣時(shí)電容的變化量是通過(guò)這個(gè)電容器來(lái)測得。
在測 微 計 電極中，次要的誤差來(lái)源于電容校正時(shí)所包含的電極的邊緣電容，此邊緣電容是由于插人
一個(gè)與電極直徑相同的試樣而稍微有所變化。實(shí)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節測量電路參數。然后取出試樣，調節測微計電極間距或重新
調節標準電容器來(lái)使電路的總電容回到初始值。
按 表 2 計算試樣電容CP。

中:
AC— 接人試樣后，在諧振的兩側當檢測器輸人電壓等于諧振電壓的抓習2時(shí)可變電容器M,
(圖 " 的 兩 個(gè) 電 容 讀數之差
AC— 在除去試樣后與上述相同情況下的兩電容讀數差。
值得注意的是在整個(gè)試驗過(guò)程中試驗頻率應保持不變。
注:貼在試樣上的電極的電阻在高頻下會(huì )變得相當大，如果試樣不平整或厚度不均勻，將會(huì )引起試樣損耗因數的明
顯增 加 。 這種變得明顯起來(lái)的頻率效應，取決于試樣表面的平整度，該頻率也可低到 10M Hz,因此，必須在
10 M Hz 及更高的頻率下，且沒(méi)有貼電極的試樣上做電容的損耗因數的附加側量。假設Cw和tan丙 為不貼電
極的 試 樣 的電容和損耗因數，則計算公式為:

屏蔽
在 一 個(gè) 線(xiàn)路兩點(diǎn)之間的接地屏蔽，可消除這兩點(diǎn)之間的所有的電容，而被這兩個(gè)點(diǎn)的對地電容所代
替。因此，導線(xiàn)屏蔽和元件屏蔽可任意運用在那些各點(diǎn)對地的電容并不重要的線(xiàn)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(lèi)型的電路
從 另 一 方面來(lái)說(shuō)，在采用替代法電橋里，在不管有沒(méi)有試樣均保持不變的線(xiàn)路部分是不需要屏
蔽的。
實(shí) 際上 ，在電路中將試樣、檢測器和振蕩器的連線(xiàn)屏蔽起來(lái)。并盡可能將儀器封裝在金屬屏蔽里，
可以防止觀(guān)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 k Hz數量級或更高的頻率，連線(xiàn)應可能短而粗，以減小自感和互感;通常在這樣的頻率下
即使一個(gè)很短的導線(xiàn)其阻抗也是相當大的，因此若有幾根導線(xiàn)需要連接在一起，則這些導線(xiàn)應盡可能的
連接于一點(diǎn)。
如果 使 用 一個(gè)開(kāi)關(guān)將試樣從電路上脫開(kāi)，開(kāi)關(guān)在打開(kāi)時(shí)它的兩個(gè)觸點(diǎn)之間的電容必須不引人測量
誤差。在三電極測量系統中，要做到這點(diǎn)，可以在兩個(gè)觸點(diǎn)間接人一個(gè)接地屏蔽，或是用兩個(gè)開(kāi)關(guān)串聯(lián)，
當這兩個(gè)開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，將它們之間的連線(xiàn)接地，或將不接地且處于斷開(kāi)狀態(tài)的電極接地。

電橋的振蕩器和檢測器
A. 7. 1 交流電壓源
滿(mǎn)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(lèi)檢測器均可使用，并可以帶一個(gè)放大器以增加靈敏度:
1) 電 話(huà)(如需要可帶變頻器);
2) 電 子電壓表或波分析器;
3) 陰極 射線(xiàn)示波器;
4) “電 眼"調節指示器;
5) 振 動(dòng) 檢流計(僅用于低頻)。
在 電橋 和檢測器中間需加一個(gè)變壓器，用它來(lái)匹配阻抗或者因為電橋的一輸出端需接地
諧波 可 能 會(huì )掩蓋或改變平衡點(diǎn)，調節放大器或引人一個(gè)低通濾波器可防止該現象 對測量頻率的
二次諧波有40 dB的分辨率是合適的