变压器介质损耗测试仪流体排出法
电桥在使用过程中，灵敏度直接影响电桥平衡的分辨程度，为保证测量准确度，希望电桥灵敏度达到一定的水平。通常情况下电桥灵敏度与测量电压，标准电容量成正比。在下面的计算公式中，用户可根据实际使用情况估算出电桥灵敏度水平，在这个水平上的电容与介质损耗因数的微小变化都能够反应出来。
在电容率近似等于试样的电容率，而介质损耗因数可以忽略的一种液体内进行测量，这种测量与试 样厚度测量的精度关系不大。当相继采用两种流体时，试样厚度和电极系统的尺寸可以从计算公式中 消去.
试样为与试验池电极直径相同的圆片，或对测微计电极来说，试样可以比电极小到足以使边缘效应 忽略不计。在测微计电极中，为了忽略边缘效应，试样直径约比测微计电极直径小两倍的试样厚度’
5. 1.2.3 边缘效应
为了避免边缘效应引起电容率的测量误差，电极系统可加上保护电极。保护电极的宽度应至少为 两倍的试样厚度，保护电极和主电极之间的间隙应比试样厚度小。假如不能用保护环，通常需对边缘电 容进行修正，表1给出了近似计算公式。这些公式是经验公式，只适用于规定的几种特定的试样形状。
此外，在一个合适的频率和
1— —温度计插孔s
2— —绝缘子s
3— —过剩液体溢流的两个出口 0
图3测■液体的两电极试验池示例1——温度计插孔《
2 1 mm厚的金属板彳
本电桥的环境温度为20±5℃，相对湿度为30％－80％条件下，应满足下列表中的技术指示要求。
在Cn＝100pF R4＝3183.2（W）（即10K/π）时
测量项目 测量范围 测量误差
电容量Cx 40pF--20000pF ±0.5% Cx±2pF
介质损耗tgd 0～1 ±1.5％tgdx±0.0001
在Cn＝100pF R4＝318.3（W）（即1K/π）时
测量项目 测量范围 测量误差
电容量Cx 4pF--2000pF ±0.5% Cx±3pF
介质损耗tgd 0～0.1 ±1.5％tgdx±0.0001
3——石英玻璃&
4 1 mm或2 mm的间隙；
5——温度计插孔。
图4液体测量的平板两电极试验池
附录A
（资料性附录）
仪 器
A. 1西林电桥
A. 1. 1概述
西林电桥是测量电容率和介质损耗因数的经典的装置.它可使用从低于工频（50 Hz〜60 Hz） 直至100 kHz的频率范围，通常测定50 pF〜1 000 pF的电容（试样或被试设备通常所具有的电容）。
这是一个四臂回路（图A.l）o其中两个臂主要是电容（未知电容役和一个无损耗电容另外 两臂（通常称之为测量臂）由无感电阻R和R组成，电阻死 在未知电容Cx的对边上，测量臂至少被 一个电容G分流。一般地说，电容G和两个电阻R和死 中的一个是可调的，
如果采用电阻艮和（纯）电容Cs的串联等值回路来表示电容Cx,则图A. 1所示的电桥平衡时 导出：
Cs = Cn • （ A* 1 ）
和 tan（5x =（V Cs^s — } R （ A. 2 ）
如果电阻R被一个电容G分流，则姑渺的公式变为：
tan^x = Ci-Ri —— （ A. 3 ）
由于频率范围的不同，实际上电桥构造会有明显的不同&例如一个50 pF〜1 000 pF的电容在 50 Hz时的阻抗为60 MC〜3 MQ,在100 kHz时的阻抗为3 000 Q〜1 500
频率为100 kHz时，桥的四个臂容易有相同数量级的阻抗，而在50 Hz〜60 Hz的频率范围内则是 不可能的。因此，出现了低频和（相对）高频两种不同形式的电桥。
A. 1.2低频电桥
一般为高压电桥，这不仅是由于灵敏度的缘故，也因为在低频下正是高电压技术特别对电介质损耗 关注的问题.电容臂和测量臂两者的阻抗大小在数量级上相差很多，结果，绝大部分电压都施加在电容 Cx和Cn上，使电压分配不平衡。上面给出的电桥平衡条件只是当低压元件对高压元件屏蔽时才成 立。同时，屏蔽必须接地，以保证平衡稳定。如图A. 2所示。屏蔽与使用被保护的电容G和*是一 致的，这个保护对于CN来说是必不可少的。
由于选择不同的接地方法，实际上形成了两类电桥。
A. L2. 1带屏蔽的简单西林电桥
桥的B点（在测量臂边的电源接线端子）与屏蔽相连并接地。
屏蔽能很好地起到防护高压边影响的作用，但是增加了屏蔽与接到测量臂接线端M和N的各根 导线之间电容，此电容承受跨接测量臂两端的电压，这样会引入一个通常使姑温的测量精度限于 0.1%数量级的误差，当电容公和言不平衡时尤为显著。
A. 1.2. 2带瓦格纳（Wagner）接地电路的西林电桥
图A.2示出了使电桥测量臂接线端与屏蔽电位相等的方法,这种方法是通过使用外接辅助桥臂 Za、ZN瓦格纳接地电路），并使这两个辅助桥臂的中间点P接到屏蔽并接地。调节辅助桥臂（实际为 ZQ以使在ZA和Ze上的电压分别与电桥的电容臂和测量臂两端的电压相等。显然，这个解决方法包 括两个桥即主桥AMNB和辅桥AMPB（或ANPB）同时平衡。通过检测器从一个桥转换到另一个桥逐 次地逼近平衡而终达到二者平衡，用这种方法精度可以提高一个数量级，这时，实际上该精度只决定 于电桥元件的精密度。
14
必须指出，只有当电源的两端可以对地绝缘时才使用上述特殊的解决方法。如果不可能对地绝缘, 则必须使用更复杂的装置（双屏蔽电桥）.
A. 1.3高频西林电桥
这种电桥通常在中等的电压下工作，是比较灵活方便的一种电桥；通常电容CN是可变的（在高压 电桥中电容通常是固定的），比较容易采用替代法。
由于不期望电容的影响随频率的增加而增加，因此仍可有效使用屏蔽和瓦格纳接地线路。
A. 1.4关于检测器的说明
当西林电桥的B点接地时，必须避免检测器的不对称输入（这在电子设备中是常有的）。
然而这样的检测器只要接地输入端总是连接于P点，就能与装有瓦格纳接地线路的电桥一起 使用。
A.2 变压器电桥（电感比例臂电桥）
A.2. 1概述
这种电桥的原理比西林电桥简单。其结构原理见图A. 3O
当电桥平衡时，复电抗厶和Zm之间的比值等于电压矢量LA和耳 间的比值。如果电压矢量的比 值是已知的，便可从已知的Zm推导出Z"在理想电桥中比例UJU2是一个系数K,这样Zk = KZm, 实际上Zm的幅角直接给出汲，
变压器电桥比西林电桥有很大的优点，它允许将屏蔽和保护电极直接接地且不需要附加的辅助 桥臂。
这种电桥可在从工频到数十MHz的频率范围内使用,比西林电桥使用的频率范围宽，由于频率 范围的不同，桥的具体结构也不相同.
A.2.2低频电桥
通常是一个高压电桥（更精密，电压顷 是高压，以是中压），这种电桥的技术与变压器的技术有关。 可采用两类电源：
1） 电源电压直接加到一个绕组上，另一个绕组则起变压器次级绕组的作用。
2） 将电源加到初级绕组上（见图A.3）,而电桥的两个绕组是由两个分开的次级线路组成或是由 一个带有中间抽头能使获得电压，和以 的次级绕组组成.
与所有的测量变压器一样，电桥存在误差（矢量比U} /U2与其理论值之间的差儿 这种误差随负载 而变化，尤其是Ui和以之间的相位差，它会直接影响ta海的测量值。
因此，必须对电桥进行校正，这可以用一个无损耗电容Cn（与在西林电桥中使用的相似）代替Zx进 行.如果d与a的值相同，这实际上是替代法，测试前应校正。但由于&很少是可调的，因此负载 的变化对公不再有效。电桥在恒定负载下工作是可能的，如图A. 4所示：当测量嵐时，用一个转换开 关把6接地，反之亦然。这时对于高压绕组来说两个负载的总和是恒定的。（严格地说，低压边也应 该用一个相似的装置，但由于连在低压边的负载很小，尽管采用这样处理很容易，但意义小。）
另外，若用并联在电压上的一个纯电容*校正时，承受电压以 的测量阻抗Zm组成如下：
1） 如果以 和，是同相的（理想情况），则用一个纯电容Cm组成。
2） 如果U2超前Un则用一个电容Cm和一个电阻Rm组成。
3） 如果以滞后于Un则电阻Rm应变成负的。这就是说，为了重新建立平衡必须在U] 一边并 人一个电阻形成电流分量，其实并不存在适用于高压的可调高电阻，因此通常阻性电流分量 是用一个辅助绕组来获得的，这个辅助绕组提供一个与U]同相的低电压图A. 5）。
注：不可在d上串接一个电阻。因为如果将电阻接在电容器后面会破坏Cn测量极和保护极间的等电位；如果将 电阻接到前面的高压导线上，则电阻（内）电流也将包括保护电路的电流，这就可能无法校正。
这些论述同样适用于上述第二种情况的电阻Rm。但在低压边容易将三个电阻R、足 和F以星形联接来
变压器介质损耗测试仪式中：
AChCh的增量。
在50 kHz到50 MHz的频率范围内能方便地设计这种网络，这种网络也容易有效地屏蔽。但其缺 点是平衡随频率的变化太灵敏，以致于电源频率的谐波很不平衡。为了能拓宽频率范围，必须改变或换 接电桥元件，在较高频率下接线和开关阻抗（若使用开关时）会引入很大的误差。
A* 4谐振法（Q表法）
谐振法或Q表法是在10 kHz到260 MHz的频率范围内使用。它的原理是基于在一个谐振电路 中感应一个已知的弱小电压时，测量在该电路出现的电压。图A. 8表示这种电路的常用形式，在线路 中通过一个共用电阻R将谐振电路耦合到振荡器上，也可用其他的耦合方法。
操作程序是在规定的频率下将输入电压或电流调节到一个已知值，然后调节谐振电路达到大谐 振，观察此时的电压U八 然后将试样接到相应的接线端上，再调节可变电容器使电路重新谐振，观察新 的电压S的值。
在接入试样并重新调节线路时，只要见图A. 8）其总电容几乎保持不变。试样电容近似于 △G即是可变电容器电容的变化量。
试样的损耗因数近似为：
"泌& 余（*一£） A.9）
式中：
G——电路中的总电容，包括电压表以及电感线圈本身的电容；
Q】、Q°——分别为有无试样联接时的Q值。
测量误差主要来自两台指示器的标定刻度以及在连线中尤其是在可变电容器和试样的连线中所引 入的阻抗。对于高的损耗因数值的条件可能不成立，此时上面引出的近似公式不成立.
A.5变电纳法（变电抗法）
图1所示的测微计电极系统是哈特逊（Hartshorn）改进的，被用于消除在高频下因接线和测量电容 器的串联电感和串联电阻对测量值产生的误差。在这样的系统中，是由于在测微电极中使用了一个与 试样连接的同轴回路，不管试样在不在电路中，电路中的电感和电阻总是相对地保持恒定。夹在两电极 之间的试样，其尺寸与电极尺寸相同或小于电极尺寸，除非试样表面和电极表面磨得很平整，否则在试 样放到电极系统里之前,必须在试样上贴一片金属箔或类似的电极材料。在试样抽出后，调节测微计电 极，使电极系统得到同样的电容。
按电容变化仔细校正测微计电极系统后，使用时则不需要校正边缘电容、对地电容和接线电容。其 缺点是电容校正没有常规的可变多层平板电容器那么精密且同样不能直接读数。
在低于1MHz的频率下，可忽略接线的串联电感和电阻的影响，测微计电极的电容校正可用与测 微计电极系统并联的一个标准电容器的电容来校正，
在接和未接试样时电容的变化量是通过这个电容器来测得。
在测微计电极中，次要的误差来源于电容校正时所包含的电极的边缘电容，此边缘电容是由于插入 一个与电极直径相同的试样而稍微有所变化,实际上只要试样直径比电极直径小2倍试样厚度，就可 消除这种误差。
首先将试样放在测微计电极间并调节测量电路参数。然后取出试样，调节测微计电极间距或重新 调节标准电容器来使电路的总电容回到初始值。
按表2计算试样电容C吳
损耗因数为：
也响=（七云" （a.io）
式中：
△G——接入试样后，在谐振的两侧当检测器输入电压等于谐振电压的也/2时可变电容器
（图1）的两个电容读数之差。
△G—在除去试样后与上述相同情况下的两电容读数差.
值得注意的是在整个试验过程中试验频率应保持不变。
注；贴在试样上的电极的电阻在髙频下会变得相当大，如果试样不平整或厚度不均匀，将会引起试样损耗因数的明 显增加。这种变得明显起来的频率效应，取决于试样表面的平整度，该频率也可低到10 MHzt因此，必须在 io MHg及更高的频率下，且没有贴电极的试样上做电容的损耗因数的附加测量，假设Cw和tan<5w为不贴电 极的试样的电容和损耗因数，则计算公式为：
tanB = ^-tan^w （ A. 11 ）
Cw
式中：
Cw-…带电极的试样电容。
A. 6屏蔽
在一个线路两点之间的接地屏蔽，可消除这两点之间的所有的电容，而被这两个点的对地电容所代 替，因此，导线屏蔽和元件屏蔽可任意运用在那些各点对地的电容并不重要的线路中；变压器电桥和带 有瓦格纳接地装置的西林电桥都是这种类型的电路。
从另一方面来说,在采用替代法电桥里，在不管有没有试样均保持不变的线路部分是不需要屏 蔽的。
实际上，在电路中将试样、检测器和振荡器的连线屏蔽起来。并尽可能将仪器封装在金属屏蔽里, 可以防止观察者的身体（可能不是地电位或不固定）与电路元件之间的电容变化.
对于100 kHz数量级或更高的频率，连线应可能短而粗，以减小自感和互感；通常在这样的频率下 即使一个很短的导线其阻抗也是相当大的，因此若有几根导线需要连接在一起，则这些导线应尽可能的 连接于一点。
如果使用一个开关将试样从电路上脱开，开关在打开时它的两个触点之间的电容必须不引入测量 误差，在三电极测量系统中，要做到这点，可以在两个触点间接入一个接地屏蔽，或是用两个开关串联, 当这两个开关打开时，将它们之间的连线接地，或将不接地且处于断开状态的电极接地。
A.7电桥的振荡器和检测器
A. 7, 1交流电压源
满足总谐波分量小于1%的电压和电流的任一电压源。
A.7.2检测器
下列各类检测器均可使用，并可以带一个放大器以增加灵敏度：
1） 电话（如需要可带变频器）；
2） 电子电压表或波分析器；
3） 阴极射线示波器；
4） “电眼”调节指示器；
5） 振动检流计（仅用于低频）。
在电桥和检测器中间需加一个变压器，用它来匹配阻抗或者因为电桥的一输出端需接地。
谐波可能会掩盖或改变平衡点，调节放大器或引入一个低通滤波器可防止该现象。对测量频率的 二次谐波有40 dB的分辨率是合适的，
A.8频率范围
方 法 | 频率的推荐范围 | 试样形式 | 注 |
1.西林电桥 | 0. 10 MHz及以下 | 板或管 | |
2,变压器电桥 | 15 Hz〜50 MHz | ||
3.并联丁型网络 | 50 kHz〜30 M^Hz | ||
4,谐振法 | 10 kHz〜26。MHz | ||
5,变电纳法 | 10 kHz〜100 MHz |
1西林电桥电路图
具有瓦格纳(Wagner)接地电路的西林电桥变压器电桥，恒载校正虚线：与Cm并联形成一个高电阻（当A超前于11时）变压器电桥，当既滞后于V时的补偿（用绕组仏）检测器并联T型网络的电路原理图并联T型网络的实际线路图谐振法的电路图
北京北广精仪仪器设备有限公司
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