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絕緣材料的介質損失角的正切值及電容量。其采用了西林電橋的經典線路。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損耗( tgd)和電容量( Cx)以，其測量線路采用“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指標：2.1  測量范圍及誤差
本電橋的環境溫度為20±5℃，相對濕度為30％－80％條件下，應滿足下列表中的技術指示要求。在Cn＝100pF    R4＝3183.2（W）（即10K/π）時

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

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：在每個高壓實驗室和試驗中，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：電容極穩定 、氣壓和溫度的變化對電容的影響可以忽略、介質損耗極小

結構簡介：

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，供觀察內部壓力及充放氣使用

技術參數：

電容器安裝運行海拔不超過1000米，使用周圍空氣溫度-10℃~40℃，相對濕度不超過70%

電容器的工作頻率為100Hz/50HZ

電容器實測值誤差不大于±0.05%，與標稱值誤差不大于±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，壓力為0.4±0.1Mpa

固體電極簡介：

本電極適用于固體電工絕緣材料如絕緣漆、樹脂和膠、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趨于均勻電場

主要技術指標

環境溫度：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，同時還與溫度、壓力、濕度、測試電壓強度以及樣品的老化過程等有關。

因此在測量低頻介電常數時，對上述有關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、簡介

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

安全的輸出高壓。

二、技術規格

1.輸出電壓(交流）0～10kV（±3%±3個字.a型為0～5KV）
2.漏電流(交流）MAX  20mA（±3%±3個字,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.使用環境：
環境溫度：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損耗因數的經典的裝置。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 四臂回路(圖A.1) 。其中兩個臂主要是電容(未知電容Cx和一個無損耗電容C,)。另外
兩臂(通常稱之為測量臂)由無感電阻R，和R:組成，電阻R,在未知電容Cx的對邊上，測量臂至少被
一個電容C,分流一般地說，電容C:和兩個電阻R,和R:中的一個是可調的
如果 采 用 電阻R、和(純)電容 C 的串聯等值回路來表示電容 Cx，則圖A.1 所示的電橋平衡時
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)
被一個電容磯分流，則tans的公式變為:
tan 入 = - C ,R 一 。C ZR 2 ··· ··· ··· ··· ··· ··· ··· ··· ··· ? ? (A . 3 )
由于 頻 率 范圍的不同，實際上電橋構造會有明顯的不同。例如一個50p F-10 00p F的電容在
50 Hz時的阻抗為60 Md2-3 Md2，在100 kHz時的阻抗為3 000 Q-1 500 S1
頻率 為 100k Hz時，橋的四個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特別對電介質損耗
關注的問題。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才成
立。同時，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，這個保護對于Ch來說是*的。
由于 選 擇 不同的接地方法，實際上形成了兩類電橋。
A.1.2.1 帶屏蔽的簡單西林電橋
橋 的 B 點(在測量臂邊的電源接線端子)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端 M和N的各根
導線之間電容.此電容承受跨接測量臂兩端的電壓這樣會引人一個通常使tans的測量精度限于
0.1%數量級的誤差，當電容cx和Cw不平衡時尤為顯著。
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端與屏蔽電位相等的方法。這種方法是通過使用外接輔助橋臂
Z, .Z.(瓦格納接地電路)，并使這兩個輔助橋臂的中間點P接到屏蔽并接地。調節輔助橋臂(實際為
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，這個解決方法包
括兩個橋即主橋AMNB和輔橋AMPB(或ANPB)同時平衡。通過檢測器從一個橋轉換到另一個橋逐
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數量級，這時，實際上該精度只決定
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路
A.1 .4 關于檢測器的說明
當西 林 電橋的 B點接地時，必須避免檢測器的不對稱輸人(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，就能與裝有瓦格納接地線路的電橋一起
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單。其結構原理見圖A.3 .
當 電橋 平 衡時，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 :是一個系數 K，這樣 ZK- K ZH
實際上ZM的幅角直接給出ax
變壓 器 電 橋比西林電橋有很大的優點，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 個高壓電橋(更精密，電壓U，是高壓，U:是中壓)，這種電橋的技術與變壓器的技術有關。
可 采 用 兩類電源:
l 電源 電壓直接加到一個繞組上，另一個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(見圖A.3) ，而電橋的兩個繞組是由兩個分開的次級線路組成或是由
一個 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，它會直接影響tans的測量值。
因此 ，必 須對電橋進行校正，這可以用一個無損耗電容CN(與在西林電橋中使用的相似)代替Z、進
行。如果C、與Cx的值相同.這實際上是替代法，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，用一個轉換開
關把CX接地，反之亦然。這時對于高壓繞組來說兩個負載的總和是恒定的。(嚴格地說，低壓邊也應
該用一個相似的裝置，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 用并聯在電壓IJ上的一個純電容C、校正時，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)，則用一個純電容CM組成。
2) 如 果U:超前U,，則用一個電容C?和一個電阻R?組成
3) 如 果 Ue滯后于U,，則電阻Ret,應變成負的 這就是說，為了重新建立平衡必須在U,一邊并
人 一 個 電 阻 形 成 電流分量。其實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 輔 助 繞 組 來獲得的，這個輔助繞組提供一個與U,同相的低電壓U3(圖A.5 )
注 :不 可 在蛛 匕串接 一個電阻 因為如果將電阻接在電容器后面會破壞 C,測量極和保護極間的等電位;如果將
電 阻接 到 C、 前 面 的高壓導線上，則電阻(內)電流也將包括保護電路的電流，這就可能無法校正
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電阻R?R:和側以星形聯接來得到一個與電容并聯的可調高值電阻。如圖八.5下面的虛線所示。這時有

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 關于檢測器的說明
由于 測 量 臂的一端接地的，因此不必要使用對稱輸人的檢測器
A.3 并聯T型網絡
在 并 聯 T型網絡橋路中，從振蕩器經過兩個 T形網絡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單的并聯T型網絡。測量電介質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(在開路的X,X端子之間)

實際上是將一個可變電容器接到X,X端，且其電容Cv和它的電導改變了L和RF的表觀值，使電
路達到平衡;然后再將試樣接到X,X端，通過調節電容Cv和C*恢復電橋平衡。
此 時 :
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絡，這種網絡也容易有效地屏蔽。但其缺
點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，在較高頻率下接線和開關阻抗(若使用開關時)會引人很大的誤差。
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諧振電路
中感應一個已知的弱小電壓時，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，在線路
中通過一個共用電阻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已知值，然后調節諧振電路達到大諧振，觀察此時的電壓Uo 然后將試樣接到相應的接線端上，再調節可變電容器使電路重新諧振，觀察新
的電壓U 的值。
在接 人 試 樣并重新調節線路時，只要R,G <Q 見圖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圈本身的電容;
Q,.Q o— 分別為有無試樣聯接時的 Q值。
測量誤差主要來自兩臺指示器的標定刻度以及在連線中尤其是在可變電容器和試樣的連線中所引
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)改進的，被用于消除在高頻下因接線和測量電容
器的串聯電感和串聯電阻對測量值產生的誤差。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，使用時則不需要校正邊緣電容、對地電容和接線電容。其
缺點是電容校正沒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，可忽略接線的串聯電感和電阻的影響，測微計電極的電容校正可用與測
微計電極系統并聯的一個標準電容器的電容來校正
在 接 和 未接試樣時電容的變化量是通過這個電容器來測得。
在測 微 計 電極中，次要的誤差來源于電容校正時所包含的電極的邊緣電容，此邊緣電容是由于插人
一個與電極直徑相同的試樣而稍微有所變化。實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時可變電容器M,
(圖 " 的 兩 個 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試驗過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變得相當大，如果試樣不平整或厚度不均勻，將會引起試樣損耗因數的明
顯增 加 。 這種變得明顯起來的頻率效應，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 線路兩點之間的接地屏蔽，可消除這兩點之間的所有的電容，而被這兩個點的對地電容所代
替。因此，導線屏蔽和元件屏蔽可任意運用在那些各點對地的電容并不重要的線路中;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型的電路
從 另 一 方面來說，在采用替代法電橋里，在不管有沒有試樣均保持不變的線路部分是不需要屏
蔽的。
實 際上 ，在電路中將試樣、檢測器和振蕩器的連線屏蔽起來。并盡可能將儀器封裝在金屬屏蔽里，
可以防止觀察者的身體(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
即使一個很短的導線其阻抗也是相當大的，因此若有幾根導線需要連接在一起，則這些導線應盡可能的
連接于一點。
如果 使 用 一個開關將試樣從電路上脫開，開關在打開時它的兩個觸點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，可以在兩個觸點間接人一個接地屏蔽，或是用兩個開關串聯，
當這兩個開關打開時，將它們之間的連線接地，或將不接地且處于斷開狀態的電極接地。

電橋的振蕩器和檢測器
A. 7. 1 交流電壓源
滿足 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 類檢測器均可使用，并可以帶一個放大器以增加靈敏度:
1) 電 話(如需要可帶變頻器);
2) 電 子電壓表或波分析器;
3) 陰極 射線示波器;
4) “電 眼"調節指示器;
5) 振 動 檢流計(僅用于低頻)。
在 電橋 和檢測器中間需加一個變壓器，用它來匹配阻抗或者因為電橋的一輸出端需接地
諧波 可 能 會掩蓋或改變平衡點，調節放大器或引人一個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