一、引言：介电常数与介质损耗，为什么要放到高压下测

介电常数与介质损耗角正切，是评价电介质材料的两个基础参数。测这两个量本身并不复杂，难的是在接近实际工况的电压下测准。低压下得到的数值，往往与材料在高压下的表现并不一致：材料内部残留的气隙在电压升到一定幅度后会先行放电，电导损耗随场强上升而增加，极性材料的极化损耗也随场强发生变化。如果只在几伏到几十伏的条件下取值，得到的只是一个"小信号"结果，未必能代表材料在变压器、套管、电容器这些高压部件里的真实损耗水平。

因此，一台面向实验室的高压介损电桥要回答的问题其实有三层：其一，能否把测试电压做到千伏乃至万伏量级，让试样处在接近工况的电场里；其二，能否在强电磁干扰的实验室或现场把读数稳住；其三，能否把电容量 Cx、介质损耗角正切 tgδ、相对介电常数 ε 三项结果直接显示出来，减少人工换算带来的偏差。本文围绕 BQS-13 型自动高压介损电桥（资料内页标注的名称），说明它的原理、指标、操作流程与维护要点，供绝缘材料、电瓷、电容器等领域的检测与研发人员参考。

二、几个基本量：介电常数、介质损耗因数与电容量

在展开设备之前，先把几个容易混用的量说清楚，后面读指标才不会误读。

相对介电常数 ε，表征电介质在电场中储存电能的能力。其数值等于同一电极构形下，两极间充以该介质时的电容量与真空（工程上用空气替代）时的电容量之比。它反映材料的极化难易程度，也与电容器容量、绝缘结构的电场分布直接相关。

介质损耗，指交流电场作用下电介质把一部分电能转化为热能的现象。这部分能量不算"无功"，而是实实在在变成热，长期作用会引起材料发热老化。

介质损耗角 δ 与介质损耗角正切 tgδ。给电介质施加交流电压，电压与由此产生的电流之间存在相位差，该相位差的余角称为介质损耗角，其正切值 tgδ 就是介质损耗角正切，也常被称为介质损耗因数。tgδ 与试样尺寸无关，是一个便于横向比较的损耗表征量。

电容量 Cx，是试样在测试电极下呈现的电容值。它与介电常数、试样厚度、电极面积有关，也是换算 ε 的中间量。三者关系可以这样理解：电容量是测到的量，介电常数是由电容量与试样尺寸换算出的材料参数，介质损耗角正切则是与损耗直接对应的另一路结果。

三、三类被测对象：绝缘材料、电瓷与电容器

标题把被测对象分成三类，这三类在测量上的关注点并不相同，可以分别看待。

绝缘材料，涵盖固体、液体与易熔材料。固体包括板材、薄膜、层压件、云母制品等，液体则主要是变压器油、电缆油一类绝缘油。对固体，关注 ε 与 tgδ 是否落在配方预期范围、制件是否受潮、老化后损耗是否抬升；对液体，tgδ 常被当作油质老化的"晴雨表"，极性杂质、水分、氧化产物增多都会让损耗明显上升。

电瓷，主要指各类装置的瓷套、瓷瓶、支柱绝缘子等。瓷体的损耗与配方、烧结程度、致密度有关，测其介电常数与损耗，可用于判断配料与工艺是否稳定，也可用于排查制件是否存在内部缺陷。

电容器，包括电力电容器、电容式套管等以电介质为核心部件的设备。介损是其质量判定的重要指标，也能反映受潮与局部缺陷。这类被测对象的电容量往往比材料试样大得多，对仪器的量程与加压方式提出了不同要求。

正因被测对象跨度较大，一台高压介损电桥需要同时兼顾"小到几皮法"的材料试样与"大到微法量级"的电力设备，量程与加压方式成了选型时的关键。

四、从西林电桥到自动高压介损电桥：测量方式的演变

介损测量的经典方法是西林电桥。它靠人工调节桥臂上的电阻与电容，使电桥达到平衡，再由平衡时的读数换算损耗角正切。这套方法原理清晰，但有两个绕不开的短处：一是调平衡靠手，读数速度慢，且结果与操作人员的经验关系较大；二是对工频干扰敏感，指针容易摆动，读数不稳。

自动高压介损电桥的思路是把这几个环节交给电路。测试电源改为可变频的电源，测量过程由单片机和现代化电子技术完成自动频率变换、模数转换与数据运算，再由程序算出结果并直接显示。这样一来，抗干扰能力提高、测试速度加快、精度得到保障，操作也从"调平衡"变成"按流程设参数、读结果"。资料把这套变化概括为抗干扰能力强、测试速度快、精度高、全自动数字化、操作简便，落点就在这几个环节上。

五、执行标准与试验方法依据

介损与介电常数的测量，不同材料对应不同方法标准，测试频率、电极系统、试样尺寸都有规定，不能混用。本设备资料声明符合的标准包括 GB/T 5654、GB/T 1409、GB/T 1693，其现行版本与主要内容如下。

GB/T 1409-2006《测量电气绝缘材料在工频、音频、高频（包括米波波长在内）下电容率和介质损耗因数的推荐方法》，规定了在较宽频率范围内测量电容率与介质损耗因数的方法，适用于液体、易熔材料以及固体材料。标准修改采用 IEC 60250，并对试样、测试电路与环境条件作了规定，是固体绝缘材料介电测量的常用依据。

GB/T 5654-2007《液体绝缘材料 相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》，针对绝缘油一类的液体绝缘材料，规定其相对电容率、介质损耗因数与直流电阻率的测量方法，等同采用 IEC 60247:2004，是绝缘油介损检测的常用依据。

GB/T 1693-2007《硫化橡胶 介电常数和介质损耗角正切值的测定方法》，适用于硫化橡胶，给出两种方法：方法 A 为工频下的测定，方法 B 为高频电场下的测定，非等效采用 ASTM D150。

需要提醒的是，上述标准对测试频率、试验电压与电极形式都有具体要求，测试前应确认所选方法与试样类型、频率点相匹配；不同频率下取得的介损与介电常数不具备直接可比性。所引标准编号以现行有效版本为准。

六、变频抗干扰：干扰从哪里来，如何避开

实验室与现场的电磁干扰主要来自两处：一是工频电网及其谐波，二是邻近的高压设备与导体。工频干扰的麻烦在于它与测试信号同频，无法靠简单滤波分开，容易叠加在读数上造成漂移。

变频抗干扰的做法是把测试频率从工频上挪开。设备在工频附近的一个频段内选择测试频率，让测试信号落在工频及其整数倍之外，再配合数字滤波把该频点的信号提取出来，工频干扰就被"绕开"了。资料标注的变频抗干扰工作区间为 40-70Hz，即便在强电场环境下，也力求保持测量结果的稳定。抗干扰设计之外，可靠的接地与合理的屏蔽同样是测准的前提，这一点在后面的操作流程中还会提到。

七、整机架构与设计思路

按资料描述，这台设备把测量链条拆成若干环节，各自承担一职，可以分六部分来看。

其一是变频电源。它负责产生频率可调、幅度稳定的测试信号，并通过频率变换避开工频干扰，是整个抗干扰设计的基础。

其二是单片机控制。测量流程由单片机统一调度：自动完成频率变换、控制加压与测量时序、判断谐振或平衡状态，把原本靠人工反复调节的步骤交给程序执行。

其三是模数转换。把电极回路上的模拟信号转换为数字量，是后续运算的入口。转换的位数与采样速度，直接影响损耗分辨能力。

其四是数据运算。由程序按标准给出的关系式完成数据运算，得到电容量、介质损耗角正切与相对介电常数，并直接显示出来，省去人工换算。

其五是显示与接口。三项结果直接显示，便于现场读数；标准 RS232 接口用于与计算机连接，便于记录与后续整理。

其六是机箱与结构。采用 8U 标准机箱，仪器重量 25kg，属于可放置在实验台上、也便于搬动的整机形式；机箱同时对内部高压与测量回路起到屏蔽与防护作用。

八、主要技术指标

准确度

• Cx：±（读数×0.5%+0.5pF）

• tgδ：±（读数×0.5%+0.00005）

• tgδ 分辨率：0.000001

• ε：±0.5%

抗干扰与测试电压

• 抗干扰方式：变频抗干扰

• 变频抗干扰区间：40-70Hz

• 输入电流：5A

• 内置测试电压输出：10KV

• 测试电压可调分辨率：1V

电容量范围

• 内施高压：3pF～60000pF/10kV

• 内施高压：60pF～1μF/0.5kV

• 外施高压：3pF～1.5μF/10kV

• 外施高压：60pF～30μF/0.5kV

• 外接量程扩展器时，可以测试几千安培下高压电器的介损值

分辨率

• 电容量分辨率：0.001pF，4 位有效数字

计算机接口

• 标准 RS232 接口

外形与重量

• 外形尺寸：8U 标准机箱

• ：25仪器重量

• kg

说明：以上各项数值、单位与书写形式均按资料原文列出；其中资料原文在"输入电流""测试电压输出""电容量分辨率"三处带有表示程度的修饰语，按本稿的用词要求去掉了修饰语，数值与单位未作改动。

九、内施高压与外施高压：两种加压方式怎么选

资料把电容量范围分成"内施高压"与"外施高压"两组，这不是量程的两种写法，而是两种加压方式的对应结果。

内施高压，指测试电压由设备内部的电源提供给试样，属于常规用法，适合材料试样与小型器件。资料给出的内施高压范围为 3pF～60000pF/10kV 与 60pF～1μF/0.5kV，可以看出同一个电容范围在不同电压档下并不一致：电压档越高，可测电容的区间越窄。

外施高压，指测试电压由外部的高压试验装置提供，设备只承担测量任务。这样做的意义在于把加压能力从测量环节中解耦，由外部装置提供更高的电压或更大的容量，从而覆盖电容量更大的被测对象。资料给出的外施高压范围为 3pF～1.5μF/10kV 与 60pF～30μF/0.5kV，比同档内施高压的范围明显更宽。

选哪一种，主要看试样电容与所需电压。材料试样电容小、电压需求集中在设备自带档位以内，用内施高压即可；电力电容器、套管一类电容量大、或需要更高电压的对象，则宜采用外施高压的方式，并由外部装置承担加压。此外，资料说明外接量程扩展器时可以测试几千安培下高压电器的介损值，这一配置面向的是电流较大的高压电器场景。

十、电容量范围与量程扩展

电容量范围是这类设备选型时被问到较多的一项。资料同时给出四组限值，需要连电压档一起看，才能读出它们的含义。

先看内施高压。3pF～60000pF 这一组对应 10kV 档，意思是在 10kV 的测试电压下，设备可覆盖 3pF 到 60000pF 的电容；60pF～1μF 这一组对应 0.5kV 档，电压降下来之后，可测电容的上限反而抬到了 1μF。再看外施高压，同为 10kV 档时区间宽到 1.5μF，0.5kV 档时宽到 30μF。

这四组数值透露的规律是：量程与电压相互制约，电压越高，可覆盖的电容越小。选型时应先把被试对象的电容量和所需测试电压列出来，再核对落在哪一组范围内，而不是只看某一个上限数字。当下限或上限不满足时，还可以通过外接量程扩展器补足，资料给出的扩展应用场景是几千安培下高压电器的介损测量。

十一、分辨率与有效数字：0.001pF 意味着什么

分辨率反映的是仪器能分辨的变化量下限，而不是测量误差。资料给出电容量分辨率 0.001pF、4 位有效数字，tgδ 分辨率 0.000001。这几个数字需要放在"分辨率"与"准确度"两个概念里分开理解。

电容量分辨率 0.001pF，意味着相邻两个读数之间的差别小到 0.001pF 也能被显示出来。对于几皮法量级的材料试样，这一分辨能力让微小变化可以被观察到；但对于电容量本就很大的对象，分辨率的实际意义会随量程变化，读数精度还要看准确度指标。4 位有效数字则规定了读数保留的有效位，读数不会因位数过多而显得"虚高"。

tgδ 分辨率 0.000001，说的是损耗读数可细分到百万分之一量级；而 tgδ 的准确度按 ±（读数×0.5%+0.00005）给出，说明在读数接近零时，误差主要由后一项常数项决定。换句话说，分辨率决定"能看多细"，准确度决定"可信到什么程度"，两者不可互相替代。评估一台设备是否合用，应同时看这两个指标，并结合试样本身的量级判断。

十二、tgδ 与 ε 的读数与显示

资料在指标栏开头标注"Cx、tgδ、ε 直接显示"。这一条看似平常，实际关系到使用体验与数据可靠性。

在人工换算的方式下，操作人员要先读电容量，再按试样厚度与电极面积查表或套公式算出介电常数，中间任一环节的数字取整或笔误都会带入结果。设备把三项结果直接显示出来，等于把这部分工作交给程序，读数即所得，减少了换算环节的差错，也让记录与复核更省事。

使用中需要注意的是：ε 的换算依赖试样的厚度与电极面积，这两项试样参数必须实测输入或按设备的设定方式给定。厚度测量误差会按比例传到介电常数上，试样厚度不均则会让结果分散。因此，直接显示固然方便，前提仍是试样尺寸量得准、量得细。

十三、标准操作流程与使用规范

以下流程按这类高压介损电桥的通用做法整理，实际执行时仍应以随机使用说明书的要求为准。

其一是场地与接地。选平整、干燥、远离大型金属构件与强电设备的台面放置设备；按说明接好专用地线，接地可靠是抗干扰与安全的前提。

其二是开机预热与自检。接通电源，让设备预热到稳定状态；观察显示是否正常、量程是否处于预期档位。

其三是试样准备。按所依据的标准裁取试样，测量并记录试样厚度与电极相关尺寸；试样表面应洁净干燥，无油污、无气泡、无划伤。

其四是电极安装与试样装夹。按标准要求装好电极系统；需要保护电极时按规范接线，以抑制边缘电场带来的误差；试样与电极应贴合良好，避免因压力过大而改变厚度。

其五是选择加压方式。按被试对象的电容量与所需电压，确定采用内施高压还是外施高压；采用外施方式时，先检查外部加压装置与连线是否正确。

其六是设定测试电压。按标准或试验要求设定测试电压，设备测试电压可调分辨率为 1V，便于按需取值；升压前先确认无人接触带电部位。

其七是开始测量。启动测量，由设备完成频率变换、信号采集与数据运算；测量过程中注意观察读数是否稳定。

其八是记录读数。记录 Cx、tgδ、ε 三项结果，连同试样编号、厚度、测试电压与环境条件一并记录，便于后续复现。

其九是复测与比对。对同一试样按需取多次读数或更换位置复测，观察分散程度；如结果异常，检查接地、试样与电极状态后再作判断。

其十是断电与清理。测量结束后先切断测试电压，确认放电完毕再拆卸试样；清理电极，收好附件，按规定关机。

十四、影响测量结果的关键因素

其一是温度。介电常数与损耗对温度敏感，温度不同读数就不同。有条件时应记录测试环境温度，必要时采用带温控的电极系统。

其二是湿度。材料吸潮后，尤其是液体与多孔材料，损耗与介电常数都会明显上升。试样应在规定的温湿度条件下放置后再测。

其三是试样厚度。厚度既是换算介电常数的直接参数，也影响电容量读数。厚度应多点测量取代表值，并如实输入。

其四是表面状态与电极接触。表面不平、油污或接触不良会引入附加损耗，表现为读数偏高或不稳。

其五是边缘效应。试样边缘的电场畸变会带来误差，采用带保护电极的三电极系统可以抑制这一影响。

其六是测试电压。电压不同，材料内部气隙的放电状态与电导损耗会不同，读数也会变化。测试电压应按标准或试验要求设定并记录。

其七是测试频率。同类材料在不同频率下的介损与介电常数并不相同，不同频率测出的结果不能直接比较，试验时应明确并保持频率点。

其八是外界干扰与接地。邻近高压设备、接地不良、连线过长都会引入干扰。仪器采用变频抗干扰设计，但可靠的接地与合理布线仍是测准的必要条件。

十五、试验数据的记录与判读

记录是介损测量中容易被轻视、又很关键的一环。建议记录以下内容：试样编号与名称、试样厚度与尺寸、测试电压、测试频率、环境温度与湿度、Cx 与 tgδ 与 ε 三项结果、以及测试时间。测试条件记录得齐，结果才有可追溯性，后续与历史数据比对才有意义。

判读时可以从三个角度入手。一是与材料自身的预期比对，看读数是否落在同类材料常见区间内。二是同类试样横向比对，同批试样结果若分散较大，应先查试样与操作，而不是急于下结论。三是与历史数据纵向比对，观察同一材料在不同批次、不同时间下的变化趋势，损耗随存放或老化时间抬升，往往比单次读数更能说明问题。

需要注意的是，介损与介电常数都是条件性参数，脱离测试条件谈"好坏"容易误判。遇到明显异常值，应先复核试样、电极、接地与环境，再判断是被测对象的问题还是试验条件的问题。

十六、日常维护与保养

其一是保持清洁与干燥。设备应放在干燥、通风、少尘的环境，避免长期处于高湿场所；机箱表面与散热部位定期除尘。

其二是电极的保养。电极工作面应保持光洁，用后及时清除残留，避免硬物划伤；液体测试用的附件（如油杯）用完应按规定清洗并晾干。

其三是连线的检查。定期检查高压连线、接地线与信号线是否老化、松动，接插件是否清洁，避免因接触电阻带来额外损耗。

其四是用电与接地检查。确认专用地线可靠、电源符合要求；发现异常发热或异味应立即停机检查。

其五是不用时断电。较长时间不使用时，切断电源，罩上防尘罩，放在干燥处。

十七、典型应用场景

其一是绝缘材料检测与研发。板材、薄膜、层压件、云母制品等在配方筛选、来料检验与老化评估中，用 ε 与 tgδ 判断性能取舍。

其二是绝缘油检测。变压器油、电缆油等液体绝缘材料的损耗测量，用于判断油质状态与老化程度。

其三是电瓷与陶瓷制品。瓷套、瓷瓶等制件的介电性能测量，用于评估配方与烧结质量。

其四是电容器与套管类设备。测量电容量与损耗，判断电容器介质质量与是否受潮。

其五是电力设备的检修与交接试验。在停运检修或设备交接时，对变压器、互感器、套管、避雷器等设备的介损进行测量，作为绝缘状态判断的参考。

其六是科研与教学。在材料电性能研究、新介质开发与教学中，用于获取介电常数与损耗的基础数据。

十八、介损测量设备的发展趋势

其一是测量自动化继续深化。从人工调平衡到自动频率变换、自动运算与直接显示，测量环节的人工干预在减少，读数的一致性与效率相应提高。

其二是抗干扰能力持续强化。变频与数字滤波的组合已成为常规手段，面对更复杂的现场电磁环境，多重抗干扰设计仍是重点方向。

其三是量程与电压的兼顾。被测对象从小到几皮法的材料试样，到大到微法量级的电力设备，通过内施与外施加压方式的区分以及量程扩展，覆盖范围在持续拓宽。

其四是数据接口与记录方式的变化。标准通讯接口的配置，使测试结果可从仪器走向计算机，便于记录、归档与统计分析。

其五是与标准体系同步更新。随着固体、液体与橡胶等各类材料测量标准的修订，配套设备的测试功能也会随之调整。

十九、结语

介电常数与介质损耗角正切，是电介质材料在电场中"存得住能量、耗得起多少"的两个基本回答。把它们放到接近工况的电压下测，并让读数在干扰环境中保持稳定，是高压介损电桥存在的理由。BQS-13 型自动高压介损电桥在资料中给出的落点是：变频抗干扰覆盖 40-70Hz，内置 10KV 测试电压输出且可调分辨率 1V，内施与外施两种加压方式分别对应不同的电容量区间，Cx、tgδ、ε 三项直接显示，配标准 RS232 接口。

使用这类设备时，值得记住三点：其一，指标要连测试条件一起看，电压档、电容区间与频率点互相关联，单看某个上限数字容易误判；其二，分辨率与准确度是两回事，前者管"能看多细"，后者管"可信到什么程度"；其三，试样、电极、接地与环境是读数稳定的前提，设备再先进也无法替代这几样基础工作。所引标准均以现行有效版本为准，具体操作以设备铭牌、出厂资料与随机使用说明书为准。