一、引言：一件绝缘件为什么要盯住介质损耗

在发电厂、变电站以及各类电气设备的运行现场，绝缘性能直接关系到设备能不能安全送电、能不能长期稳定运行。绝缘材料在交流电压作用下并不是理想的隔电体，它会消耗掉一部分电能，这部分电能转成热能散失，就是常说的介质损耗。损耗变大，通常意味着材料受潮、老化或者内部存在缺陷。因此，测量介质损耗角正切值与电容量，成为判断电力设备绝缘状态的一项常规手段。

围绕这一需求，出现了以变频法为抗干扰原理的自动介质损耗测试仪。它把介损测试电桥、可变频调压电源、升压变压器与高稳定度标准电容器集成在一体，能够在强电场干扰的环境下给出相对稳定的读数，同时也能用于外部电源供电受限、需要发电机临时供电的检测场合。

二、介质损耗与介质损耗角正切

在交流电压作用下，电介质要消耗部分电能，这部分电能将转变为热能，产生损耗，这种能量损耗叫做电介质的损耗。当电介质上施加交流电压时，电介质中的电压和电流之间存在相角差，相角差的余角被称作介质损耗角，其正切值就是介质损耗角正切，常用 tgδ 表示。tgδ 值是用来衡量电介质损耗的参数，它与材料本身、含水情况、温度、施加电压以及频率都有关系。

从工程角度看，tgδ 的意义在于它把“绝缘是否变坏”这件事变成一个可以比较的数值。同一类设备、同一类材料，在相近条件下测得的 tgδ 若明显偏离历史值，就提示绝缘可能存在受潮、老化、局部缺陷等问题。这也是为什么电力系统把它列入预防性试验项目的原因。

三、介电常数与介质损耗的关系

介电常数反映材料在电场中储存电荷的能力，它和介质损耗角正切往往一起测、一起记。同类绝缘材料，介电常数偏大或偏小本身未必说明好坏，关键在于它是否稳定、是否与设计值相符；而介质损耗角正切则更直接地反映材料在交变场中耗能的多少。两项参数合起来看，才能较完整地描述一种绝缘材料的电学行为。

测试仪器之所以要同时给出电容量与 tgδ，是因为电容量本身也常常是被测对象的一项指标。对电容式套管、电容式电压互感器一类设备来说，电容量是否变化、各节电容比例是否正常，都是判断其内部是否受潮或击穿的重要线索。测 tgδ 的同时把电容量读出来，等于一次接线完成两项判断。

四、陶瓷与电瓷材料为什么关注这两项参数

陶瓷、电瓷这类材料耐热、耐压、抗老化，被大量用于户外绝缘子、穿墙套管、支撑绝缘件。它们的共同特点是：长期暴露在电场、潮湿与温差环境中，表面容易积污受潮，内部也可能因制造缺陷或长期运行而出现变化。这些变化在电学上的表现，往往先是介质损耗升高，随后才可能出现更明显的问题。

因此，对新出厂的陶瓷绝缘件做介质损耗与电容量的测量，可以核对制造质量；对运行中的设备做同样的测量，则可以跟踪其绝缘状态的变化趋势。测量所用的电压等级、环境温度与湿度、接线方式都需要记录下来，读数才有可比性。本文所述的设备正是面向这类现场与实验室测量需求设计的一体化测试仪器。

五、测量原理：标准回路与被试回路的比较

仪器测量线路包括一个标准回路（Cn）和一个被试回路（Cx）。标准回路由内置高稳定度标准电容器与测量线路组成，被试回路由被试品和测量线路组成。测量线路由取样电阻、前置放大器和 A/D 转换器组成。通过测量电路分别测得标准回路电流与被试回路电流的幅值及其相位差，再由数字信号处理器运用数字化实时采集方法，通过矢量运算得出试品的电容值和介质损耗正切值。仪器内部已经采用了抗干扰措施，目的在于保证在外电场干扰下仍能准确测量。

这种“标准与被试比对”的思路，是介损测量的基本框架。标准回路提供一把稳定的尺子，被试回路给出待测的值，两者在同一时刻、同一状态下取值，外部条件对两条回路的共同影响可以在运算中相互抵消一部分，测量结果的稳定性因此得到改善。

六、变频法与抗干扰原理

现场测量常遇到一大麻烦：周围带电设备产生的工频电场会串入测量回路，干扰读数。这类仪器的应对办法是采用变频法。仪器内部的逆变器产生测试高压源，经变压器升压后用于被试品测试，测试频率可以变换，覆盖 50Hz、47.5Hz 与 52.5Hz、45Hz 与 55Hz、60Hz、57.5Hz 与 62.5Hz、55Hz 与 65Hz 等多组挡位。

配合数字陷波技术，仪器可以选择与工频不同、又能避开干扰的频率进行测量，从原理上减弱工频电场对测量的影响。对全部停电后需要用发电机供电检测的场合，这种设计同样适用，因为测试电源由仪器内部产生，不受市电频率波动的影响。

七、三种基本接线方式：正接法、反接法、自激法

仪器使用内高压、内标准的方式测试，提供正接法、反接法和自激法三种基本方式，不同方式的区别主要在被试品的接地情况和高压加在哪一端。

正接法时，被试品低压信号端接到 Cx 插座的中心芯线，金属外壳接黑色信号线屏蔽层；若被试品低压信号端带有屏蔽极，则把屏蔽层接到屏蔽极，没有屏蔽极时屏蔽层悬空。反接法时，被试品高压端接地，高压线连到被试品低压端，红色高压线的屏蔽层接试品，Cx 端悬空。自激法用于电容式电压互感器一类设备，由仪器的自激输出为互感器提供测量所需的高压电源，自激输出变压器的一端已接地，另一端接到互感器的自激线圈。

选择哪种方式，取决于被试品能否与地隔离、高压侧是否已接地、以及现场是否具备相应的安全条件。接线一旦确定，测量过程中就不应随意改动，否则读数失去可比性。

八、CVT 与电容式设备的测量

仪器可以测试全密封的 CVT（电容式电压互感器）的 C1、C2 的介损和电容量，也可以在不拆除 CVT 高压引线的情况下正确测量其介质损耗值和电容值，还可以采用反接屏蔽法测量 CVT 上端 C0 的介质损耗值和电容值。

这几项能力对现场检测很实用。CVT 的高压引线往往不便拆除，若能用不拆引线的方式完成测量，既节省停电时间，也减少了拆接引线带来的风险。反接屏蔽法则针对上端一节电容的测量需求，通过屏蔽把不需要计入的部分从测量回路中分离出去。

九、执行标准与适用对象

这类设备的现场使用，通常参照电力设备的预防性试验与交接试验类要求，例如《电力设备预防性试验规程》一类文件对介质损耗角正切与电容量的试验周期、限值和试验条件都作了规定；绝缘油介质损耗的测量则常参照绝缘油介质损耗因数测定相关的标准；电气装置的交接试验也有对应要求。具体到某一类被试品，例如套管、互感器、变压器绕组、绝缘油，各自适用的试验电压与判定限值并不相同，实际执行时应以所依据标准的现行有效版本为准。

十、整机架构与设计思路

从结构上看，这类仪器把几大功能块装进一个机箱：其一是高压产生部分，由内部逆变器与升压变压器构成，把低压变成可调的高压输出；其二是测量部分，由标准回路、被试回路、取样电阻、前置放大器与 A/D 转换器构成，负责把电流的幅值与相位信息采集下来；其三是运算与控制部分，由数字信号处理器完成矢量运算、变频控制与流程管理；其四是人机交互部分，包括触摸显示屏、按键与打印机；其五是数据管理部分，包括内部存储器与 U 盘导出通道。

一体化设计的用意在于减少现场布置环节。测试电桥、电源、升压变压器与标准电容器都在机箱内，现场只需接入被试品与电源、接好接地，就可以开展测量，不必像分体式设备那样逐个部件接线、逐个部件核对，出现接线错误的概率也随之下降。

十一、主要技术指标

• 使用条件：-15℃∽40℃，RH＜80%

• 抗干扰原理：变频法

• 电源：AC 220V±10%，允许发电机

• 高压输出：0.5KV∽10KV，每隔 0.1kV

• 高压输出精度：2%

• 高压输出电流：200mA

• 高压输出容量：2000VA

• 自激电源：AC 0V∽50V/15A

• 自激电源频率：50HZ、60HZ 单频；45HZ/55HZ、47.5HZ/52.5HZ、55HZ/65HZ、57.5HZ/62.5HZ；自动双变频

• 分辨率：tgδ（0.001%）、Cx（0.001pF）

• 精度：△tgδ 为 ±(读数1.0%+0.040%)，△Cx 为 ±(读数1.0%+1.00PF)

• 测量范围：tgδ 无限制

• 测量范围：Cx 为 15pF＜Cx＜300nF

• 测量范围：10KV 时 Cx＜40nF

• 测量范围：5KV 时 Cx＜150nF

• 测量范围：1KV 时 Cx＜300nF

• 测量范围：CVT 测试 Cx＜300nF

• 外型尺寸（主机）：350（L）×270（W）×270（H）mm

• 外型尺寸（附件箱）：350（L）×270（W）×160（H）mm

• 存储器大小：200 组，支持 U 盘数据存储

• 重量（主机）：22.75Kg

• 重量（附件箱）：5.25Kg

十二、高压输出与升压控制

高压输出范围是 0.5KV∽10KV，每隔 0.1kV 可调，输出精度 2%，输出电流 200mA，输出容量 2000VA。升压过程由仪器内部控制，测试时电压值根据先前选择的测试电压平滑上升至设置值后保持不变，然后自动开始测试。

升压之所以要“平滑”，是为了避免突变对测量回路和被试品造成冲击。选择测试电压时，需要先确认被试品的耐压等级，正确选择升压挡位，防止击穿设备、损坏仪器。不同被试品适用的试验电压并不相同，资料中给出的参考接线对电压互感器、电流互感器、套管、变压器等分别指定了试验电压，现场应按对应条目执行。

十三、自激电源与多挡变频

自激电源为 AC 0V∽50V/15A，用于自激法测量 CVT 时向互感器的自激线圈供电。由于低压输出电流较大，需要用仪器专用连接线连接到互感器二次绕组，并保证接触良好；选择正接法或反接法测量时，这个输出是关闭的。

自激电源的频率同样支持多挡设置：50HZ、60HZ 为单频，45HZ/55HZ、47.5HZ/52.5HZ、55HZ/65HZ、57.5HZ/62.5HZ 为成对变频，另有自动双变频方式。变频的意义在前面已经提到，主要是在存在工频干扰的现场，选择一个相对干净的频率来测量，从而减弱干扰对读数的影响。

十四、分辨率与精度怎么读

分辨率与精度是两项容易被混为一谈的指标。分辨率指仪器能够分辨出的量值变化幅度，tgδ 为 0.001%，Cx 为 0.001pF；精度指读数与真值之间可能存在的偏差范围，△tgδ 为 ±(读数1.0%+0.040%)，△Cx 为 ±(读数1.0%+1.00PF)。

这两项的表达方式值得细看。它们都由两部分相加组成：一部分与读数本身成正比，一部分是固定的绝对值。也就是说，读数越小，固定的那部分在总误差里占的比重就越大；读数越大，按比例的那部分越占主导。解读测量结果时，若不考虑这一结构，容易对小读数下的绝对偏差估计不足，或者对大读数下的比例偏差估计不足。测量范围中 tgδ 标为“无限制”，而 Cx 则有明确的上下限，读数是否落在合理区间，也要结合这两项一起判断。

十五、测量范围与不同电压下的电容量上限

Cx 的测量范围是 15pF＜Cx＜300nF，但这个范围会随测试电压而收缩：10KV 时 Cx＜40nF，5KV 时 Cx＜150nF，1KV 时 Cx＜300nF。CVT 测试时 Cx＜300nF。

这组数据说明了一个在现场常被忽略的约束：电压越高，仪器能够承受的被试品电容量越小。原因不难理解，被试品电容量越大，在同样电压下流过的电流越大，而仪器的输出电流有上限，超过这个上限就无法维持设定的测试电压。所以选测试电压时，除了看被试品的耐压等级，还要看它的电容量是否落在该电压档对应的范围之内。若选择的电压过高、电容量超出范围，测量可能无法正常完成。

十六、触摸屏、数据存储与导出

仪器配有大尺寸全触摸液晶显示屏，中文界面，操作过程按屏上提示逐步推进，操作人员不需要额外的专业培训就能使用。屏幕尺寸为 120mm×90mm。使用时应避免长时间阳光暴晒，避免重物挤压和利器划伤。

仪器内部配备有日历芯片和大容量存储器，可保存数据 200 组，检测结果按时间顺序保存，随时可以查看历史记录，并可以打印输出。数据还可以通过 U 盘导出，在任意一台 PC 机上查看和管理。导出时需要注意：数据传输过程当中严禁拔出 U 盘，只有当数据传输完毕后并且液晶屏上出现拔出 U 盘的提示后，方可拔出，否则有可能烧毁 U 盘。

存储器的容量决定了历史数据的保留深度。200 组的容量适合现场逐台设备、逐次试验的记录管理，按时间顺序排列，便于比对同一设备在不同时间点的测量结果。数据查询时，仪器按测量时间的先后排列，编号靠前的对应较新的数据，编号靠后的对应较早的数据，翻页时留意这一点，可以避免读错记录。

十七、打印机与随机配件

仪器带有全自动热敏打印机，打印纸宽 55mm。显示可打印的数据时，把光标移动到“打印”项按确认键即可打印。更换打印纸时需使用热敏打印机专用打印纸：先扳起打印机旁边的卡扣，打开打印机盖板，按顺序把打印纸放入打印纸仓内并留少许部分在外面，随后合上盖板。搬运过程中若因卷纸松动出现打印卡纸，把卷纸取出、绕紧后重新装入即可。

随机配件方面，资料列出的清单包括仪器主机 1 台、附件箱 1 个、红色高压测试线 1 根、黑色低压测试线 1 根、CVT 自激电源线 1 根、AC220V 电源线 1 根、接地线 1 根、使用说明书 1 份、出厂合格证 1 份，以及保险管、打印纸备用若干。具体随机配件视出货型号的差异可能有所不同，收货时应照清单逐项核对。

十八、标准操作流程与使用规范

其一是使用前的准备。先阅读使用说明书，确认被试品已经停电并完成绝缘检测，确认场地具备可靠接地点，把仪器放置在平稳处，接好电源与接地。

其二是接线。按所选测量方式的接线提示连接仪器与被试品，正接法、反接法、自激法各有对应的接法，电缆芯线与屏蔽层的位置不能颠倒，接头要保证零电阻连接。

其三是参数设置。打开电源开关进入主菜单，选择相应的测试选项，进入参数设置界面，逐项设置测试电压、测试频率等参数，按增加、减小或选择来修改，改完点击保存。

其四是启动测试。长按启动测试进入测试菜单，仪器按设定电压平滑升压并保持，随后自动变频到相应频率进行测量，测量完成后自动显示结果并保存。

其五是读取与打印。查看显示屏上的 tgδ 与 Cx 结果，需要留档时点击打印输出；需要归档到电脑时，用 U 盘导出。

其六是数据查询。在主菜单进入数据管理，再进入数据查询，按上下键移动光标至需要查看的记录，进入后可翻页查看并进行打印。

其七是时间设置。点击参数设置进入时间设置界面，调整时、分、秒后保存；点击取消则退出设置并返回主界面。

其八是收尾。测试结束后关闭总电源，拆除接线时应先断开高压端、再断开其他连线，在强干扰环境下拆除接线，应在保持电缆接地状态下断开连接，防止感应电击。

其九是紧急情况的处理。测试过程中若遇紧急情况需要停止，只能按紧急停机按钮，不要按复位键；紧急停机按钮按下后，仪器从内部立即切断高压输出。

其十是记录。把被试品名称、测试方式、测试电压、测试频率、环境温湿度与测量结果一并记录，便于后续比对。

十九、影响测量结果的关键因素

其一，接地是否可靠。仪器内部自带接地保护装置，测试中应当保证可靠接入地网，否则仪器将自动产生保护、不开始升压测试。接地不良也会给测量带来误差。

其二，屏蔽层的接法。正接法、反接法、自激法对屏蔽层的处理各不相同，接错会影响读数；用标准介损器或标准电容器检测精度时，应使用全屏蔽插头连接，否则暴露的芯线可能受到干扰引起误差。

其三，测试电缆。仪器测量电缆通用，但本类仪器属于高精密测量设备，测量时应尽量使用出厂时附带的测试电缆，否则可能因电缆自身的属性差异影响测量结果的精度。

其四，环境温湿度。使用条件规定为 -15℃∽40℃、RH＜80%，超出范围可能影响测量精度。温度对介质损耗的影响尤为明显，不同温度下的读数不宜直接比较。

其五，干扰强度与频率选择。变频法能减弱工频干扰，但在干扰很强的场合，仍应合理选择测试频率，必要时改变接线方式或调整被试品的接线状态。

其六，CVT 测量时的接线状态。CVT 测试时高压线应悬空、不能接触地面，否则其对地附加介损会引起误差。

其七，测试电压的选择。电压选得过高可能超出对应电压档的电容量上限，或对被试品造成风险；选得过低则可能使读数偏小、信噪比不足。

其八，读数时机与接触状态。测试过程中应保证插座中心测试芯线与被试品端零电阻连接，否则可能引起测量结果的数据波动。

二十、安全注意事项

其一，本仪器只能在停电设备上使用，其它设备可不断电。其二，仪器自带有升压装置，应注意高压引线的绝缘及人员安全。其三，仪器必须可靠接地。其四，使用本仪器检测设备前，应先对被试设备进行绝缘检测。其五，应确定设备的耐压等级，正确选择仪器升压档位，以防击穿设备、损坏仪器。其六，仪器所配专用高压电缆出厂时已检测合格，但测量时仍需远离人体。其七，输入电压为 AC220V±10%，超出范围都有可能影响测试精度；输入电压达到 AC264V 及以上会造成损坏，对此厂家不予保修。其八，仪器应注意防潮、防剧烈震动。其九，发电机供电时应将输出零线接地，否则会提示接地有误。其十，启动测试的过程中，切勿拔下插头，也不要触碰高压插座及与之相连的相关设备。

二十一、日常维护与保养

日常保养的重点有几处。屏幕要避免长时间阳光暴晒与机械损伤；打印机的热敏纸与打印头部位要保持清洁，出现卡纸按前述方法处理；电缆与插头要避免弯折和拉扯，屏蔽层破口会影响测量；接地线要单独检查，保证可靠接地；仪器内部的标准电容器是关键部件，不应随意拆动。

长期存放应放置在干燥、通风、温度适中的环境，避免剧烈震动。定期检查的内容包括：接头接触电阻是否正常、电缆绝缘层是否老化、显示屏与按键是否灵敏、打印机是否正常走纸，以及测量结果与历史值之间是否存在无法解释的偏差。若发现偏差持续存在，应先排查接线与接地，再考虑送检或返修。

二十二、典型应用场景

在电力系统内部，这类介损测量主要用于几类对象：一是电容型设备，包括电容式套管、电容式电压互感器，测量其电容量与介质损耗，判断是否受潮或内部击穿；二是互感器类设备，包括电压互感器与电流互感器，按不同接线方式测量各绕组之间的绝缘状况；三是变压器绕组，测量一次绕组对二次绕组、绕组对地之间的介质损耗；四是高压穿墙套管，测量芯棒对末屏、末屏对地的介损；五是绝缘油，通过配用绝缘油杯加温控装置测量绝缘油介质损耗；六是标准电容器与标准介损器，用于核对仪器本身的测量精度。

在制造环节，陶瓷、电瓷一类绝缘件的出厂检验同样使用这类测量，以核对产品的介质损耗与电容量是否符合设计要求。在科研与教学场合，它还可以用于研究温度、湿度、频率等因素对材料介电行为的影响。

二十三、测试设备的发展趋势

从近年来的发展看，这类设备有几个可以观察到的方向。其一是进一步压缩现场工作量，把接线方式做成可选的智能判别，减少人工选线判断的环节。其二是数据管理的加强，测量结果不只在仪器内留存，还要便于导出、汇总与比对，形成设备绝缘状态的长期台账。其三是抗干扰能力的持续改进，通过更灵活的频率选择与更强的数字处理能力，应对复杂电磁环境。其四是使用安全性的提升，通过绝缘检测、接地检测、过压过流保护等多重措施，把误操作的风险控制在设备侧。其五是与其他检测手段的配合，把介损测量与局部放电、红外测温等手段结合起来，让绝缘状态的判断更立体。

二十四、结语

介质损耗角正切与电容量这两项参数，看起来只是一个数值，实际反映的是绝缘材料在交变电场中长期消耗能量的情况。陶瓷、电瓷一类的绝缘件，长期工作在户外与强电场环境，材料的微小变化会先体现在这两项读数上。围绕这一需求设计的自动介质损耗测试仪，把测量电桥、变频电源、升压变压器与标准电容器集成在一起，用变频法削弱工频干扰，用标准回路与被试回路比对的方式取得读数，为现场与实验室提供了一种相对简便的测量方式。

对使用方来说，把仪器用好大体有三件事：一是接线与接地做规范，二是测试条件保持一致并记录下来，三是把读数与设备的运行状态、历史数据联系起来看。做到这三点，一次测量才不只是得到一个数字，而是一次对绝缘状态的判断。