工频电桥介电常数测试仪

工频电桥介电常数测试仪概述：西林电桥,主要用于测量高压工业绝缘材料的介质损失角的正切值及电容量。其采用了西林电桥的经典线路。主要可以测量电容器，互感器，变压器，各种电工油及各种固体绝缘材料在工频高压下的介质损耗( tgd)和电容量( Cx)以，其测量线路采用“正接法"即测量对地绝缘的试品。电桥由桥体、指另仪、电位跟踪器组成，本电桥特别适应测量各类绝缘油和绝缘材料的介损（tgd）及介电常数（ε）。

工频电桥介电常数测试仪技术指标：2.1  测量范围及误差
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

介损损耗tgδ        0-1                 ±1.5%  tgδx±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

介损损耗tgδ       0-0.1           ±1.5%  tgδx±0.0001

2.2 电容量及介损显示精度：

电容量： ±0.5%  

介  损： ±1.5％tgdx±1×10^-4

标准电容器（SF₆）

概述：在每个高压实验室和试验中，压缩气体标准电容器是一种必要的仪器。在这些场合中，它有许多重要的作用。在电桥电路中压缩气体电容器被用来测量电容器、电缆、套管、绝缘子、变压器绕组及绝缘材料的电容和介质损耗角正切值（tgδ）。而且，还可以用作高压测量电容分压装置的高压电容。在某些条件下，还可以在局部放电测量中作高压耦合电容器

特点：电容极稳定 、气压和温度的变化对电容的影响可以忽略、介质损耗极小

结构简介：

外壳由绝缘套筒及钢板制成的底和盖组成，底和盖用螺栓及环紧固在绝缘套筒的两端。在电容器的上下两端有防晕罩。

电容器外壳内装有同轴高度抛光的圆柱形高低压电极

电容器设有压力表及气阀，供观察内部压力及充放气使用

技术参数：

电容器安装运行海拔不超过1000米，使用周围空气温度-10℃~40℃，相对湿度不超过70%

电容器的工作频率为100Hz/50HZ

电容器实测值误差不大于±0.05%，与标称值误差不大于±3%

电容器温度系数 ≤ 3×10^-5 /℃

电容器压力系数 ≤ 3×10^-3Mpa

电容器的损耗角正切值不大于1×10^-5 、2×10^-5 、5×10^-5 三档

电容器内充SF₆气体。在20℃时，压力为0.4±0.1Mpa

固体电极简介：

本电极适用于固体电工绝缘材料如绝缘漆、树脂和胶、浸渍纤制品、层压制品、云母及其制品、料、电缆料、薄膜复合制品、陶瓷和 玻璃等的相对介电系数（ε）与介质损耗角正切值（tgδ）的测试本电极主要用于频率在工频50Hz下测量试品的相对介电系数（ε）和介质损耗角正切值（tgδ

本电极的设计主要是参照国标GB1409。本电极采用的是三电极式结构，能有效的消除表面漏电流的影响，使测量电极下的电场趋于均匀电场

主要技术指标

环境温度：20±5℃
相对湿度：65±5%
高低压电极之间距离：0~5mm可调
百分表示值误差：0.01mm(一粒1.5V氧化银电池供电)
测量极直径：70±0.1mm
空极tgδ：≤5×10^-5
空极电容量：40±1pF
Z高测试电压：2000V
实验频率：50/100Hz
体积：Ф210mm H180mm

重量：6kg

高压电源：

热释电材料都具有压电性，有些还具有铁电性，其介电常数与测试频率有关，同时还与温度、压力、湿度、测试电压强度以及样品的老化过程等有关。

因此在测量低频介电常数时，对上述有关条件应做出明确规定。测试条件测试的大气条件条件如下：——温度：15℃~35℃；——相对湿度：25%~75%；——大气压力：86kPa~106kPa。

仲裁测试的大气条件如下：——温度：25℃±2℃；——相对湿度：25%~75%；——大气压力：86kPa~106kPa。

一、简介

高压电源采用*数字电路技术，测试电压、漏电流均为数字显示，可以直观、准确、快速、

安全的输出高压。

二、技术规格

1.输出电压(交流）0～10kV（±3%±3个字.a型为0～5KV）
2.漏电流(交流）MAX  20mA（±3%±3个字,可调）
3.变压器容量：1000VA
4.输出波形：100Hz正弦波
5.工作电压：AC220V±10%
6.使用环境：
环境温度：0～40℃
相对湿度：（20～90）%消
7.耗功率：大75VA
8.外形尺寸：320mm（宽）×170mm（高）×245mm（深）
9.重量：10Kg

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(50H z-60H z)
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.1) 。其中两个臂主要是电容(未知电容Cx和一个无损耗电容C,)。另外
两臂(通常称之为测量臂)由无感电阻R，和R:组成，电阻R,在未知电容Cx的对边上，测量臂至少被
一个电容C,分流一般地说，电容C:和两个电阻R,和R:中的一个是可调的
如果 采 用 电阻R、和(纯)电容 C 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:
。。R
L兑= 七N . 二了~
x ,
·······。。。······。·············⋯ ⋯ (A.1)
和
如果电阻R,
tan入=.CsR,=.C,R, ························⋯⋯(A. 2)
被一个电容矶分流，则tans的公式变为:
tan 入 = - C ,R 一 。C ZR 2 ··· ··· ··· ··· ··· ··· ··· ··· ··· ⋯ ⋯ (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50p F-10 00p F的电容在
50 Hz时的阻抗为60 Md2-3 Md2，在100 kHz时的阻抗为3 000 Q-1 500 S1
频率 为 100k Hz时，桥的四个臂容易有相同数量级的阻抗，而在50H z-60H z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C}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C、和C、是一
致的，这个保护对于Ch来说是*的。
由于 选 择 不同的接地方法，实际上形成了两类电桥。
A.1.2.1 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人一个通常使tans的测量精度限于
0.1%数量级的误差，当电容cx和Cw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
Z, .Z.(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
Zu)以使在Z,和Z‑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。

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C、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人(这在电子设备中是常有的)。
然 而这 样 的检测器只要接地输人端总是连接于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.3 .
当 电桥 平 衡时，复电抗Z、和ZM之间的比值等于电压矢量U 和U:间的比值。如果电压矢量的比
值是已知的，便可从已知的Zx,推导出Zx。在理想电桥中比例U,/U :是一个系数 K，这样 ZK- K ZH
实际上ZM的幅角直接给出ax
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U，是高压，U: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:
l 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U,和U 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,/U :与其理论值之间的差) 这种误差随负载
而变化尤其是U 和U2之间的相位差，它会直接影响tans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Z、进
行。如果C、与Cx的值相同.这实际上是替代法，测试前应校正。但由于C、很少是可调的，因此负载
的变化对Cx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CN时，用一个转换开
关把CX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IJ上的一个纯电容C、校正时，承受电压U2的测量阻抗ZM组成如下:
) 如 果 U:和U,是同相的(理想情况)，则用一个纯电容CM组成。
2) 如 果U:超前U,，则用一个电容C‑和一个电阻R‑组成
3) 如 果 Ue滞后于U,，则电阻Ret,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U3(图A.5 )
注 :不 可 在蛛 匕串接 一个电阻 因为如果将电阻接在电容器后面会破坏 C,测量极和保护极间的等电位;如果将
电 阻接 到 C、 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R} 但在低压边容易将三个电阻R‑R:和侧以星形联接来得到一个与电容并联的可调高值电阻。如图八.5下面的虚线所示。这时有

但 是 ，可 调 侧 量 电 容C}必须是纯电容性的或已知其损耗低(在西林电桥中的测量电容C:不需满足这些苛刻要
求 )。
A.2.3 高频电桥
上面 的 一 些叙述也同样适用于高频电桥。但由于它不再是一个高压电桥，因此承受电压U，的臂
能容易地引人可调元件;替代法在此适用
还应 指 出，带有分开的初级绕组的电桥允许电源和检测器互换位置。其平衡与在次级绕组中对应
的安匝数的补偿相符
A.2.4 关于检测器的说明
由于 测 量 臂的一端接地的，因此不必要使用对称输人的检测器
A.3 并联T型网络
在 并 联 T型网络桥路中，从振荡器经过两个 T形网络流向检测器的两股电流在检测器输人处是大
小相等而方向相反的。在这个电路中，振荡器和检测器都能有一端接地;且在有些可能电路中试样和用
于平衡的每一个可变元件也有一端接地。
图 A. 6 出示了只使用电阻和电容简单的并联T型网络。测量电介质材料常用的电路的原
理如图A.7所示。这种电路的平衡条件如下(在开路的X,X端子之间)

实际上是将一个可变电容器接到X,X端，且其电容Cv和它的电导改变了L和RF的表观值，使电
路达到平衡;然后再将试样接到X,X端，通过调节电容Cv和C*恢复电桥平衡。
此 时 :
试样电容等于Cv的减少量Acv;
试样的电导G:

式 中 :
'IC ‑- C,;的增量
在 50 k Hz到50M Hz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)会引人很大的误差。
A. 4 谐振法(Q表法)
谐振 法 或 Q表法是在10k Hz到260M Hz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将谐振电路藕合到振荡器上，也可用其他的祸合方法。
操作 程 序 是在规定的频率下将输人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Uo 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U 的值。
在接 人 试 样并重新调节线路时，只要R,G <Q 见图A.8 )其 总电容几乎保持不变。试样电容近似于
AC，即是可变电容器电容的变化量
试样 的损 耗因数近似为:

式中:
C— 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 o— 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
人的阻抗。对于高的损耗因数值，R,G < 1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(Haztsh。二)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人
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CP。

中:
AC— 接人试样后，在谐振的两侧当检测器输人电压等于谐振电压的抓习2时可变电容器M,
(图 " 的 两 个 电 容 读数之差
AC— 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高频下会变得相当大，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 10M Hz,因此，必须在
10 M Hz 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侧量。假设Cw和tan丙 为不贴电
极的 试 样 的电容和损耗因数，则计算公式为:

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 k Hz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人测量
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人一个接地屏蔽，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。

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，调节放大器或引人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