變壓器電介質頻率響應測試系統研制

劉 君，張華強，王 華，胡敏恒，李 波

(成都電業局，四川 成都 610041)

變壓器承擔著電壓的轉化及能量傳輸，是電力系統最重要設備之一，其絕緣狀態關系著牽引供電系統運行的安全性及可靠性。變壓器長期經受過負荷沖擊，絕緣故障(尤其是繞組變形等機械作用引起的絕緣故障)的發生頻率較高［1，2］。油紙絕緣狀態及其性能將嚴重影響變壓器絕緣的電氣壽命和機械壽命，如何對變壓器油紙絕緣狀態進行評估一直是業內廣泛關注的技術難題［3，4］。變壓器絕緣狀態評估傳統測試法(如絕緣電阻測量、介質損耗正切測量等)局限于單個信息，提供的絕緣信息少，所受干擾因素多，難以建立絕緣狀態與測試結果對應關系。電介質響應法作為一種新的絕緣測試方法，其研究始于20世紀80年代，90年代后回復電壓法、極化去極化電流法等時域電介質響應法陸續涌現［5，6］，而頻率響應法由于所獲信息量大、測試電源電壓低而受到廣泛關注［7-9］。因此有必要開展電介質頻率響應法的變壓器絕緣狀態評估［9，10］。下面闡釋了電介質頻率響應原理，研制了微電流測試系統、信號采集、信號處理、上位機軟件等組成的電介質頻率響應系統，并應用于現場220 kV變壓器狀態測試評估。

1 電介質頻率響應原理

在平板電容兩端加上時變電壓U(t)，將產生空間均勻電場E(t)=U(t)/d，d為電極間距離。電極兩端產生電位移D(t)，由真空即時貢獻ε0E(t)(ε0為真空介電常數)和慣量延遲的極化響應P(t)所組成［11，12］，即

根據電介質物理，極化響應的傅里葉變換可表示為［19］

式中，ε∞為極高頻介電常數;ω為角頻率;χ(ω)為頻率相關的復極化系數。

由于麥克斯韋方程式定義的全電流包括電導電流及位移電流［19］，即電流密度為

式中，σ0為直流電導率，式(3)的傅里葉變換為

式中，ε'(ω)為復介電常數 ε(ω)實部;ε″(ω)為虛部;復極化常數的實部表示了位移電流與激勵電場垂直的部分，對損耗無貢獻;而其虛部給出了位移電流與激勵電場同相位的部分，為損耗部分。因此，極化過程可以通過測試激勵電壓下的響應電流幅值和相位來研究［11，12］。系統響應電流為

式中，I(ω)為響應電流;U(ω)為激勵電壓;C0為幾何電容;C'(ω)、C″(ω)分別為復電容 C(ω)的實部及虛部。在不同頻率范圍內，油紙復合絕緣老化、溫度、微水含量將改變其值。

2 電介質頻率響應測試系統

所研制的電介質頻率響應測試系統包括微電流測試系統、信號采集、數據處理、上位機軟件等，圖1為裝置系統圖。

圖1 電介質頻率響應測試系統圖

2.1 微電流測試系統

變頻驅動系統采用XD5A超低頻信號發生器，頻率范圍為0.001～1000 Hz，誤差為＜1.5%，最大輸出電壓/電流為100 V/50 mA，正弦信號失真度為＜0.2%。如果測試對象的電容為1000 pF，根據歐姆定律，流過試樣電流為

在0.001 Hz，驅動電壓100 V情況下，流過的電流為0.628×10-9A。因此，響應信號非常微弱，測得的信號非常容易受到外界噪聲干擾。因此，對信號提取以及信號調理電路要求非常高。

(1)信號提取

根據圖1所示的電介質頻率響應現場測試系統圖，測試對象為流過待測試樣的微電流。為方便測量，通過I-V轉換電流將待測電流信號轉換為電壓信號。反饋電流放大型測量電路在頻率響應特性及轉換線性方面的優異性能，測量電路的設計是基于反饋式電流放大器型I-V轉換電路，如圖2所示。根據電路原理，可以得出

圖2 I-V轉換電路原理

根據需要放大倍數，通過選取適當的Rf值即可實現。微電流測試時，運放的輸出誤差還受失調電壓VOS、偏置電流Ib影響，選擇的運放需滿足:偏置電流Ib＜被測電流Is，輸入阻抗Ri＞＞反饋電阻Rf;增益、共模抑制比高;失調電壓及漂移小;噪聲小。因此，根據以上所提到的對運放的要求，該測試儀選用TI公司的OPA128LM低噪聲放大器。

(2)信號放大

由于Rf一般達到M級，其雜散電容使測試信號產生畸變。圖3所示的電路為雜散電容消除電路，其中Cf為電路中的雜散電容，R1與C1為外加的RC網絡。通過調整電阻R1和電容C1的取值，使其滿足

從而達到消除寄生電容的影響。

圖3 雜散電容消除電路

由于待測電流信號為10-9A，所需放大倍數較高，設計兩級放大電路。系統電路如圖4所示，通過一個500 MΩ電阻和120 pF的電容的并聯電路作為油紙復合絕緣的模型，Rf為10 MΩ，其引入的雜散電容通常為0.5 pF，則根據式(5)～(3)選取R1為5 kΩ，C1為1 nF配合組成雜散電容消除電路;在第二級放大電路中，放大倍數為R3/R2=10，其阻值分別為100 kΩ和10 kΩ，由于這兩個電阻為kΩ級，故其雜散電容可忽略不計，微電流測試電路如圖4所示。

圖4 系統電路原理圖

2.2 數據采集

數據采集是采用NETVI-4712型8通道數據采集儀。其采樣頻率為2.5 K～50 M，A/D分辨率為12 bit，直流精度為±0.2%(FS)，交流精度為 ±0.5%(1000 Hz)，通道間相差 ＜1°(3 ×105Hz)，輸入信號帶寬為0～15 MHz。采集軟件是基于DaqView 2.11為基層軟件開發，系統能夠對不同頻率條件下的介質響應信號采集，其采集界面如圖5所示。

圖5 數據采集界面

2.3 上位機軟件

采用C++builder編制上位機軟件，對采集信號進行處理。通過幾何可換算為復介電常數，通過測試輸出電壓與微電流幅值及相角差來計算待測對象復電容的實部及虛部，并可通過幾何C0按式(6)換算為復介電常數。輸出電壓與微電流之間的相角利用過零比較法得到，上位機界面如圖6所示。

所建立的電介質頻率響應現場測試系統如圖7所示。系統測試頻率范圍為0.001～1000 Hz，最大輸出電壓/電流為100 V/50 mA，測試對象范圍為100 pF ～100 μF。

圖6 測試系統上位機軟件界面

圖7 電介質響應現場測試系統

3 變壓器電介質頻率響應測試

基于電介質響應的基本原理，選取兩臺220 kV油浸式變壓器進行電介質響應測試，進行電介質頻率響應測試評估。1號變壓器投運時間為2009年9月，2號變壓器投運時間為2004年8月。變壓器停電后，解除連接在變壓器高低壓套管的所有引線，將變壓器整體隔離，低壓側套管并聯，高壓側套管并聯，對高低壓套管間變壓器主絕緣進行電介質頻率響應測試，接線方式如圖8所示，測試結果如圖9所示。

由圖9可以看出，所研制的變壓器電介質頻率響應測試系統能有效地測試出220 kV變壓器主絕緣電介質頻率響應。由于1號主變壓器投運時間較2號主變壓器晚5年，測試結果能反映出1號主變壓器絕緣狀態優于2號主變壓器。

圖8 現場接線原理圖

圖9 變壓器高低壓繞組主絕緣電介質頻率響應

4 結論

根據電介質理論，闡釋了電介質頻率響應原理，研制了微電流測試系統、信號采集、信號處理、上位機軟件等組成的電介質頻率響應系統，并應用于現場220 kV變壓器主絕緣電介質頻率響應測試。所研制的變壓器電介質頻率響應測試系統能有效地測試出220 kV變壓器主絕緣電介質頻率響應。測試結果能反映其絕緣狀態。

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