介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)淺析

張緯怡 吳凱

摘 要 介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)是判斷電氣設(shè)備絕緣性能較為有效的方法，能直接、明顯地反映出絕緣的整體受潮、劣化變質(zhì)等分布性缺陷。因此，在電氣設(shè)備（如電力變壓器、高壓開(kāi)關(guān)、互感器、套管、耦合電容等）交接和例行試驗(yàn)中，介質(zhì)損耗因素試驗(yàn)已得到廣泛的應(yīng)用。本文較為系統(tǒng)地闡述了介質(zhì)損耗因數(shù)的定義、試驗(yàn)等值電路及向量圖、試驗(yàn)?zāi)康摹y(cè)量?jī)x器及影響試驗(yàn)結(jié)果的因素。

關(guān)鍵詞 介質(zhì)損耗因數(shù) 電氣試驗(yàn) 西林電橋

中圖分類(lèi)號(hào)：TM93 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0745（2021）09-0058-02

1 介質(zhì)損耗因數(shù)的基本概念

1.1 電介質(zhì)損耗的組成

電介質(zhì)損耗由以下三部分組成：

1.電導(dǎo)損耗。當(dāng)給電介質(zhì)施加交流電壓時(shí)，電介質(zhì)中會(huì)有電導(dǎo)電流流過(guò)，電介質(zhì)因此而發(fā)熱產(chǎn)生損耗，通常這部分電流都很小。

2.游離損耗。電介質(zhì)中局部電場(chǎng)集中處（如固體電介質(zhì)中的氣泡，氣體電介質(zhì)中電極的尖端等），當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度高于某一值時(shí)，介質(zhì)局部就會(huì)產(chǎn)生放電，同時(shí)伴隨能量損耗。

3.極化損耗。由于介質(zhì)結(jié)構(gòu)的不均勻，在交流電場(chǎng)作用下，使不均勻介質(zhì)邊界面上的電荷，時(shí)而積聚，時(shí)而消失，電荷積聚和消失都要通過(guò)介質(zhì)內(nèi)部，這樣就造成了一定的能量損耗。

1.2 介質(zhì)損耗因數(shù)的定義

與介質(zhì)損耗不同的是，介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ只與材料的性質(zhì)有關(guān)，而與材料的尺寸已經(jīng)體積大小等外部因素?zé)o關(guān)，這樣可以便于不同設(shè)備之間進(jìn)行比較。

1.3 介質(zhì)損耗的等值電路及相量圖

根據(jù)絕緣介質(zhì)在交流電壓作用下的等值電路及相量圖，可推導(dǎo)出介質(zhì)損耗各物理量之間的關(guān)系。

如下圖1所示，當(dāng)對(duì)一絕緣介質(zhì)施加交流電壓時(shí)，介質(zhì)上將流過(guò)電容電流IC1、吸收電流I2和電導(dǎo)電流IR1。其中又可以將吸收電流I2分解成有功分量IR2和無(wú)功分量IC2兩部分。電容電流IC1和IC2是不消耗能量的，只有電導(dǎo)電流IR1和吸收電流中的有功分量IR2才消耗能量。[1]

介質(zhì)的功率損耗：

式中：? U——電源電壓? ? ? ?ω——電源角頻tanδ? ? ? ? ? ? ? ? ?C——介質(zhì)的電容? ? ?R——介質(zhì)的電阻? ? ?tanδ——角的余角的正切

由上面的式子可知，介質(zhì)損耗與電源電壓的平方U2、角頻率ω、電容C以及δ角的正切值tanδ成正比。當(dāng)電壓U、角頻率ω及電容C一定時(shí)，介質(zhì)損耗和tanδ成正比。

將δ角定義為介質(zhì)損耗角，tanδ即為介質(zhì)損耗角正切值，定義tanδ為介質(zhì)損耗因數(shù)。

1.4 介質(zhì)損耗因數(shù)試驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.能較為靈敏地發(fā)現(xiàn)中小型電容量電氣設(shè)備的絕緣整體受潮、老化、油質(zhì)劣化和局部缺陷。

2.能非常靈敏地發(fā)現(xiàn)絕緣油質(zhì)量的優(yōu)劣。

3.對(duì)容量較大的電氣設(shè)備，若絕緣缺陷占據(jù)的體積只占總體積的一小部分，則測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)較難發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的絕緣缺陷。所以我們?cè)跍y(cè)量大型變壓器整體的介質(zhì)損耗因數(shù)之后，還應(yīng)再測(cè)量其電容型套管的介質(zhì)損耗因數(shù)，原因后面會(huì)具體解釋。

2 測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)的儀器

測(cè)量介質(zhì)損耗因數(shù)常用的儀器有西林電橋、M型介質(zhì)試驗(yàn)器、電流比較型電橋三類(lèi)，本文主要介紹第一類(lèi)和第三類(lèi)。

2.1 西林電橋

西林電橋是80年代以前廣泛使用的現(xiàn)場(chǎng)介損測(cè)試儀器，它有兩種接線方式，正接線和反接線。

2.1.1 正接線

試品兩極對(duì)地均絕緣，此方法在日常試驗(yàn)中經(jīng)常使用，如對(duì)電容型套管、耦合電容器、電容式互感器等電氣設(shè)備均采用正接線方式測(cè)量tanδ。正接線使用時(shí)，電橋處于低電位，測(cè)量結(jié)果比反接線方法正確，電橋三根導(dǎo)線（出線）處于低電位。在被試品具有足夠絕緣水平時(shí)，允許施加大于10kV的電壓作為試驗(yàn)電壓，但必須使用與額定電壓相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電容器。

2.1.2 反接線

多數(shù)高壓電氣設(shè)備外殼都是直接地的，對(duì)于一極接地的電氣設(shè)備應(yīng)采用反接線方式測(cè)量tanδ。反接線使用時(shí)，電橋和出線均處于高電位，對(duì)地應(yīng)保持一定的安全距離，最少不應(yīng)低于10cm。電橋面板上的接地端子必須牢固接地。

由于西林電橋使用比較麻煩，且抗干擾能力差，因此目前電氣試驗(yàn)工作已不再將西林電橋作為測(cè)量tanδ的儀器。

2.2 相位差法抗干擾全自動(dòng)介損測(cè)試儀

相位差法介損儀是攜帶型西林電橋的更新?lián)Q代產(chǎn)品。把標(biāo)準(zhǔn)電容器和升壓變壓器組合在一起，稱(chēng)為一體化。此種介損儀采用現(xiàn)代微電子技術(shù)以提高測(cè)量精度和自動(dòng)顯示，采用紅外技術(shù)和光纖傳遞以提高抗干擾能力，如AI-6000型自動(dòng)抗干擾精密介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x。與西林電橋相比，相位差法介損儀具有操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)測(cè)量、無(wú)須換算、精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，儀器內(nèi)部附有標(biāo)準(zhǔn)電容器及升壓裝置，便于攜帶。[2]

3 影響介質(zhì)損耗因數(shù)測(cè)量結(jié)果的因素

介質(zhì)損耗因素不僅受到設(shè)備缺陷和電磁場(chǎng)干擾的影響，還受到溫度、試驗(yàn)電壓、試品電容的影響。

3.1 溫度的影響

溫度對(duì)tanδ測(cè)量的影響較大，絕大多數(shù)情況下，同一種被試品的tanδ隨著溫度的升高而增大。但由于不同絕緣介質(zhì)或不同潮濕程度有著不同的隨溫度變化的規(guī)律，一般無(wú)法將某一溫度下測(cè)得的介質(zhì)損耗因數(shù)值準(zhǔn)確換算至另一溫度下的數(shù)值，在20℃至80℃之間，tanδ隨著溫度而變化的經(jīng)驗(yàn)公式為tanδ=tanδ0eα（t-t0），但這種溫度換算方法所得的數(shù)據(jù)也只是近似的。最好在10℃至30℃范圍內(nèi)并與歷史試驗(yàn)測(cè)量時(shí)相近的溫度下對(duì)設(shè)備進(jìn)行tanδ測(cè)量。

3.2 試驗(yàn)電壓的影響

對(duì)絕緣良好的設(shè)備而言，在一定試驗(yàn)電壓范圍內(nèi)，流過(guò)絕緣介質(zhì)的電流有功和無(wú)功分量隨著電壓的增加成比例增加，因此介質(zhì)損耗因數(shù)不會(huì)有明顯變化。但對(duì)于絕緣有缺陷的設(shè)備來(lái)說(shuō)，當(dāng)電壓上升到介質(zhì)的局部放電起始電壓以上時(shí)，介質(zhì)中夾雜氣泡或雜質(zhì)的部分電場(chǎng)可能很強(qiáng)，會(huì)首先放電，產(chǎn)生附加損耗，使測(cè)得的介質(zhì)損耗因數(shù)值增加。因此在較高電壓下測(cè)量tanδ，可以較為真實(shí)地反映出設(shè)備的絕緣狀況，便于及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)設(shè)備絕緣存在的缺陷。[3]

3.3 tanδ與試品電容的關(guān)系

對(duì)于如套管、電壓互感器、電流互感器等電容量比較小的設(shè)備，測(cè)量其介質(zhì)損耗因數(shù)可以有效發(fā)現(xiàn)其存在的局部集中性缺陷和整體分布性缺陷。但若集中性缺陷的體積所占被試設(shè)備絕緣體積的比重很小，如大、中型變壓器等大體積設(shè)備的局部缺陷，其引起的損耗只占總損耗中的極小部分，則測(cè)量其介質(zhì)損耗因數(shù)不能靈敏的反映絕緣缺陷，應(yīng)盡量進(jìn)行分解試驗(yàn)。下面通過(guò)公式來(lái)解釋這一現(xiàn)象。設(shè)備絕緣由多種材料、多種部件構(gòu)成，可以看作是由許多并聯(lián)等值回路組成。

根據(jù)：

可以得出幾個(gè)并聯(lián)等值回路的綜合tanδ為：

從上式分析，不難看出電容量對(duì)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響。在測(cè)量多材料、多結(jié)構(gòu)、多層絕緣介質(zhì)的絕緣性能時(shí)，當(dāng)其中某一種或某一層的絕緣介質(zhì)損耗因數(shù)偏大時(shí)，并不能有效地在總介質(zhì)損耗因數(shù)值中反映出來(lái)，或者說(shuō)介質(zhì)損耗因數(shù)對(duì)反映絕緣的局部缺陷不靈敏。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳天翔，王寅仲，海世杰.電氣試驗(yàn)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2008.

[2] 陳化鋼.電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)方法及診斷技術(shù)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

[3] 李建明，朱康.高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)方法[M].北京：中國(guó)電力出版社，2001.