电容式电压互感器介质损耗因数的测量与分析

电容式电压互感器介质损耗因数的测量与分析
【摘要】本文介绍了测量介质损耗因数的意义，并基于电容式电压互感器介损试验进行了具体陈述，相应试验危险点及注意事项、故障原因等内容也进行了简单介绍和分析。

【关键词】电容式电压互感器；介质损耗因数；测量方法
1.概述
电容式电压互感器（Capacitor V oltage Transformers，简称CVT）作为一种电压变换装置应用于电力系统，主要用作供电侧量仪表、继电保护装置或者控制装置的电压信号取样设备，它接于高压设备与地之间，将系统电压转换成二次电压[1-3]。

电容式电压互感器由电容分压器、电磁单元（包括中间变压器和电抗器）和接线端子盒组成，实际操作对象为一220kV电容式电压互感器如图1所示。

图1 电容式电压互感器外观图及原理接线图
通过电气试验，可以及时发现CVT的绝缘缺陷，对于确保电网和设备安全意义重大。

介质损耗因数的测量是CVT绝缘预防性试验中的重要项目之一，它是一项灵敏度很高的试验项目，能有效地检查设备绝缘受潮、油脂劣化以及严重的局部缺陷等。

例如，某台CVT正常tanδ值为0.5%，而当受潮后tanδ值为4.5%，两个数据相差9倍；而测量绝缘电阻，受潮前后的数值相差不大。

正是由于测量介质损耗因数对反映上述缺陷具有较高的敏感度，所以在CVT的交接和预防性试验中都得到了广泛的应用。

本文结合国网技术学院几个月的学习经历，介绍下CVT介质损耗因数的测量与分析。

2.测量介质损耗因数的意义
电压作用下电介质中产生的一切损耗称为介质损耗或介质损失。

如果介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化，如果介质温度不断上升，甚至会把电介质融化、烧焦，丧失绝缘能力，导致热击穿，因此，电介质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标。

然而不同设备由于运行电压、结构尺寸等不同，不能通过介质损耗的大小来衡量对比设备好坏。

因此引入了介质损耗因数tanδ（又称介质损失角正切值）的概念。

介质损耗因数的定义是：
（1）
如公式（2）所推导的，介质损耗因数tanδ只与材料特性（ρ和ε）有关，而与材料的尺寸、体积无关，便于不同设备之间进行比较。

（2）
当对一绝缘介质施加交流电压时，介质上将流过电容电流I1、吸收电流I2和电导电流I3，如图2所示。

其中，反映吸收过程的吸收电流，又可分解为有功分量和无功分量两部分。

电容电流和反映吸收过程的无功分量是不消耗能量的，只有电导电流和吸收电流中的有功分量才消耗能量[4]。

图2 等值模型
为了讨论方便，可进一步将等值电路简化为由纯电容和纯电阻组成的并联和串联电路，如图3、图4所示。

图3 并联模型图4 串联模型
测量介质损耗因数tanδ判断电气设备的绝缘状况是一种传统的、十分有效的方法。

它能反映出绝缘的一系列缺陷，如绝缘受潮，油或浸渍物脏污或劣化变质，绝缘中有气隙发生放电等。

这时流过绝缘的电流中有功分量IRX增大了，tanδ也加大。

按照电力设备预防性试验规程的规定，对多种电力设备（如电力变压器、发电机组、高压开关、电压电流互感器、套管、耦合电容等）都需要做介质损耗因素（tanδ）的测量。

所以tanδ试验是一项必不可少而且非常有效的试验。

能较灵敏地反映出设备绝缘情况，发现设备缺陷。

介损试验对绝缘的分布性缺陷反映很灵敏。

介质损耗因素试验所测定的是整体的tanδ值，能对绝缘的整体受潮、劣化变质等分布性缺陷产生直接的，明显的反映。

因此，电气设备交接和预防性试验中，介质损耗因数（tanδ）项目已得到广泛的应用。

对大体积绝缘的集中性缺陷反映不灵敏，试品的体积越大，就越不灵敏。

因此，对大容量的变压器、整个发电机绕组以及较长的电力电缆进行tanδ试验时，只能发现它们的分布性缺陷，而不容易发现可能存在的集中性缺陷[5]。

对小体积绝缘的集中性缺陷和可以分解成部件的试品，tanδ试验仍然有一定的效果。

图5
3.测量方法
3.1 正接线
被试品不接地，桥体E端接地，在需要屏蔽的场合，E端也可以用于屏蔽。

此时，桥体处于地电位，R3、C4可安全调节，如图5a所示。

各种介损测试仪器正接线接线方法基本一致，这里以济南泛华AL6000—自动抗干扰精密介质损耗测试仪为例介绍。

测量220kV电容式电压互感器上节电容C11介质损耗（一次
接头拆掉），实际接线图如图5b所示，设置电压为10kV。

3.2 反接线
被试品接地，桥体U端接地，E端为高压端，在需要屏蔽的场合，E端也可以用于屏蔽。

此时桥体处于高电位，R3、C4需通过绝缘杆调节，如图6a所示。

这种方式桥体处于高电位，仪器内部高低压之间需要做好绝缘防护措施。

测量220kV电容式电压互感器上节电容C11介质损耗（一次接头无法拆掉），实际接线图如图6b所示，设置电压为10kV。

图6
3.3 自激法
对于电容式电压互感器的分压单元，由于C12和C2连接处是封闭的，不能直接采用正接线测试。

如果测量C12和C2的串联值，由于其与中间变压器对地电容跟C12和C2形成“T形网络”。

如果中间变压器介损较大，以及现场存在的电磁场干扰都造成结果可能出现负值。

因此应采用自激法进行测试。

采用自激法测试C12和C2介质损耗原理图如图7a所示，接线示意图如图7b所示。

图7 测试C12和C2介质损耗原理图
通过二次绕组加压在中间变压器一次侧感应出高压施加于试品上进行测量。

由于二次绕组容量及电容尾端绝缘水平限制，施加电压不能超过3000V，一般采用2500V测量。

一般C12较C2电容量要小。

测量结果不大于0.5%即可认为合格[6，7]，同时也应辅助考虑其他测试项目的结果，以及与历次试验结果对比，综合判断设备的绝缘状况。

4.影响tanδ的因素
介质损耗因数不仅受到设备缺陷和电磁场干扰的影响，还受到温度、电压、频率等影响。

4.1 温度的影响
一般绝缘的tanδ值均随温度的上升而增大（少数极性绝缘材料除外）。

一般来说，对各种被试品，不同温度下的tanδ值是不可能通过通用的换算式获得准确换算的，故应尽量争取在差不多的温度条件下测出tanδ值，并以此来作相互比较[4]。

因此，tanδ测量工作最好在10-30℃范围内并与前次测量时相近的温度下进行，且符合《规程》的规定[6，7]：“进行绝缘试验时，被试品温度不应低于+5℃，户外试验应在良好的天气进行，且空气相对湿度一般不高于80%”。

4.2 频率的影响
当频率为零时，tanδ亦为零。

在一定的频率范围内，tanδ随着频率的增加而增加。

这是由于介质极化的时间与交流半周期时间相等时，产生的介质损耗最大。

若频率再增高时，则因时间太快，极化不完全（偶极子来不及排列），介质损耗将随着频率的增加而减少。

由于电气设备均处在50Hz的工作频率下，所以tanδ试验所采用的电源也应满足工频范围（通常为45-65Hz）。

在异频下测量时应考虑频率对介损的影响。

4.3 电压的影响
当外加电压升高时，tanδ与电压无直接的关系，只有在电压上升到某一数值，即达到介质的局部放电起始电压以上时，tanδ才急剧增加。

因为在一定的交变电压作用下，介质中局部（夹杂的气泡或杂质）电场可能很强，从而首先放电，产生附加损耗，使tanδ随着电压的升高而增加。

也有一部分试品在电压升至一定值时介损值出现下降的情况。

因此在较高电压下（设备额定工作电压下）测量tanδ，可以比较真实地反映设备的绝缘状况，便于及时准确地发现设备的绝缘缺陷。

此外，测量介质损耗因数还受到局部缺陷和表面的影响。

其中，前者既与局部缺陷占整体的体积大小有关，又与局部缺陷本身的绝缘状况有关；而后者，当空气相对湿度较大或表面脏污时，瓷表面泄漏电流的影响，使测试结果偏差很大，易产生误判断。

5.试验危险点及注意事项
5.1 危险点分析及控制措施
1）防止高处坠落
使用梯子应有人扶持或绑牢，高处作业应系好安全带。

2）防止高处落物伤人
高处作业使用工具袋，上下传递物件应使用绳索拴牢传递，严禁抛掷。

3）防止人员触电
拆，接试验接线前，应将被试设备对地放电。

加压前应与检修负责人协调，不允许有交叉作业。

工作人员应与带点部位保持足够的安全距离。

试验仪器的金属外壳应可靠接地，仪器操作人员必须站在绝缘垫上。

试验过程加强监护，并执行大声呼唱制度[3]。

5.2 注意事项
1）测量应在良好的天气，空气湿度不高于80%，互感器本体及环境温度不
低于+5℃的条件下进行。

2）互感器附近的木梯、架构、引线等所形成的杂散电容，会对测量结果产生较大影响，应予拆除或移远。

3）试验要使用相同型号的测量仪。

4）试验人员之间应分工明确，测量时应配合默契，测量过程中要大声呼唱。

5）遇潮湿天气时、互感器表面脏污，则需进行屏蔽测量，屏蔽是在互感器套管中上部表面用软铜线缠绕几圈，引至绝缘电阻表的“G”端，以消除表面泄露的影响。

6）禁止在有雷电或邻近高压设备时进行试验，以免发生危险。

6.常见故障原因分析
1）介损偏大或不稳定
可能挂钩或测试夹子接触不良，接地不良等。

仪器接地应尽量靠近被试品。

另外判断是否受到强干扰影响。

2）介损值偏小
通常测量电容很小的被试品时，受到T形网络的影响，通过改变测试线角度，擦拭烘干设备表面等措施加以改善。

另外也可能受到干扰影响。

3）仪器不能升压
检查设备接地刀闸是否打开，拔出测试线后升压，若还是不能排除，可以判断仪器内部故障。

CVT方式不能测量
万用表测量自激电压输出，检查C2下端接地是否打开，检查中间变压器尾段X是否接地。

5）轻载或过载
检查高压测试线是否击穿，芯线是否短线，芯线与屏蔽是否短路。

6）反接线电容偏大
反接线时测试夹对地附加电容会带来测量误差，可采用全屏蔽的测试线提高
测量精度。

7.结论
介质损耗试验虽然是用来检测CVT绝缘受潮与老化的重要项目，但不是唯一项目，进行介质损耗试验不能仅仅与规程比较，一定要综合历次数据进行分析判断，必要时进行分解试验，从而缩小范围，以便进一步分析判断。

因此，诊断设备内部缺陷就必须综合多种手段进行分析，像结合电气试验、油化试验以及设备运行、检修等情况进行综合判断，最终确定缺陷的类型及部位。

参考文献
[1]张全元.变电运行一次设备现场培训教材[M].北京：中国电力出版社，2009：165.
[2]陈天翔，王寅仲，海世杰.电气试验[M].北京：中国电力出版社，2009：26，41.
[3]国家电网公司人力资源部.电气试验[M].北京：中国电力出版社，2010：251.
[4]周泽存，沈其工，方渝等.高电压技术[M].北京：中国电力出版社，2007：9，136-137.
[5]电力行业职业技能鉴定指导中心.电气试验[M].北京：中国电力出版社，2009：108.
[6]GB50150-2006.电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].31.
[7]Q/GDW168-2008.输变电设备状态检修试验规程[S].15.。