第三部分电流互感器介损测试

三电流互感器的介损试验共16页第16页三电流互感器的介损测试（一）试验目的高压电流互感器大量采用油纸绝缘及电容型绝缘，这类绝缘结构具有经济实用的优点。但当绝缘中的纸纤维吸收水分后，纤维中的β氢氧根之间的相互作用变弱，导电性能增加，机械性能变差，这是造成绝缘破坏的重要原因。受潮的纸纤维中的水分，可能来自绝缘油，也可能来自绝缘中原先存在的局部受潮部分，这类设备受潮后，介质损耗因数会增加。固体绝缘材料如电瓷、胶木、树脂等，当表面或内部出现微小的裂缝或材质不纯，表面污染等。它们的介质损耗因数也会增大。液体绝缘材料如变压器油，受到污染或劣化后，极性物质增加，介质损耗因数也会从清洁状态下的0.05%左右上升到0.5%以上。除了用损耗因数的大小及变化趋势判断设备的绝缘状况外，电容量的变化也可以发现电容型设备的绝缘的损坏。如一个或几个电容屏发生击穿短路，电容量则明显增加。由此可见，测量绝缘介质的介质损耗因数及电容量可以有效地发现绝缘的老化、受潮、开裂、污染等不良状况。（二）介质损耗因数的定义绝缘介质在交流电压作用下的等值回路及相量图如图1-10所示。图1-10等值回路及相量图众所周知，在某一确定的频率下，介质可用确定的电阻与一确定的电容并联来等效，流过介质的电流由两部分组成，ICX为电容电流的分量，IRX为阻性的有功分量，介质的阻性分量产生有功损耗将引起绝缘的发热，同时介质也存在着散热，而散热跟体积有关，为此应测试，有功损耗与无功损耗的比值即介质损耗因数来判断绝缘状况。Q=UICXP=UIRX则==tg(1-11)从公式（1-11）可以认为介质损耗因数即为介质损失角正切值tg。（三）几种典型介损测试仪的原理接线图国外从20年代即开始使用西林电桥，到目前电桥已向全自动、高精度、良好抗干扰性能方向发展，比较经典的有三种原理即西林型电桥、电流比较型电桥及M型电桥。下面分别作简要的介绍：西林电桥的原理图1-11所示图1-11图中当电桥平衡时，G显示为零，此时=根据实部虚部相等可得：tg=ωR4C4Cx≈（当tg＜＜1时）根据R3、C4、R4的值可计算得出tg、CX的值。从原理上讲，西林电桥测介质损耗误差很小，但由于分布电容是无所不在的，尤其是Cn必须有良好的屏蔽，当反接法时，必须屏蔽掉B点对地的分布电容，正接法时，必须屏蔽掉C点与B点间的分布电容，但由于屏蔽层的采用增加了C4、R4及R3两端的分布电容带来了新的误差，以R3正接法为例，R3最大值为1.11k左右，当分布电容达1000pF时，对介损的影响为0.3%，为了消除这一分布电容的影响，提高测试精度，试验室采用双屏蔽，原理如图1-12所示。图1-12Us电位自动跟踪S点电位，这样R3对地的分布电容电流为零，从原理上消除了杂散电容的影响，但采用这种方式不能用于反接法，因为S点电位是高压，在现场不可使用。目前国内外典型的电桥有QS1型（现场用）、QS37型（试验室用）、瑞士2801型（试验室用）。2电流比较型电桥电流比较型电桥的原理图如图1-13所示。图1-13图中T为环形互感器，通过调节K1、K2、K3使电桥达到平衡，即G的指示为零，根据磁路定律：1+2+3=0根据实部虚部相等有：Cx=tg=这种电桥因各绕组的等值阻抗较小，对地的分布电容影响很小，测试较为准确，由于T是一互感器，谐波及电晕电流的影响很小，在现场使用与试验室差别较大。这种电桥国内有QS30型等。3M型电桥M型电桥的原理图如图1-14所示。图1-14这种电桥是利用标准臂产生的电容电流与试品的电容电流相抵消，余下的即为阻性分量，从而计算出介损值，具体分析如下：A=n·R4·k(k≤1)B=（RX+CX）R3=A-B=n·R2·k-RX·R3-CX·R3=(n·R4·k-CX·R3)-RX·R3由于n与CX均超前于900为同相分量。当In·R4·k=Icx·R3(1-12)W有最小值，此时W=IRX·R3(1-13)通过（1-12）式可得Icx=（1-14）其中，k与R4动触头的位置有关，当W调至最小值时，可以通过特有回路测得，这样可测得Icx值，同时可得到电容量的值。通过（1-13）式得IRX=(1-15)那么，tg=可以算出tg值。由于R3、R4阻值较小，最大值为100，杂散分布电容的影响仅为西林电桥的1/10，且R3、R4的值较为固定，分布电容可以补偿，可以进一步提高精度。当设备为一端接地时，M型电桥采用反接法，即在B点接地，如不采取措施，高压变压器及高压电缆对地电容就并联在试品两端，影响了测量精度，为此M型电桥的高压电缆及高压变压器均采用双层屏蔽，如图1-3-5中Ce，Ce直接并联在高压绕组两端，对测量没有影响。（四）油浸链式和串级式电流互感器的介损试验方法部分35～110kV级电流互感器为油浸链式（如LCWD-110）和串级式（如L-100型）结构，这类电流互感器现场测量介损时可按一次对二次绕组的正接法测量，也可按一次对二次及外壳的电桥反接法测量。但二者测试结果并不完全一致。一般来说，反接线测量时远小于正接线测量时得到的tg值。其主要原因是，正接线测量一次对二次或一次对二次及外壳的tg，实际是试品的一次对二次或一次对二次及外壳绝缘的tg。而一次对周围接地部分的电容被屏蔽掉而未引入正接线的测量结果中。因此按QS1电桥正接线测量一次对二次绝缘的tg是能够发现互感器进水受潮等绝缘缺陷的。而按反接线测量一次对二次及外壳的tg时，此时一次对周围接地部分的电容和tg都进入了反接线的测量结果之中。一般情况下，这部分空气的介质损耗因数tg仅为0.1～0.2%左右。由于试品本身电容小，一次对周围接地部分空气的介质损耗因数相对影响就较大。因为反接线测量一次对二次及地的tg包括一次对二次、一次对外壳、一次对周围接地部分的综合介质损耗因数，它比正接线测量一次对二次及外壳增加了小介质损耗因数的一次对周围接地部分的影响。因此，反接线测量结果将偏小，不能真实地反映电流互感器的绝缘状况。为了正确监测这类互感器的绝缘状况，除按反接线测量一次对二次及外壳绝缘介质损耗因数外，还应按正接线测量一次对二次的介质损耗因数，而应以正接线的测量结果作为分析和判断绝缘能否运行的主要依据。也可以仅进行正接线一次对二次tg的测量而不进行反接线一次对二次及地的tg的测量。（五）电容型电流互感器的介损试验方法电容型电流互感器的最外层有末屏引出，试验时可采用电桥正接法进行一次绕组对末屏的介损及电容量测量。对于末屏绝缘电阻偏低的电容型电流互感器，可采用电桥反接法测量末屏对地的介损和电容量，试验电压加在末屏与电流互感器油箱底箱之间，并将初级绕组接到电桥的“E”端屏蔽，试验时所加的电压须根据末屏绝缘水平和电桥的测量灵敏度而定。一般可取2～3kV。（六）电场干扰对介损测试结果的影响现场的干扰主要是电场及磁场干扰，电场干扰主要是外界带电部分通过耦合产生电流流入测量臂；另一种干扰是磁场干扰，其主要是对桥体本身的感应，随着电磁屏蔽技术的发展，这一干扰可以利用桥体的磁屏蔽层消除。下面主要讲述电场的影响电场对测量的影响，对各种电桥来讲，原理上是相同的，现以M型电桥为例作简要的介绍，图1-15为干扰对M型电桥影响的原理图。图1-15正接法时，当试验变压器T1高压变初级合上后，试验变压器次级相对于的电源来讲处于短路状态（叠加法），那么可以认为流过Cn及试品臂的电流为零，可以认为Ig对测试没有影响。当然由于干扰除对试品的顶部有影响，对试品中部亦有耦合，有较小的干扰，所以正接法时，现场干扰很小。反接法时，试验变压器合上后，试验变压器次级相当于短路，试品或CN相当于开路，Ig通过变压器次级及R3到地，那么Ig对测量的影响很大，所以反接法时，测试受外界电场干扰很大。（七）瓷套表面污秽程度对介损测试结果的影响大气湿度、被试品表面污秽程度对介质损耗测量的影响可用被试品表面等值电阻R表示，当大气湿度高、被试品表面污秽严重时R小，反之，则R大。等值电阻R对介质损耗测量结果的影响随试验回路的不同而不同。详细分析如下：1被试品表泄漏电流引入电桥当被试品表面泄漏电流引入电桥信号线Cx（如：“8”字形电流互感器反接线测量介质损耗等）时，被试品的电气等值参数可用图1-16所示。图1-16设被试品的真实介质损耗为tgx，表面造成的介质损耗为tgf，则电桥测得的介质损耗为：tg=（1-16）一般情况下，Cf＜＜Cx，则式（1-16）可化简为：tg=tgx+tgf（1-17）将tgf=代入式（1-17）得tg=tgx+(1-18)因此，电桥测得的介质损耗误差为：tg=tg-tgx(1-19)由式（1-3-9）可知，由于被试品表面污秽的存在，测得的介质损耗比真实值大，误差tg随被试品电容量Cx的减小而增大，即小电容量被试品产生较大的测量误差；随着大气湿度的增加或被试品表面污秽的严重，表面等值电阻Rf下降，测量误差增大。同一试品不同表面污秽程度时介质损耗实测对比数值见表1-1表1-1：同一被试品不同表面污秽程度时介质损耗实测值试验工况Cx(pF)tg(%)备注湿度（%）瓷套表面擦前81.42.3试品LCWD2-110型电流互感器，电桥反接法77瓷套表面擦后81.11.52被试品表面泄漏电流直接接地同理可分析可知，当被试品表面泄漏电流不引入电桥的信号线而直接接地时（如“8”字型电流互感器试验时电桥正接法仅从二次取信号），由于外瓷套表面泄漏电流的存在，介质损耗测量的误差tg为：tg=tg-tgx=--由上式可知，当被试品外瓷套表面泄漏电流接地时，由于外瓷套表面污秽的影响，电桥测得的介质损耗值比真实值小，误差随被试品电容量Cx以及被试品一、二次绕组、铁心等对瓷套的电容量C的减小而增大。当被试品表面污秽严重、大气湿度较高时，瓷套表面等值电阻较小，将产生较大的负误差。当被试品表面泄漏电流直接接地时，大气湿度对介质损耗测量值的影响实测数据见表1-2。表1-2：不同大气湿度时的介质损耗实测值被试品序号Cx(pF)tg(%)大气湿度（%）备注145.93.669试品为LCWD2-110型电流互感器，电桥正接法，二次取信号，下法兰接地。47.32.97747.32.286245.73.56947.92.87747.92.286347.02.56949.52.37750.01.686（八）介质损耗测量时电场干扰的抑制现场进行介质损耗测量时抑制干扰的方法很多，常用的有屏蔽法、移相法、倒相法。等，许多文献上有过专门介绍，总的来说各有利弊。屏蔽法可以抑制外界电场对试验的干扰，缺点是比较麻烦，而且在一定程度上改变了被试品内部的电场分布，因此测量结果与实际值有一定的差异；移相法测量介质损耗，测量值比较准确但需要有专门的移相设备，同时测量也比较复杂；倒相法无需专门设备，操作方便，但当电场干扰较大时，倒相后介质损耗测量值有可能出现负值。移相法与倒相法，都是在外界电场干扰电流与被试品电流x幅值不变的情况下，靠改变x的相位，经过简单的数学计算来比较准确地反映被试品的真实介质损耗。另一类抑制电场干扰的方法是提高介质损耗测量时的信噪比。由于可以认为是恒流源，而x的幅值随试验电压的增加而增加，故提高试验电压可以提高信噪比k=，从而起到抑制干扰电流、提高测量精度的作用。但此种方法受到无损标准电容器耐受电压的限制，现场往往难以实施。1屏蔽法在设备上方放置一屏蔽罩，屏蔽罩接地，干扰则直接到地，不影响电桥的桥臂，但这一方案实际使用很麻烦。2采用移相电源试验变压器电源采用移相电源，由于干扰电流g的相位不变，所以调节电源的相位，x相位便相应的变化，当x与g的相位一致时，角测试受外界的影响很小。3采用倒相法这是一种比较简单的方法，测量时将电源正、反倒相各测一次。由于干扰电源Ig的相位不变，分析时可认为试验变压器电源相位不变，即x的相位不变，而g作1800的反相，如图1-17所示。图1-17tg1=tg2=tg====;由图中可知：Cx=其中：tg1、Cx’为倒相前测得的试品介损和电容量tg2、Cx’‘为倒相前测得的试品介损和电容量这种方法从原理上可以消除干扰，但在干扰很大时，tg1、tg2可能很大且一正、一负，但tg却很小，这样tg1、tg2的测量误差相对tg来讲已很大，tg测量的误差则很大。450%加压法。所谓50%加压法，就是在正常介质损耗测试回路不变的情况下，将试验电压升到额定试验电压，调节电桥平衡，测得一组R31与tg1,然后将试验电压退到50%的额定试验电压，重新调节电桥平衡，测得另一组R32与tg2，进行简单计算，求取被试品真实介质损耗的方法。现以图1-18为例分析如下：根据电桥平衡原理，可得有干扰电压时的电桥平衡方程为：-=式中Z4=（+j）-1ZN=图1-18Zx=Rx+——干扰电压——外加试验电压Ze——干扰电压等值耦合阻抗设外施额定试验电压时调节电桥平衡，测得电桥R3、C4的第一组读数为R31、C41，则电桥平衡方程为：-=（1-20）式中：Z41=（+j）-1然后将试验电压降到50%的额定电压，重新调节电桥平衡，测得电桥R3、C4的第二组读数为R32、tg2，则电桥的平衡方程为：-=（1-21）式中：Z42=（+j）-1求解式（1-20）、（1-21）得被试品的真实介质损耗为：tg=(1-22)Cx=R4Cn((1-23)50%加压法与移相法加倒相法对比测试数据见下表。表1-350%加压法与移相法加倒相法测试数据对比试验方法实测数据计算值tg(%)R3(Ω)tg(%)Cx(pF)50%加压法额定电压3.035450.6444.350%额定电压5.33500移相法倒相前0.635030.645.2倒相后0.63541(九)电流互感器的高电压介损试验高电压介损试验必须采用电桥正接法，其原理接线方式与10kV电压介损的正接法相同，进行高电压介损测量时必须解决以下几个关键技术问题：确定电源容量；选择合适的电桥和标准电容器；选择防晕高压引线；1影响高压介损测试结果的几个主要因素：（1）测试用介损电桥对高压介损测试值的影响目前，用于介损测量的电桥大多为西林电桥，西林电桥可分为有防护电位（如2801电桥）与无防护电位（如QS电桥）二种，对同一试品用二种不同类型的电桥进行对比测试发现：对小电容量电流互感器二者皆可用于高电压介损测量，结果见表1-4。表1-4小电容量试品高电压介损实测结果试验电压(kV)1020304050607080tgδ(%)无防护电位电桥4.94.94.94.94.94.94.94.9有防护电位电桥4.484.484.494.494.494.504.504.50对电容型电流互感器无护电位的电桥不宜用于高电压介损测量：这是因为对于无防护电位电桥来说，当试验电压为10kV时，流过电桥标准电容器臂上的电流较小，电桥标准臂侧D点的电位亦较低，D点与地之间基本无损耗，当试验电压较高（通常为被试设备额定相电压或更高），D点对地的分布电容及泄漏电流不能忽略，引起的附加损耗增大了测量误差，故无防护电位电桥不宜用于电容型电流互感器的高电压介损测量。作为一种权宜之计，减小R4的取值可以减小电桥的高压介损测量误差。对电容型电流互感器有防护电位电桥可以用于高电压介损测量：这是因为对于有防护电位的电桥来说，D点的电位基本不变，故电桥的测量误差不随试验电压的改变而改变，可用于电容型电流互感器的高压介损测试。对同一电容型电流互感器用二种不同类型电桥的实测后的对比数据见表1-5表1-5同一电容型电流互感器用二种不同类型电桥的实测结果试验电压（kV）1036.573tgδ(%)无防护电位电桥0.150.130.11有防护电位电桥0.1580.1580.159（2）高压引线电晕的影响高压介损测试时对被试品所施加的电压较高，如采用一般的细导线作为高压引线，则导线上就会有较重的电晕产生，电晕损耗通过杂散电容将被计入被试品的介损值中，从而影响到被试品高压介损随电压的变化曲线。对于介损随电压恒定不变的被试品，由于电晕的存在，使介损测试值随电压的升高而增大，易造成对被试品绝缘性能优劣的误判断。因此，高压介损测试时宜采用直径为50～100mm的波纹管作为高压引线，为保证连接良好，波纹管内部必须有用作直接连接用的金属导线。不同的引线状态下同一试品高压介损测试对比结果见表1-6。表1-6不同引线状态下同一试品高压介损测试结果试验电压（kV）1036.573tgδ(%)无电晕4.4824.4954.503有电晕4.4834.4974.606高压介损测试实例分析某LB-220电流互感器，在出厂、交接试验均正常的情况下投入系统运行，在正常运行情况下运行了三年后，发现该互感器的10kV下的介损值与出厂相比有明显的增大，随后将该互感器返厂。互感器返厂后，进行了本体高压介损、油介损、油中含水量测试（测试结果见表1-7）。由表1-7可知，除#1、#2电流互感器以外的其它四台电流互感器10kV下的介损与146kV下的介损值的差异大于0.1%，由此说明上述六台互感器存在不同程度的质量问题。表1-7返厂后整体测试数据产品编号123456本体介损（%）10kV0.57850.58760.78250.58190.78160.777473kV0.56260.56090.74090.54510.728707538146kV0.50330.49180.64000.47410.62270.6504油介损（%）0.190.280.17油中含水量（ppm）5.97.15.95.97.17.1鉴于#5电流互感器的本体介损较大，并且10kV时的介损与146kV时的介损差异也较大，故选取该电流互感器为典型试品进行解体试验、分析。解体测试结果见表1-8。表1-9解体测试结果（屏号按零屏向末屏方向数）主屏号123456789介损（%）1.441.210.720.720.620.720.840.600.62电容量（pF）5112783677717751786461681028175057166由上表可知，该电流互感器各屏的电容量差异较大，电容量最大的第7屏与最小的第1屏间的差异将近一倍，说明该试品的工艺随机性较大；同时，位于内部的主屏间的介损值明显比外侧主屏间的介损值大，说明该被试品的干燥程度明显不足。（十）电容型电流互感器末屏对地的介质损耗因数的测量方法测量电容型电流互感器末屏对地的介质损耗因数tg主要是检查电流互感器底部和电容芯子表面的绝缘状况。这是因为电流互感器的电容芯子绝缘干燥不彻底或因密封不良而进水受潮的水分往往残留在底部，引起末屏对地介质损耗因数升高。所以测量tg对检出绝缘受潮具有重要意义。测量电容型电流互感器末屏对地的介质损耗因数tg，通常利用QS1型西林电桥进行，其接线方式有正、反两种接法。在电力系统中，采用反接线较方便，这时电流互感器的末屏接QS1型电桥Cx，所有二次绕组与油箱底座短接后接地。一般来说，两种接线方式测得的介质损耗因数值相当吻合，只是电容值有所差别，反接法测得的Cx比正接线法测得的大几十pF。这是由于用反接法测量时，将互感器末屏对地的杂散电容也测进来的缘故，杂散电容与试品电容并联，因此测得的总电容就偏大。干扰较大时，宜采用正接线。测量时还应注意末屏引出结构方式对介质损耗的影响，由环氧玻璃布板直接引出的末屏介质损耗一般都较大，最大可达8%左右，即使合格的也在1%～1.5%之间。由绝缘小瓷套管引出的末屏介质损耗一般都较小，在1%以下。最小的在0.4%左右。测量时还应注意空气相对湿度的影响，当试区空气相对湿度达到85%以上时，用反接法测得的介质损耗因数产生较大的正偏差，这是因为湿度大时，在末屏引出的环氧玻璃布板或绝缘小瓷套表面形成游离水膜而产生泄漏电导电流所致。试区的空气相对湿度在75%以下时，才能达到正确的数据。测量电容型电流互感器末屏对地的介质损耗因数tg时所施加的试验电压应考虑到末屏的绝缘水平，一般以2~3kV为宜。图1-19电流互感器末屏介质损耗测量原理图现场测量110～220kV电流互感器末屏介质损耗因数时，通常采用QS1电桥反接线，为了减小外界干扰对测试影响，通常采用如图1-19所示的试验方法，但此方法存在以下两个问题：测试的电容量是C1和C2并联的电容量，而不是末屏对地的电容量。测试的介质损耗因数不是末屏对地介质损耗因数，而是C1与C2并联的综合介质损耗因数值，即tg=式中tg1——主屏介质损耗因数；C1—主屏电容量tg2——末屏介质损耗因数。C2—末屏电容量若tg1=tg2，则该接线