高電壓介損測量在并聯電容器狀態診斷中的應用

劉旭

(國網福建省電力有限公司檢修分公司，福州 350003)

1 前言

隨著電網規模的日益增大，電壓等級不斷提高，對斷路器開斷能力提出了越來越高的要求，多斷口斷路器因而被廣泛采用。多斷口斷路器斷口間并聯有電容器，以改善斷口間不均衡的電壓分布，提高斷路器的整體耐壓水平和絕緣水平。

近年來，膜紙復合絕緣的斷路器并聯電容器應用較為廣泛，但受內部絕緣介質雜質分布結構、外部表面泄漏及周圍環境干擾等影響，在10 kV常規電壓下的介質損耗因數會出現超規定值的情況，影響對設備絕緣狀態的判斷。隨著相關研究的深入，該問題通常歸結為受Garton效應影響［1－5］，即在含有紙的絕緣介質 (或塑料及油的混合介質)中，在較低電壓下，介質損耗角的正切值的變化比在較高電壓下的值高1～10倍。通過提高測試電壓，進行高電壓下的介損測量，理論上說應能有效消除Garton效應影響［6－8］，有助于診斷并聯電容器的真實絕緣狀態，避免誤判。

2 常規電壓介損測量

2.1 測試電壓規定

介質損耗因數測量是判斷電氣設備絕緣狀況的有效方法，絕緣能力的下降直接反映為介損的增大，它能發現設備絕緣受潮、絕緣油受污染、劣化變質、小體積被試設備貫通等缺陷。國網狀態檢修規程［9］中指出: “除特別說明，所有電容和介質損耗因數一并測量的試驗，試驗電壓均為10 kV”，即常規介損測量電壓為10 kV，目前例行試驗所廣泛使用的變頻抗干擾介損測量儀最高測試輸出電壓也通常為10 kV。

2.2 現場介損超標問題

某站500 kV ABB斷路器并聯電容器10 kV介損測量時，發現其A相靠I段母側并聯電容器tanδ測試值為0.68%，超出國網狀態檢修規程中對膜紙復合絕緣≤0.25%(油浸紙絕緣≤0.5%)的規定。為排除試驗方法的原因，試驗人員使用變頻抗干擾介損測量儀，分別進行了高空接線鉗接線的反接法 (方法一)、高空接線鉗接線的正接法 (方法二)、直接接線并處理表面油漆的正接法［10］(方法三)、直接接線并處理表面油漆的倒序法 (方法四)、直接接線并處理表面油漆的固定頻率正接法 (方法五)等5種接線方式測試。測試結果如表1所示:

表1 低電壓介損測量結果

可見，在常規10 kV測試電壓下，試驗接線方法的改變，對tanδ和電容量值影響較小，且多次測試數據的重復性較差，tanδ值依然超出標準要求。

3 高電壓介損測量

良好的絕緣在允許電壓范圍內，其介質損耗值應不受電壓變化影響，接近設備額定電壓下的介損測量，能更真實的反映實際絕緣狀況。國網狀態檢修規程中也提出了對介質損耗因數超過注意值的，可開展額定電壓下的介損測量，同時測量tanδ－U曲線以作參考，進一步診斷設備絕緣情況。

3.1 高壓介損測量原理

為判斷上述斷路器斷口并聯電容器tanδ增大是受Garton效應影響還是電容器本身絕緣缺陷引起，使用普華AH2801型高電壓介損測試儀，進行了高電壓下的介損測量。

該試驗裝置適用于諧振升壓和試驗變升壓。諧振方式升壓時，電橋可自動尋找諧振點完成升、降壓測量;試驗變升壓時，測量主機控制調節電壓，可使用雙變頻法實現抗干擾。整套裝置重量輕、升壓方式靈活，能滿足現場試驗容量需求及攜帶要求。高電壓介損測試儀測量原理如圖1所示:

圖1 測量原理圖

該試驗裝置高壓測量電橋可多通道同時測量，最多可設置2個反接通道、4個正接通道同時測量。

3.2 tanδ－U曲線測量及數據擬合

應用正接法接線測量，采取變頻串聯諧振升壓、均勻分段加壓的方式，先升壓至100 kV左右后再進行降壓測量，以獲得完整的tanδ－U數據。對升壓過程tanδ－U數據進行最小二乘法高斯擬合，可得:

完整的tanδ－U擬合曲線如圖2所示:

圖2中，tanδ－U曲線并不為水平直線，升壓過程，介損值先是緩慢增長，隨后開始迅速下降，當電壓大于70 kV時，則進入平緩變化階段;降壓過程，在電壓高于40 kV時，介損值變化較為平緩，在0.1%上下波動，當電壓繼續降低，介損值則與電壓值近似成線性降低。

圖2 擬合曲線

可見，介損變化規律與Garton效應的描述相符，在較低電壓下，介質損耗角的正切值的變化比在較高電壓下的值高許多倍。

4 tanδ－U變化規律及形成原因

4.1 絕緣材料影響

研究表明，膜紙復合絕緣的并聯電容器油介質為有機合成絕緣油，比油紙絕緣電容器選用的礦物油更容易溶解一些雜質［11］。目前常用國產電容器，絕緣油多采用變壓器油，其產生的膠體型帶電粒子較少，主要是離子型帶電粒子，這類設備中，Garton效應影響相對較小，測試數據隨電壓變化通常不大。

而某些進口斷路器并聯電容器，如ABB、SIMENS及AREVA等并聯電容器，其絕緣材料產生的膠體型帶電粒子則較多，膠體型帶電粒子在交流電場作用下的運動易受到紙纖維阻攔［12］，這種阻攔具有隨電場強度增加而減小的規律，導致受Garton效應影響較大，測試數據隨電壓變化較大。

4.2 外電場強弱影響

并聯電容器介質絕緣 (油紙或膜紙復合絕緣材料)浸漬劑中含有的雜質，尤其是離子雜質，影響著tanδ的大小。介質在外電場下的能量損耗有電導損耗、極化損耗和游離損耗三種基本形式，其中電導損耗分量起決定作用［13］。

電容器元件極板間被各層固體介質分隔出若干個區域，浸漬劑中的離子充斥其中。無外電場時，正負離子無序運動，不消耗能量;有外電場時，正負離子隨電場方向的交替改變在狹窄的空間來回運動，產生損耗。

外電場較弱時，如圖2中10 kV～20 kV電壓區段，離子運動速度很慢，此時電導損耗隨電壓的增加而增加。當電壓仍然上升，如圖2中20 kV～70 kV電壓區段，由于帶電粒子的運動空間受限，這時有功損耗P不再增加，而無功功率Q隨著電壓平方快速增加，因而tanδ隨著電壓的上升而開始下降。

外電場較強時，如圖2中70 kV～100 kV電壓區段，浸漬劑中電離或碰撞電離等產生的帶電粒子不斷增加，使得液體電導率變大，泄漏電流增大，發熱增多，此時有功損耗P的增加大于無功功率Q的增長，因而tanδ開始隨著電壓的上升而增大。

外電場極強時，往往是超出一定極限后，除了電導損耗外，還會有油中氣隙電離所引起的損耗。一旦絕緣油分解產生氣泡，擊穿場強低的氣泡將比油先電離，這又使氣泡溫度升高，體積膨脹，從而擴大了氣體通道，最后發生擊穿，導致tanδ急劇上升。

5 結束語

目前，膜紙復合絕緣斷路器并聯電容器在電力系統中應用廣泛，常規10 kV電壓下的介損測量受Garton效應影響，在不同電壓下的介損值變化較大，難以真實的反映設備絕緣狀況。

對例行試驗中介損超規定值的并聯電容器，不應草率的斷定為其內部存在絕緣缺陷，可開展逼近額定電壓的高電壓介損測量，克服Garton效應的干擾，并通過繪制完整的tanδ－U曲線進行數據的擬合處理，進一步診斷并聯電容器真實絕緣狀態，避免誤判斷造成時間和經濟上的損失。

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