絕緣油介電強度測試儀校準系統的分析及研究

劉 靜，翟少磊， 魏 齡 ，陳文華，計光榮 ，馬敏軍

(1.云南電力技術有限責任公司，云南 昆明 650217；2.云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217)

0 引言

絕緣油是應用于高壓電氣設備中的絕緣介質。絕緣油介電強度測試儀是用于測量絕緣油擊穿電壓數值的自動化設備。通過測量擊穿電壓可以在施加高壓的情況下，對絕緣油介電強度以及外界環境因素、油中各成分對絕緣性能的影響進行研究[1-2]。現有文獻中，大多采用單片機對絕緣油耐壓測試過程進行控制[3-4]。在此過程中，由于外界存在強電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)，測試過程中容易出現單片機死機現象，影響測試工作的正常進行。除此以外，文獻[5]對電極電容量大小進行分析。分析結果表明，由于被測電極的電容量極小，基本在幾pF，EMI將會對校準系統的計量特性產生很大的影響。鑒于此，絕緣油介電強度測試儀在設計時需要考慮系統的抗干擾性問題。

由于標準的缺失，現有的絕緣油介電強度測試儀之間存在差異性，且由于其電氣結構、絕緣材料的特殊性，以及相關校準設備的缺乏和理論方法還未完善[4-5]，目前無法對這類儀器進行準確校準，絕緣油的物理特性也處于研究過程中[6-8]，現行的標準對絕緣油介電強度測試儀的校準方法說明較少[9-11]。因此，本文對絕緣油介電強度測試儀校驗系統進行研究，采用高壓分合終端模擬開關閉合方式使得被試儀器的高壓輸出端子產生油擊穿過程，并針對校準系統的電磁干擾問題提出抗干擾方案，最后對校準系統進行不確定度評定。

1 絕緣油介電強度測試儀校驗系統

針對傳統穩態校驗方式存在的問題，江鈞等在指定的高電壓點構造真實的擊穿環境，設計一種主動擊穿的變壓器絕緣油介電強度測試裝置校驗系統[12]。該方式通過模擬絕緣油介電強度測試儀的真實工作狀況，使測試結果更加客觀。但高壓控制回路中的負載模擬單元需要大量的實際測試，以便對真實的工況進行模擬。國外的科研機構基本采用替代法對油耐壓儀進行測量，在校準時采用替代油杯的方式進行校準。但該方式由于電極間距、油杯尺寸、電極連接方式等方面存在差異，因此僅適用于Megger自身的儀器，且準確度不高，只滿足10級以下的油耐壓儀的校準要求[13]。文獻[14]將校準裝置放入油杯中，利用CPU 采集和處理電容分壓器分壓后的低壓信號。該信號經過整流、模擬/數字(analog/digital,A/D)轉換、放大修正后得到實際電壓值。這種校準裝置的優點在于不必取下油杯，但由于光纜傳輸和絕緣材料的不穩定性，導致校準裝置的長期穩定性較差。

目前，國內針對絕緣油介電強度測試儀的校準主要采用基于穩態電壓測量的方式。按照所接分壓器的數量可以大致分為單端測量法和雙路測量法，但二者在對絕緣油介電強度測試儀兩個電極的高壓輸出值進行計算時，采用代數和的方式會對校驗過程引入了附加誤差。文獻[15]利用CPU高速采集分壓器分壓后的電壓信號，經過數字信號處理后得到包含諧波信息的電壓有效值。考慮到擊穿放電干擾及波形畸變對測量的影響，本文采用CPU高速采集分壓器分壓后的電壓信號，并利用高壓分合終端模擬絕緣油擊穿和電氣隔離減少干擾。

校驗系統原理如圖1所示。根據現行標準，采用直接比較法測量被校絕緣油介電強度測試儀輸出電壓的示值誤差，將其電壓輸出端分別接校準裝置的輸入端，在啟動儀器使電壓勻速上升至穩定后，讀取校準裝置上的實際電壓值。在絕緣油介電強度測試儀升壓過程中，標準裝置能實時對被試儀器產生的電壓進行采樣和分析，并能在被檢儀器電壓升至預置檢定點值時由標準裝置發出“主動擊穿”命令，通過等效于開關閉合方式使得被試儀器的高壓輸出端子產生油擊穿過程，從而構造出被試儀器的擊穿判據。先在主機上設置校驗點和校驗個數，然后設置絕緣油介電強度測試儀并開始測量。當上位機顯示采樣數據到達預置檢定點時，發出“主動擊穿”命令，高壓分合終端中油杯的兩端連接高壓開關的高壓輸出端，高壓分合終端通過將輸入的高壓信號瞬間短接，使放置在分合終端內的油杯間隙放電以模擬絕緣油擊穿，從而實現“主動擊穿”。在發生擊穿放電的過程中，采樣終端以及主機由于受到沖擊以及擊穿放電產生強烈的電磁干擾，因此采用光電耦合器將高壓部分與低壓電路進行電氣隔離，利用屏蔽電纜進行通信和控制聯絡。上位機與分合終端之間保持一定的物理距離，減少對采集終端的電磁干擾。為了避免采樣終端由于干擾造成死機，加入看門狗芯片DS1232作為抗干擾的最后防線。

圖1 校驗系統原理圖Fig.1 Schematic diagram of the calibration system

2 計量特性分析

理論測量電壓與實際電壓的矢量圖如圖2所示。

圖2 理論測量電壓與實際電壓的矢量圖Fig.2 Vector diagram of theoretical measured voltage and actual voltage

目前，國內絕緣油介電強度測試儀一般采用兩臺高壓變壓器的結構。理想情況下，輸入端的顯示電壓與高壓側電壓成一定比例。但由于兩臺變壓器T1和T2各產生一個相位差為180°的電壓[4]，假設T1和T2電壓產生的相位差不等于180°，那么就會給測量結果引入誤差。一般采用不確定度評定的方式,對測量結果進行評價。

計量校準平臺不確定度的評定一直以來都是計量學中的傳統問題。校準平臺涉及的環節和參數較多，并且每個環節之間相互影響都可能成為不確定度來源。因此，采取整體原則對計量校準平臺的不確定度進行評定，以平臺的不確定度或主要參數的不確定度為主。在校準時，應盡量減少測量環境所帶來的不確定因素對校準所帶來的影響。

根據測量不確定度表示指南，將不確定度評定方法分為A類和B類。對系統不確定度評定依賴于理論依據、評定方法、可靠數據，需要綜合考慮各種因素。近年來，隨著現代不確定度理論的深入研究和非統計方法的引入，不斷完善了傳統的統計理論所存在的局限性[16-17]。

3 絕緣油介電強度測試儀校準系統的不確定度

設標準電壓表測量電壓為UN，被校絕緣油介電強度測試儀輸出電壓為UX。其中，靈敏系數c=1，則被校絕緣油介電強度測試儀輸電壓的示值誤差Δ為：

Δ=UX-UN

(1)

絕緣油介電強度測試儀校準系統測量結果如圖3所示。

圖3 絕緣油介電強度測試儀校準系統測量結果Fig.3 Measurement results of calibration system of dielectric strength tester of insulating oil

文獻[4]對絕緣油介電強度測試儀校準系統的不確定度進行了分析，但由于絕緣油中存在各種雜質的非均勻運動(包括油中雜質的布朗運動)等因素的影響，擊穿電壓的測試結果具有分散性。文獻[18]針對絕緣油中的雜質對絕緣油的介電性能進行了分析。研究表明，雜質嚴重影響其介電性能，并且對植物絕緣油和礦物絕緣油的影響存在差異。因此，為了保證測試結果的精確度和可信度，絕緣油樣品測試前靜止放置一段時間，進行10次10 kV示值誤差測量試驗，取其平均值作為測試結果[4]。校準系統各分量不確定度如表1所示。

表1 校準系統各分量不確定度表Tab.1 Uncertainty table of each component of the calibration system

①測量結果分散性引入的不確定度分量按A類方法評定，獨立測量10次10 kV點的電壓值，計算其試驗標準偏差為:

(2)

取其平均值作為測試結果，則試品測量結果分散性引入的不確定度分量為:

(3)

(4)

(5)

測量擊穿電壓的結果是在試驗室標準環境下受外界(溫度、環境電磁場的干擾等)以及儀表(儀表分辨率、連接點接觸電阻變化等)的綜合因素影響下的結果[1-2,4]。對于同一個裝置而言，分辨率引入的不確定分量是一個相對固定值。在進行不確定度評定時，測量結果分散性所引入的不確定度分量與由被測儀器的分辨力所引入的不確定分量之間存在重復，取兩者中較大的值[19]。

對10 kV點示值誤差測量結果進行分析，計算得到擴展不確定度為0.58%，能夠滿足2級絕緣油介電強度測試儀的校準要求。但與檢定不同，校準過程容易受到各種環境因素影響(包括溫差、計算機數據處理引入的誤差等)。因此，應綜合考慮各方面因素對量值傳遞的影響。但由于絕緣材料的特殊性，其特性量值會隨時間的變化而變化，因此，在對絕緣油介電強度測試儀校準系統進行評價，對其穩定性不確定度進行評估，即：考慮其長期穩定性標準不確定度和短期穩定性標準不確定度。

4 結論

針對絕緣油介電強度測試儀校準系統的不確定性，根據測量不確定度表示指南對系統不確定度進行評定，現有的系統評價體系主要采用基于統計理論的方法。雖然該方法具有普適性，但針對具體的設備，應該考慮其特殊性，例如電氣結構、物理性質等。評定測量系統的不確定度時應充分考慮測量系統的動態性以及穩定性。但由于沒有確定的數學模型，因此將依靠存儲在主機的數據，利用趨勢分析法和方差分析法等一系列方法進一步分析不穩定性引入的不確定度。