高壓電氣設備試驗時介質損耗因數異常情況

國網陜西省電力有限公司超高壓公司 劉 鑫 李星羽

1 引言

高壓電氣設備是電力系統中的重要設備之一，由于運行過程中電壓較高，存在一定的運行風險，若高壓電氣設備出現運行事故，對整個系統會造成較為嚴重的影響。為此，日常工作中應嚴格進行高壓電氣設備的監測和故障診斷，以保證電氣系統的安全。常用的診斷方式包括在線監測和離線監測，在線監測方法會利用監測設備和通信系統向控制中心傳輸高壓電氣設備的電氣參數和物理參數，計算機利用數據和建模運算結果對設備的狀態進行分析，以及診斷故障，該方法要求通信網絡穩定，而且不會受到時間和環境的有關限制。雖然在線監測比較簡單，但是也容易受到干擾影響，而且一些建模技術、數據分析技術并不成熟。

離線診斷方法以設備的結構和運行原理為基礎，直接監測設備中的各種關鍵參數和數據，該方法精度高，同時國家對該方法也提出了嚴格的要求，對測試條件要求也高。在測試工作中，可能會出現介質損耗因數數值偏小甚至為負數的情況，為了保證高壓電氣設備的安全，必須采取解決措施。

2 高壓電氣設備試驗介質損耗因數概述

電氣設備的檢修和試驗雖然并不直接相關，但也有相輔相成的關系，檢修工作在于修復電氣設備，以保障電氣設備具有良好的工作狀態，延長設備的工作壽命和保障系統安全。試驗在于使用專業設備進行電氣設備運行期間各種物理量的檢測工作，并分析各類物理量的變化方式、變化趨勢，根據變化完成對系統狀態的評估，評估結果也會作為檢修人員的依據[1]。電氣設備的試驗項目包括絕緣狀態檢測，以及其他物理量變化的檢測，絕緣狀態包括絕緣的耐電壓水平、絕緣數值、tanδ等數值的變化，其他基本物理量變化檢測中會對斷路器的接觸電阻、分合閘時間、電流互感器電流比、線圈電阻等進行檢測。其中，tanδ的測量是國家要求的面向35kV以上高壓電氣設備的必須測試項目。

試驗工作中，試驗人員要對既有牽引變電站進行周期性試驗時，發現某高壓電氣設備的tanδ數值和歷年數據相比差別比較大，而且出現負值狀況。通過分析，由于強磁場的作用，介質材料會出現極化等情況，造成介質材料性能下降和出現損耗[2]。對于不同電氣設備，由于運行參數、運行條件存在較大的區別，所以直接測量獲得的介質損耗并不能直接用于對設備運行狀態的判斷，所以目前都是通過引入tanδ概念進行更為精確的分析。tanδ是被測電氣設備在施加電壓之后電氣設備的有功功率和無功功率比值，比值只取決于材料的特性，適合對不同設備的狀態進行比較。

在使用一體化便攜式介質損耗測試儀測試tanδ時，測試儀的內置介質損耗測試平衡電橋，儀器會對標準回路和被測賄賂進行測量。測試設備時可以使用正接法、反接法、CVT法，其中正接法和反接法的測試原理是一致的，主要區別在于被測試設備接地一側是否可以解除，如果可以則使用正接法，如果不可以使用反接法[3]。實際工作中，反接法會受到干擾回路電流的影響，所以測量精度相比正接法更低。

3 介質損耗因數出現負數問題分析

3.1 介質損耗因數出現負值

介質損耗因數tanδ是電氣絕緣的重要參數，根據該數值可以判斷電氣的絕緣狀況。實際的測試試驗中，由于各種因素的作用，會導致介質損耗因數出現偏差，其中一部分甚至可能直接導致最終結果為負值，根本不存在物理意義。在一些問題比較嚴重的情況下，tanδ測試結果甚至會出現負值，導致最終的測試結果無效[4]。圖1為tanδ在正值和負值的向量圖。

在圖1中，是無損耗標準電容器的電流，超前電壓為90°，是試品電容電流，夾角δ是介質損耗角。在試品的電容不會出現損耗時，由于δ為0°，因此tanδ為0。介質經過長期使用會出現損耗，所以在正常狀態下，測試獲得δ會大于0°，tanδ也為正值[5]。但是也有可能出現測試問題，導致相位差在90°以上，使得一部分有功分量和電壓相反，最終tanδ為負值。對于測試而言，tanδ的負值時沒有意義，因此在冊似乎中需要找到原因并采取措施消除。

3.2 tanδ負值原因分析

3.2.1 外部電流作用

如果測試過程中有外部電流在電壓上投影了和電壓相同的方向，δ的角度則會增大，導致tanδ增大，如果干擾電流在電壓向量上的投影和電壓方向相反，則會導致δ為負值。

3.2.2 測量儀器標準電容器介質損耗過大

試品電流在正常情況下落后于標準電容電流，但如果標準電容也損耗，有可能造成電流角度出現小于90°的情況，此時tanδ相比實際情況更小。在標準電容損耗極為嚴重甚至超過試品時，就會出現δ為負值的情況。由于標準電容器介質損耗通常都比較小，因此由于標準電容器損耗所導致的tanδ成為負值的可能性相對較小。

3.2.3 測量時測量儀的接地問題

使用正接法此測量電壓互感器的一二次繞阻tanδ時，如果一二次繞阻沒有損耗，在儀器出現接地不良時，就容易在儀器接地不良電阻的影響下導致tanδ的測試值偏小，甚至出現負值的情況。

3.2.4 電磁式電壓互感器接地鐵心接觸不良

對于鐵心直接接地電磁式電壓互感器，使用正接法測量一次繞阻對二次繞阻的介質損耗時，如果出現接地不良的情況，就會產生接地電阻。這類測量的問題和測量儀接地問題類似，也會造成tanδ的數值偏小以及，甚至出現負值的問題。

3.2.5 電容式電壓互感器電磁單元影響

用正接法進行電容式互感器分壓電容的tanδ時，變壓器和諧振器所產生的感抗作用，鐵心的損耗都會影響測量精確性。在測量tanδ時，在多分布式電容在繞阻上產生的壓降和鐵心損耗比較小時，如果絕緣介質本身的損耗也比較小，因此較小的鐵心損耗一般也會導致比較嚴重的檢測結果影響。如果測量工作中，中間變壓器的二次繞組短接，二次繞組路電流就會產生比較強烈的去磁作用，使鐵心的磁通量降低到零，支路只剩下部分電流時，獲得的結果和正常的測量結果基本一致。

3.2.6 電動行電流互感器阻抗影響

試品會存在一定的雜散阻抗，主要來自電容表面和表面的絕緣電阻，簡化后可以等值為如下入所示的電路。

圖2中的C1、R1、C2、R2表示試品為多層電容屏串聯電阻，C0、R0分別為試品電容層對地的雜散耦合電容和電阻，等值阻抗為Z1、Z2、Z0。根據tanδ=P/Q，其中P為試品的有功損耗，Q為試品的無功損耗。在雜散電阻抗Z0處于純電阻和純電容之間時，如果Z0的阻抗角大于Z2的阻抗角，Z0和Z2并聯之后的無功損耗增大將會大于有功損耗，而且tanδ會有所減小，對Z0可以按照純電容進行分析。

在使用反接法測量雜散阻抗時，反接法測量時試品和雜散阻抗相當于在電路中添加了一個電容，Z0為純電阻時，相當于增加了有功損耗，因此tanδ的值會有所增加，導致tanδ減小。

3.3 消除介質損耗因數偏小的問題部分措施

為了控制外來電流造成的干擾，一般通過電源倒相和變頻法控制外部電流影響；在測試工作中，應注意測量儀器的接地直接在被測試品的金屬底座上，而且要保證有效接觸。測量變壓器類設備時，必須短接設備放置電感和鐵心的損耗影響測量結果。測試設備、試品都要滿足干燥要求，屏蔽外部泄露時，有限選擇屏蔽環以外的設備。為了避免出現干擾，被測試品周圍應清除腳手架等可能影響電磁場的物體，有效控制分布阻抗。最后，實驗試品的引線和被測試品的夾角應該控制在90°，減小陰險和試品間分布電容的作用。

4 系統概況

本文對某鐵路牽引供電系統的高壓電氣設備進行試驗檢測，牽引供電系統包括變電站和接觸網，牽引變電站能進行變換、匯集和分配，接觸網的作用在于向機車輸送電能，機車采取直接從接觸網獲得電能的方式。為了保障運輸安全，必須確保牽引供電系統的所有電氣設備都處于健康運行狀態，所以必須按照周期對系統進行檢測和檢修工作。為了避免對正常運輸秩序造成影響，檢修和檢測工作需要在運輸間隔進行，運輸間隔在鐵路系統中也被稱為天窗。天窗期間的工作環境較為復雜，同時時間也較短，為了能控制影響范圍，電氣設備的停運檢測工作也必須遵循最小限制的原則。圖3為牽引變電站高壓側電氣主接線圖。

5 異常狀況和處理

5.1 系統異常狀況

試驗工作中，試驗人員要對既有牽引變電站進行周期性試驗時，發現某高壓電氣設備的tanδ數值和歷年數據相比差別較大，而且出現負值狀況。通過對比預防性試驗和交接性試驗過程，兩種試驗的環境比較類似，區別在于干預性試驗過程中沒有拆除各個電氣設備的連接線，交接性試驗過程中，各種電器設備都處于獨立狀態。對牽引變電站進行預防性試驗的工作中，測量一臺牽引變壓器高壓側介質損耗因數時，斷路器和另一臺牽引變壓器在檢測回路中。對電流互感器進行檢測時，斷路器的隔離開關在檢測回路中；檢測電壓互感器時，隔離開關和避雷器都在檢測回路中。

5.2 出現異常的原因分析

正常情況下電氣設備在運行過程中，絕緣會逐漸老化導致絕緣數值降低，tanδ的數值也會逐漸變化，在后續的預防性試驗工作中，如果出現tanδ變小或者達到負數的情況，排除環境因素，主要來自外界的干擾。對于所測tanδ數值偏小的情況，以牽引變壓器高壓側的預防性試驗為例，在一次引線不拆除，存在相關設備的情況下，并聯電氣設備的存在導致整體電容量值增加，并造成tanδ降低，同時如果處于惡劣環境中，比如環境存在污染和比較潮濕時，會在絕緣部分形成等效雜散電容，造成相同結果。對于tanδ數值為負值的情況，需要注意現場環境的干擾，儀器是否存在接觸不良，同時也要注意標準電容器介質自身是否存在損耗超標的問題，尤其檢測設備出現故障，就會導致tanδ出現負值。

5.3 高壓電氣設備試驗介質損耗因數測試建議

為了保障測試結果的精確性，在測試工作中應該嚴格遵循相關環境條件的規定，尤其要充分分析周圍旁路電容的影響，并通過計算進行修正，獲得較為精確的結果，由于運行過程中電氣設備之間存在電氣連接的關系，所以對介質損耗進行測試時，必須對測試設備單獨解列，如果不能解列，就需要進行測試結果的綜合評價以及修正。測試工作開始前，需要注意對測試設備的檢查，并使用標準試品進行狀態檢測，避免設備內部標準電容存在損壞。

6 結語

對高壓電器設備介質損耗因數進行測量時，需要對tanδ形成正確認識，并做好測試過程中的控制工作，保障現場測試結果的精確性。測試人員需要知曉各種對介質損耗因數異常情況產生影響的因素，尤其加強對環境因素對測試數據影響的控制，確保測試結果可以反映數據的真實情況。如果發現數據存在異常，需要分析異常出現原因并采取措施消除干擾，保障測試結果滿足規范要求。同時，測量人員也要不斷積累經驗，尋找解決異常數據的測試技術，提升介質損耗測量數據的精確性。