（电力电子与电力传动专业论文）不同试验方法对cvt介损测试结果的影响.pdf

山东理t 人学硕l ：学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p i n go fo u rn a t i o n sp o w e r 酊da n dt h ea d v a n c i n go fv o l t a g e 掣a d e ， c a p a c i t 觚c ev o l t a g et 啪s f o m l e r ( s h o i r t e df o 肌c v t ) c a i lb e u s e di nm ef i e l do f h 诎 v o l t a g ee l e c t r i cp o w e rm e t e r i n g ，r e l a yp r o t e c t i o n ，i n s t m m e n td i r e c t i o n ，h 诎舶q u e n c y p r o t e c t i o na n dt e l e c o n t r o lc h a n n e li i le l e 嘶cp o w e rc a r r i e rc o m m u m c a t i o nc o n n e c t i o n c o m p a r e d t ot h e e l e c t r o m a g n e t i cv o l t a g et r 觚s f o m e r ， c v th a st h e u n p a r a l l e l e d a d v a n t a g e s c v th a sb e i n gu s e di nm e d i 啪a 1 1 dh i 曲v o l t a g es y s t e m t h e 、v o r kr e l i a b i l i t y o fc v ti sv e 巧i m p o r t a n tt os a 传o p e r a t i o no ft h ee n t i r ep o 、v e r 鲥d i no r d e rt oe n s u r es a f e o p e r a t i o no fc v t ，c v ts h o u l dd ot h ep r e v e n t i v et e s tt o ( 1 e t e c tt h ei n s u l a t i o ns t a t e ，t h e r e i n t 0 t h em e a s u r eo fd i e l e c t r i cl o s sa 1 1 9 l et a l l g e n t ( s h o r t e df o md i e l e c t r i cl o s s ) i so n eo ft h em o s t i m p o m i n t t e s to fd e t e c t i n gc v t si n s u l a t i o ns 眦e a c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o no fp r e v e n t i v et e s to fm ez i b op o 、e rs u p p l yc o m p a n y a n d p h e n o m e n o nw m c ht h er e s u l t so fd i e l e c t r i cl o s sv a r yg r e a t l yb yu s i n gt h ed i 岱：r e mt e s t c o l l i l e c t i o nm o d e a i 6 0 0 0d i e l e c t r i ci o s st e s t e ri su s e dt om e a s u r et l l ed i e l e c t r i cl o s so f c v t f r o mt h et e s t ，m el a w sc a i lb eo b t a i n e dt h a tt h ed i e l e c t r i cl o s sc h a i l g e sw i t l lt t l et e s t v o h a g ei nl o w - v o l t a g e ( 1 0 k v ) a n dd i 虢r e n tt e s tm e t h o d 盛c t st h ed i e l e c t r i cl o s so fc v t ， a i l dt h et e s tc o n f i n i l st h ee x i s t e n c eo ft h ep h e n o m e n o n 细r d l e r t h ep a p e rc o m b i n e sm et e s t a n a l y s i sa 1 1 dt h e o r ya n a l y s i s ，t h i sp h e n o m e n o ni se x p o u l l d e d a c c o r d i n g t ot h et e s td a _ t aa n d t h e o 巧a n a l y s i s ，s o m es u g g e s t sa r eg i v e n ：t h ed i e l e c t r i cl o s sv o l t a g es h o u l db ee 1 1 l l a l l c e di n t h ec v t p r e v e n t i v et e s t ；t h ec o r r e s p o n d i n g t e s tc o m l e c t i o nm o d ei s 敷t v i s e d ；t h ei n s u l a t i o n s t a t ec r i t e r i o ni sp u tf o 刑a r d ；a tl a s t ，s o m ea d v i c e sa r eg i v e nt ot h ec v tp r o d u c e ra b o u tt h e m a n u f a c t u r i n gt e c l l n o l o g yo f c v t k e y w o r d s ： c v t ； d i e l e c t r i cl o s s ； h i 曲一l t a g et e s t i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：孑伸哟、时间：万年参月日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：孕扣翁、 刷磁轹f 时l 圊：矿洚6 玛l7b 时间：，只彩l ! 年矽月肜日 山东理t 大学硕f ：学位论文第l 章绪论 第1 章绪论 1 1c v t 的结构、工作原理、应用及发展史 1 1 1c v t 的结构和工作原理 随着我国改革进程不断加快，社会主义市场经济的逐步建立和完善，电力工业打 破垄断走向市场己成为不可逆转的历史潮流。市场化的到来和电力工业本身的发展， 都需要技术的进步和革新，这就带来大量需要解决和研究的问题。用于电压测量、继 电保护、载波通讯的电容式电压互感器( c a p a c i t o rv o l t a g et r a n s f o m l e r s ) ，简称c v t ， 已逐步取代电磁式电压互感器，在3 5 5 0 0 k v 变电站的线路和母线上都获得了广泛的 应用。由于设备处于高电压运行环境，其绝缘状态会受到外部污秽和潮气侵蚀影响， 会遭到雷电或系统操作等过电压的侵害，需要对c v t 进行常规预防性试验，测量其 绝缘的介质损失角正切，诊断其运行状态，以保证其安全、可靠、准确运行，成为电 力行业一项重要任务【。c v t 的结构原理图如下拉j ： 图1 1c v t 原理图 c l 。、c 1 2 耦合电容；c 1 3 、c ：一分压电容器 l _ o h 偿电抗器；口l x l 、口2 x 2 一二次绕组；口，x ，剩余绕组 c v t 可以分成两个主要部件【3 】：一是电容分压器，由高压电容器c 1 及中压电容 器c 2 组成，l l o k vc v t 的c l ( c l l 、c 1 2 、c 1 3 ) 、c 2 共装于一个瓷套内，1 1 0 k v 以上产 品为c 1 分别装于多个瓷套，并且c l 一部分与c 2 装于一个瓷套内；二是电磁单元， 级 巍耽町耵匕e e 山东理工人学硕1 ：学位论文第l 章绪论 t y d l 0 0 0 3 刈0 0 5 h 型特高压c v t 。西容公司开发的特高压c v t ，采用了西安双 佳高压电瓷公司的等静压干法整体成型先进工艺和高强度配法生产的瓷套，采用了先 进的电容器介质结构，在电气、机械和防晕设计等方面采取了有效措施，样机通过了 全面的型式试验，并在上海同济大学通过了严格的抗地震试验。目前正在生产我国 “晋东南一南阳一荆门特高压试验示范工程用的特高压c v t 。 2 c v t 技术发展方向1 6 。8 j 向低输出、高准确度方向发展。l o 多年来，我国c v t 一直向“高输出、高准确 度 方向发展，相继开发出0 2 级4 0 0 v a 和0 2 级5 0 0 v a 的产品。 电容器采用全膜介质，绝缘强度大幅度提高，耦合电容器有数百只元件串联，整 台产品还可继续运行，不会像复合介质那样产生碳粒对油造成污染。国外采用的所谓 “无熔丝电容器”就是利用了全膜介质的这一优点。可简化生产过程，缩短交货周期。 由于不用电容器纸，原材料采购、制造过程都会简化。全膜介质含水量少，真空处理 温度低、时间短，从而会缩短生产和交货周期，对产品质量也有很大好处。 电容器元件采用自动卷制工艺。其优点是： 1 便于借助高压并联电容器的成熟经验，利用已有的全自动卷制机进行耦合电容器元 件的自动化卷制，可提高元件质量和生产效率。 2 改善电容器元件卷制质量，降低局部放电量，提高耐电强度。 3 提高生产效率。 在c v t 上配备供电网谐波监测用的附件。电网质量越来越受到人们的重视，对 电网谐波实施监测是十分必要的。电力用户广泛采用c v t ，在通常情况下直接从二 次侧引出谐波电压监测信号将会带来较大的测试误差。但是，c v t 带有一台很好的 电容分压器，可以充分利用。我们可以在分压器的接地端串人一个大电容，从其上引 出几十伏的低电压就可供给谐波测试仪进行电网谐波监测。 发展s f 。气体绝缘c v t 。 研究开发采用电容分压传感器的电子式电压互感器。电子式互感器能够直接提供 数字信号给计量、保护装置，简化二次设备，提高整个系统的准确度和可靠性，加速 变电站的数字化和信息化进程，是一项重大的技术创新，国内外在这方面的研究工作 进行得如火如茶。 现在我国挂网运行的高电压等级电压互感器中绝大多数采用c v t ，这是本论文 所要讨论的重点。 1 2c v t 的运行与安全要求 1 制造厂是按电容分压器c 。与c ：叠装后实测电容之比进行调配的，安装时电容 器应对号入座，电磁部分也应对号入座，否则将无法保证误差特性。 4 山东理t 火学硕l ：学位论文第l 章绪论 2 其本身回路电阻很小，不可能抑制分次谐波谐振，必须投入外接阻尼装置，否 则互感器必然发生谐振损坏。 3 c v t 的低压端子，是专供与载波耦合装置连接后接地或直接接地用的，当互 感器不作载波通信用时，此端子必须直接接地，否则将发生放电故障。 4 产品从电源断开退出运行后，必须用接地棒多次放电并将高低压端子短路后方 可接触，以保证人身安全。 5 c v t 应在允许的频率范围、温度范围、负荷范围内运行【9 】。 1 3c v t 的预防性试验要求及运行状况 1 3 1 预防性试验的要求 d l 厂r5 9 6 1 9 9 6 电力设备预防性试验规程( 以下简称预试规程) 是电力系统绝缘 监督工作的主要依据。预试规程表9 “电容式电压互感器的试验项目、周期和要求” 中规定：中间变压器的t a n 万与初始值相比不应有显著的变化；预试规程表3 0 “耦合 电容器和电容式电压互感器的电容分压器的试验项目、周期和要求”中规定：1 0 l ( v 试验电压下，油纸绝缘电容器的t a l l 万不得大于0 5 ；膜纸复合绝缘电容器的t a l l 万不 得大于o 2 l l 。 1 3 2c v t 的运行状况 在变电站中，c v t 运行数量多，长期处于运行状态，其工作可靠性对整个电力 系统的安全运行具有重要意义。因此，人们对c v t 运行的可靠性也提出了更高的要 求，c v t 现场绝缘试验f j 益被人们重视。目前，c v t 有分装式和叠装式( 又称为一体 式) 两类。叠装式c v t 因中间变压器绕组的高压线端接于分压器内部无法解开。因此， 现场无法用常规的试验方法测量分压电容器的电容量和介损。 现在淄博供电公司还有很多叠装式c v t 正在电力系统中运行，对于无中间抽压 端子的叠装式c v t ，在进行介损测量的时候不能用常规的方法，而大都使用自激法。 即以c v t 中间变压器作为试验变压器，并由其二次侧加电压进行激励，一次侧感应 出高压作为电源，分别测量c 和c ，的电容及介损。 在淄博供电公司实际试验中发现：对于同一个c v t ，采用自激法试验时，对多 个二次线圈的不同组合加压所测量的结果出现了明显的差异。 同时，导师在前年担任华北电网试验比武裁判的时候，也发现不同的试验习惯、 接线方式、试验电压高低等存在同样情况。 山东理丁人学硕i ：学位论文第l 章绪论 1 3 3 论文问题的提出 本文针对淄博供电公司对c v t 的试验实际及华北试验比武发现的这种情况可以 提出这样的问题： 1 不同试验方法( 对多个二次线圈不同组合加压) 测c v t 的介损出现很大差别的现象 是否具有普遍性。 2 结合结构特点，如何解释上述现象。 3 对于不同的试验结果，哪一种方法更能反映c v t 的真实绝缘水平。 1 4 研究现状及论文的任务 1 4 1 研究现状 高电压技术介质损耗理论认为绝缘良好的电容器和中间变压器的t a n 万不会随试 验方法的不同而改变，具有良好绝缘的介质在一定试验电压范围内t a n 万是一直线。 许多文献谈到利用自激法测c v t 的t a n 万时，大多采用剩余绕组( d ，、x ，) 加压的 方法，继而又分析了影响这种方法的因素，给出了解决的办法。而没有注意到也可以 利用其他二次绕组或他们的组合进行加压，也就没有分析不同试验方法( 对多个二次 线圈不同组合加压) 对c v t 介损的影响；不同的供电单位在规程的掌握上也千差万别， 导致对c v t 试验结论存在误差。 文献【3 0 】谈到中间变压器对c v t 介损测量的影响，但没有详细的对每一种接 线方式进行分析比较找出最能反映c v t 真实绝缘水平的接线，没有提出绝缘判据。 综上所述，有关高电压试验资料中对不同试验方法测量c v t 介损结果差异很大 的现象分析很少，不能解决c v t 在预防性试验中和针对实验数据对绝缘判断所遇到 的实际问题和困惑。 1 4 2 论文的任务 根据以上分析，本文提出了以下任务： 1 通过对淄博电力公司的预防性试验调研并结合试验室试验，证实在c v t 的介 损试验中，对多个二次线圈不同组合加压所测量的结果出现了明显差异这种现象的存 在。 2 通过理论分析，为这一现象提供理论依据。 3 对于不同的试验方法( 不同的接线方式) ，找出最能反映c v t 真实绝缘水平的接 线方式，提出绝缘判据。 6 山东理工人学硕十学位论文 第l 章绪论 4 针对c v t 介损试验中存在的这种现象，给试验人员和产品生产厂家提出一些 合理的建议，保障c v t 始终处在良好的绝缘状态。 1 5 本章小结 本章主要概述了c v t 的基本结构和工作原理，介绍了c v t 的发展史以及运行条 件；通过文献查阅和对淄博供电公司的实际调查研究，发现在c v t 的预防性试验中 不同试验方法所测得的介损相差很大，并由此提出了本文的任务，对于c v t 的预防 性试验具有重要的意义。 7 山东理t 人学硕j j 学位论文第2 章c v t 介质损耗的测量方法 第2 章c v t 介质损耗的测量方法 2 1c v t 电介质的损耗 2 1 1 概述 在电场作用下，没有损耗的电介质称为理想电介质。但实际绝缘体多少有些损耗， c v t 也不例外，且损耗形式一般表现为电介质中的部分电能转变为热能，这部分损 耗能量常称为电介质损耗，它是导致电介质发生热击穿的根源。 无论交流还是直流电压作用于电介质都存在损耗。但直流电压下的损耗一般很 小，因良好绝缘体只有很小的电导电流；交流电压下损耗较大，且损耗机理也较复杂。 电介质在单位时间内消耗的能量称为电介质损耗功率，或简称电介质损耗。交流 下的电介质损耗可用式( 2 。1 ) 表示 尸= c o s 妒( 2 - 1 ) 式中：u 一外施的交流电压； ，一流过电介质的全电流。，超前u 一个缈角，够称功率因数角，一般妒角 略小于9 0 0 。 一般来说，作用于电介质的电压愈高，流过电介质的电流愈大，则介损愈大。故 绝缘体形状和尺寸会影响介质损耗的大小。此外，介质损耗还与电介质的电导有关， 交流下还与电介质极化性能有关。因此，对某一个c v t 而言，介质损耗大小与其电 气性能密切相关，介质损耗增大，表示电气性能变坏。故介质损耗大小是鉴别c v t 绝缘品质的重要指标之一，c v t 介质损耗应尽可能小。 然而，c v t 一般并不需要测量介质损耗的大小，了解损耗的变化通常只看缈角余 角的大小，这个余角称为介质损失角，国内外常以万表示，万= ( 万2 ) 一缈。在实际测 量中，总是测量此余角的正切，即测量t a i l 万( 称介质损耗角正切或损耗因数) ，且常用 百分数表示。t a j l 万与电路中的功率因数相对应，而与绝缘体的形状、尺寸无关，是 绝缘体固有的值。因此，人们很早就对测量t a n 艿与测量绝缘电阻、泄漏电流一样的 重视，都用作大致表示绝缘体性能的标准。绝缘材料的受潮、劣化和气泡等缺陷，通 常都可以通过测t a n 万反映出来。所以研究c v t 的介质损耗有十分重要的意义。 8 山东理t 大学硕j j 学位论文 第2 章c v t 介质损耗的测量方法 2 1 2 交流电场下的几种损耗 电介质在交流电场下的损耗，根据物理特性的不同，可分为下面几种形式：【l l 】 1 电导损耗 实际电介质多少总有泄漏电导存在。在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过， 引起电导损耗。我们把贯穿电导在交流电场作用下引起的电导电流使介质产生的损 耗，称之为贯穿电导损耗。 通常气体中的电导损耗很小，而液、固体中的电导损耗，则与它们的成分和结构 有关。非极性的液体电介质、无机晶体电介质和非极性有机电介质的介质损耗主要是 电导损耗。而在极性电介质及结构不紧密的离子固体电介质中，介质损耗主要是由极 化损耗及电导损耗两部分组成。它们的介质损耗较大，并在一定温度和频率上出现峰 值。非极性电介质有极性杂质渗入后，也会出现极化损耗。 通常，绝缘良好时，液、固体电介质在工作电压下的电导损耗也较小。但由于液、 固体的漏电导随温度上升按指数规律增大，故电导损耗也会随温度的升高而急剧增 加。如果损耗发热使某个局部的热平衡不能维持，则损耗的增加将产生恶性循环，最 终会导致绝缘体的热击穿，引发电力事故。 2 极化损耗 建立极快的极化过程( 电子式、离子式极化) ，实际上不产生能量损耗，对应这一 过程的电流是纯电容电流。只有缓慢极化过程才引起能量损耗，例如偶极子的极化损 耗。在交流电场作用下，介质中偶极子反复地沿交变电场重新排列，这种排列需要克 服质点间的相互作用力而做功，引起能量损耗，这种损耗是极化损耗的一种型式。不 均匀介质的央层极化是另一种型式的极化损耗。在交变电场作用下，夹层介质边界上 的电荷周期性变换符号，时而积累，时而消失，这种夹层极化电荷的积累和消失要经 介质内部，从而引起一定的能量损失。介质在交流电场作用下引起的吸收电流所产生 的损耗，称之为松弛极化损耗。 在交流电压下，介质损耗由电导和周期性的缓慢变化共同引起；绝缘中存在局部 放电时，还将包括游离损耗。因此，必须引入一个新的物理量来表征电介质在交流电 场下的损耗特性，这个物理量就是前面提出的t a n 万。变电站实际运行中常需要测量 c v t 的t a n 万，以了解c v t 损耗方面的性能，反映其实际工作状况。 3 游离损耗 气体间隙中的电晕损耗和液、固体绝缘中局部放电引起的功率损耗，都称为游离 损耗。 在j 下常情况下，气体间隙的损耗可忽略，因不存在极化损耗，电导损耗很小，故 空气、n 2 、s f 6 等气体常用作标准电容器的电介质。对于电场不均匀的气体间隙，当 外施电压超过起始电晕电压时，气体将游离，产生带电粒子。在产生带电粒子的游离 9 山东理工人学硕i ：学位论文第2 章c v t 介质损耗的测量方法 过程中，气体出现光、声、化学等效应，运动离子与气体分子碰撞时把能量传给分子， 这都会引起能量损耗。有时，这种电晕现象在工作电压下就会发生，高压架空线上的 电晕就属这种情况。当电压降低到起始电晕电压以下，电晕停止时，气体电介质可以 完全恢复其原来的绝缘性能。 液、固体电介质中的局部放电则不然，因即使局部放电的能量很小，也会导致 c v t 绝缘材料介电特性的逐渐劣化。例如固体电介质的气隙发生局部放电时，与气 隙接触的介质表面会形成通道和凹孔，损伤介质，使电导增加；放电形成的活性生成 物如0 2 、n 0 、n 0 2 等对介质的氧化作用，也使介质逐渐劣化，尤其是对有机绝缘材 料起着腐蚀作用。这种局部放电，虽然一般不会发展到c v t 电介质的完全击穿，但 是会引起介质损耗剧增，使得固体绝缘存在热击穿的危险。 液体电介质含有气泡时，也会发生类似固体电介质中的气隙放电现象。气泡放电 时，有光波、声波( 包括超声波) 、臭氧和氮的氧化物等产生，致使损耗增加，油分子 分解。油的分解会产生气体，导致气泡扩大，气泡放电升级，损耗进一步增加。这样 发展下去，有可能形成导致液体间隙击穿的“气桥 。 总之，介质在直流电压下只有电导损耗，但在交流电路中，电压的大小和方向是 随时间的变化而变化的，这个变化过程，意味着介质在屯场的作用下产生极化，即产 生电荷的积累、消失、偶极子极化方向的改变以及它们间的相互摩擦等，这个过程都 发生能量消耗。加上电容并非“理想电容 ，对容性电路充电也会发生能量损耗。所 以，无论c v t 绝缘介质的绝缘性多么好，在交流电场作用下，都会发生能量的消耗。 介质损耗很大时，就会使介质温度升高而老化，甚至导致热击穿。因此，介质损耗的 大小就反映了c v t 介质的绝缘优劣情况。 2 1 3 研究c v t 介质损耗的意义 1 设计c v t 绝缘结构时，应注意到绝缘材料的t a n 万值。如果伽万过大会引起严 重发热，使材料劣化，甚至可能导致热击穿。 2 在c v t 绝缘试验中，t a l l 万的测量是一项基本测试项目。当绝缘受潮劣化或含 有杂质时，t a n 万将显著增加，绝缘内部是否存在放电，可通过测t a n 万u 的关系曲 线加以判断【l 2 | 。 3 用做c v t 绝缘材料的介质，希望t a n 万小。在其他场合，可利用t a i l 万引起的介 质发热，如电瓷泥坯的阴干需较长时间，在泥坯上加适当的交流电压，则可利用介质 损耗发热，加速干燥过程。 4 当c v t t a i l 万值未超过规定值时，可以补充测量电容量来分析，电容量不应该 有明显的改变。 5 对逐年的c v t 介损试验结果应进行比较，在两个试验间隔之间的试验测量值 1 0 山东理工人学硕士学位论文第2 章c v t 介质损耗的测量方法 不应该有显著的增加或降低【1 3 】。 2 1 4c v t 介质损耗的等值电路 具有损耗的绝缘材料和结构，通常可以用串联或并联的电阻、电容组成的等效回 路和相应的向量图来表示【1 5 】【1 6 】： 由图2 - 1 ( a ) 可得 t a i l 万= u ，u 。= 锨。e ( 2 - 2 ) 则 尸= c o s 够 ：u ：崛s i n 艿 1 + 似。c ，) 2 弘 = p 2 嵋s ；n 枷万班( 1 + t a n 2 万舳s 司 = p 2 以。切n 万) ( 1 + t a n 2 万) ( 2 3 ) 由图2 1 ( b ) 可得 t a i l 万= ，t = 1 伽p q ) ( 2 4 ) 则 尸= c o s 缈 = t a l l 万 = u 2 厕。t 觚6 ( 2 - 5 ) 从图2 - 1 及式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 可知万反映了介质损耗的大小，称之为介质损失角， 它的正切值t a n 万则是衡量介质损耗的重要参数。不论是并联还是串联等值电路，都 是代表一种介质或是一个设备，在同一电压作用下，流过的电流应相等，即用串联回 路所代表的总阻抗和用并联回路所代表的总阻抗应相等。同时损耗和t a l l 万也应相等， 据此可求出 c p = c 。( 1 + t a n 2 万) ( 2 6 ) r j 口= r ，( 1 + 1 t a l l 2 万) ( 2 7 ) 两种等效回路的电阻值和电容值是不同的，对一种性能良好的介质来说，r p 应 很大，r ，应很小，t a n 万也应很小，所以c p 和c s 的差别是不大的，故q c s = c ， 因而电介质的功率损耗尸可用统一的公式进行计算： 尸= u 2 们t a u l 万 ( 2 - 8 ) 山东理t 人学硕 ：学位论文第2 章c v t 介质损耗的测量方法 i cc o + t c p + u c + u ， i 1 h 吵 i ( a ) ( c ) ( a ) 等值电路( b ) 串联( c ) 并联 图2 1 有损耗介质的等效回路及矢量图 由式( 2 8 ) 可知，p 芘u 2 ，缈，c ，t a i l 万，可以得出以下几个结论州： 1 对一种介质或一个设备，c 一定，若u ，缈为不变数，则介质损耗由t a n 万唯一 地确定。因此，t a n 万和介电常数、电导率一样，属于材料本身的特性参数，它是衡 量介质本身在电场中将电场能转变为热能( 损耗) 的一个宏观物理参数。 2 高压或高频下，应选用t a l l 万小的材料，以防止过度发热导致热击穿。 3 式( 2 8 ) 只有计算意义，等值电路并不能确切地反映介质内部的物理过程。 山东理工人学硕上学位论文第2 章c v t 介质损耗的测量方法 2 1 5 影响c v t 介质损耗的各种因素 在排除了外界干扰，正确地测出t a n 万值后，还需对t a n 万的数值进行比较，正确 分析判断绝缘情况。测量t a i l 万能有效发现的缺陷有：整体受潮，贯穿性的放电通道， 绝缘内含有气泡，绝缘分层、脱壳，老化、劣化，绕组上积附油泥，绝缘油脏污、劣 化等。 影响t a n 万的因素主要有温度、湿度、频率和电压等【1 2 】【1 3 】【1 5 】： 1 温度的影响 其决定于介质的结构。中性或弱极性介质的损耗主要来源于电导，故t a n 万随温 度升高而增大。由于极性介质具有电导和极化两种损耗，在某一温度范围内，以极化 损耗为主，故其温度特性如图2 2 所示。频率一这根曲线，温度较低( 最) 时，两种 损耗都很小，且都随温度升高而增大，当温度等于鼠时，极化损耗达到最大值；以后 随着温度的升高( 鼠 ；。说明对某一种绝缘材料， 频率增大时，t a n 万= 厂( 秒) 曲线形状不变，但极值往温度升高方向移动，原因是：在较 高频率下，偶极子不易充分转向，要使转向进行的更充分，只得升高温度，减小粘滞 性，所以峰值点和整条曲线向右移动。 图2 2 极性介质t a n 万与温度的关系 3 电压的影响 当外加电压较低时，t a l l 万不随电压变化而改变。但如果绝缘有缺陷，如存在气 泡时，则当外加电压高于空气的起始电离电压时，空气产生游离，介质损耗剧增，如 山东理t 人学硕1 ：学位论义第2 章c v t 介质损耗的测量方法 图2 3 所示。故可利用这一特性，通过测量t a n 万和电压关系曲线，判断绝缘内是否有 分层、裂缝等局部缺陷。 图2 3 含有气隙介质t a n 万与电压关系 4 湿度的影响 电介质吸湿后，介损会增大，因为湿度增大会使电导损耗和极化损耗均增大。但 对高压设备而言，由于其绝缘结构复杂，各部分吸湿的性能不一样，测量整体的t a l l 万 不一定能反映出局部受潮。在不同的湿度下测得的值也是有差别的，应在空气相对湿 度小于8 0 下进行。 5 绝缘的清洁度和表面泄漏电流的影响 这可以用清洁和干燥外表面来将损失减到最小，也可以采用硅油等办法来消除这 种影响。 综上所述，通过c v t t a n 万的测量能发现的缺陷主要是：绝缘受潮，绝缘材料的 普遍老化，还可发现局部缺陷。根据c v t 的具体情况，有时即使数值仍低于标准， 但增长迅速，也应引起充分注意。此外，还要和同类设备比较，看是否有明显差异。 2 2 电桥法原理 预防性试验是电力设备运行和维护工作中的一个重要环节，是保证电力系统安全 运行的有效手段之一，其中c v t 的t 锄万测量作为一项简便易行、灵敏度高的试验手 段被广泛采用。长期以来，c v t 绝缘介质损耗角正切的测量都是采用西林电桥。近 年来，由于电子技术的飞速发展，数字式介损测量技术也逐步走向成熟。各种测试方 法的原理如下 1 5 】【1 7 】： 1 西林电桥 西林电桥等效电路如图2 4 所示，试品用串联等效电路模型代替。调节r 3 、c 4 使电桥平衡，此时电流计中无电流通过，a 、b 两点电压相等，即r 3 、c 4 两端电压相 1 等。交流电路中电容阻抗为。电路中心、c 4 的并联阻抗为两者倒数和的倒数。 ，钆 即为： 1 4 山东理t 大学硕士学位论文第2 章c v t 介质损耗的测量方法 1 l 1 瓦+ 广 r 4 上 1 见 击+ 以1 + 拙4 c 4 3 蕊、 由阻抗元件分压原理，可以得到： 墨! u 口2 二彘u = u a2 二二三董兰u 缈c ， 1 1 + 缈尺4 c 4 j 国c 。 上式两边取倒数得： 上+ 墨：! 竺! 刍：上+ 鱼 j 蝉xkj 排nj r nc n 按复数相等实部、虚部分别相等的规定，可以得到： 耻导尺， 乙” - 一r - l j j l 代3 按串联模型介损定义：t a l l 万= 咄e = 嘁c 4 ，由于r 。是固定的可以从c 4 刻度 盘上读出介损，通过尺。、尺。、c 。就可以计算c ，。 采用这个原理的仪器有现场用的q s l 、试验室用的2 8 0 1 等。 9 0 0 ： e 图2 4 西林电桥等效电路 2 m 型电桥 m 型电桥等效电路如图2 5 所示，将试品改为并联模型。注意到，与l 、l 差 ：厄鬲i 而足。2 调节r 。使u 最小。这时l r 。= l 尺3 ，u 矿= ，r 3 ，因此： 1 5 山东理i 人学帧一i ：学位论文 第2 章c v t 介质损耗的测量方法 ， t a n 万= 上= 旦 i 。 ic n r 4 由于a 、b 间电压没有完全抵消，因此m 型电桥也称为不平衡电桥。u 测量的 是绝对值，小介损时电压很低，难以保证测量精度。 图2 5m 型电桥等效电路 3 数字电桥 数字电桥的测量回路还是一个桥，其等效电路如图2 6 所示。b 、足。两端的电 压经加采样送到计算机，求得d ，、玩： l = 鲁丘= 鲁 d = j 。标准电容阻抗= 鲁 ，纨n 通过j 。与d 的相位比较，可求得试品介损和电容量。 采用这个原理的仪器有a i 6 0 0 0 c 型高压介损测试电桥等。 图2 6 数字电桥等效电路 2 3 数字化介质损耗的测量方法 介质损耗因素的测量属于高精度测量，介损的模拟测量方法主要有谐振法、瓦特 表法和电桥法。谐振法只适用于低压高频状态下的测量。瓦特表法是由介质损失的功 率和经过的电流计算求得，瓦特表法由于测量准确度低，现己基本淘汰。电桥法采用 1 6 山东理 人学帧i j 学位论文第2 章c v t 介质损耗的测量方法 交流电桥差值比较原理，准确度相对较高。其典型代表是西林电桥，如前所述。目前 有一些数字化自动电桥其实只是采用数字化技术来调节电桥的平衡，而实际的测量原 理仍然是用标准电容和电阻与被试品进行比较的模拟方法【1 9 】【2 0 】。 模拟测量方法存在以下缺点： 1 测试程序复杂，操作工作量大，自动化水平低，易受人为因素的影响。 2 随着输变电电压等级的提高，强电场干扰严重，使变电站高压电器设备的t a n 6 测 量误差过大。 3 当试验电源有较大谐波干扰时，即使基波电压已获平衡，检流计仍不能为零，不能 排除与基波相近的谐波干扰。 近年来，随着电子技术的进步，一些不同于电桥测量原理的新型自动测量仪争相 推出和试用，它们采用与传统测量方法有很大区别的“现代介质损耗测量技术 。数 字化测量方法的原理是利用传感器从试品上取得所需的信号u 和，经前置预处理电 路数字化后送至数据处理部分，即计算机或单片机，算出电流电压之间的相位差，最 后得到t a n 万的测量值。 2 3 1 过零电压比较法 过零电压比较法是测量两个频率相同、幅值相等、相角差小的正弦电压波之间相 角差的方法。满足上述条件的两个正弦波可以分别表示为【2 3 】： “l = 4s i n 研；“2 = 4s i n ( 研+ 矽) 则任何时刻的电压差为： 掰3 = z 乞一甜l = 4s i n ( 刎一缈) 一4s i n 耐 由于4 = 彳2 = 彳，则上式变为： 戤3 = 么l s i n ( 耐+ 妒) 一s i n 研j = 曰c o s ( 刎+ 缈2 ) ( 2 9 ) 式中：b = 2 彳s i n ( 伊2 ) 。 当f = o 时，式( 2 9 ) 为”3 = 么s i n 伊，于是伊= a r c s i n ( z 1 3 么) 该方法特点是电路简单，对启动采样电路、a d 转换电路要求不高，且以过零点 附近两个正弦波的平均电压差来评价两个正弦波的相位差，所以抗干扰能力强。但要 求满足的测量条件十分苛刻，如要求两个被测的正弦波谐波分量和谐波相位相等，增 大了测量的难度。 山东理t 人学硕l j 学位论文第2 章c v t 介质损耗的测量方法 2 3 2 过零鉴相法 这种方法是对电流和电压波形进行模拟取样，测量电流和电压波形过零点的时间 差，然后根据波形频率将此时间差转换为相角差，最后求得t a n 万和c 。在运用时， 可以用检测一个周期内波形两次过零点( 称双向过零检测) 的方法来减小硬件电路的固 有零点失调，但尽管如此，过零鉴相法对波形失真度和波形过零点的依赖性很大，其 抗干扰性能较差，不适于现场带电测量【2 0 1 。 2 3 3 自由矢量法 这一方法是先得到电流向量和电压向量的实部和虚部，然后根据复导纳的定义， 通过换算得到t a l l 万和c ，。其基本思想如下：正弦信号可以在复平面上用向量表示， 向量的相角是正弦信号在f = 0 时刻的相位角，实部是正弦信号在f = 0 时刻的采样值， 虚部是其在f = 一r 4 时刻的采样值。同理，正弦信号在某一时刻，= ，时的位置也可以 在复平面上表示，其实部是，= 时刻的采样值，虚部是 一r 4 时刻的采样值。由此 可知，正弦信号在任意时刻，的采样值与其在 一丁4 时刻的采样值正交，且分别对应 ，时刻向量的虚部和实部。这样在复平面上可表示正弦信号在任意时刻，时的向量，称 之为自由向量。自由矢量法实现的电路简单、体积小、重量轻、价格便宜，但存在电 源频率不稳、波形不准、外界电磁场的干扰等误差因素，限制了该方法的准确度和稳 定性的提高口。 2 3 4 异频电源法 异频电源法的原理是在介损测量过程中试验电源频率偏离干扰电源频率，通过频 率识别或滤波技术排除干扰电源的影响。使用d f t 或f f t 可将异频频率波和干扰频 率波分辨开来。理论上只要满足同步采样条件，d f t 或f f t 就不会有泄漏效应，可 以准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来，就可以得到该频率波的初相位9 | 。 实际上，介损随着频率的变化而变化，这就出现不同频率下的测量结果的等同性 问题。异频电源频率不能偏离工频太远，否则测量结果与工频下的介损值失去等同性， 也不能偏离太近，这样会增大频率分辨的难度，同样会造成较大的误差【2 4 j 。 2 3 5 谐波分析法 谐波分析法就是利用离散傅立叶变换( d f t ) 对试品的电压和电流信号进行谐波分 析，得出基波，再求出介质损耗角。 1 8 山东理工人学硕十学位论文箱2 章c v t 介质损耗的测量方法 当考虑高次谐波的影响，主要是3 次和5 次谐波时，试品上的电压和电流可表示 为： “( f ) = u ls i n ( 研+ 仇1 ) + u 3 ( 3 研+ 纯3 ) + u 5s i n ( 5 研+ 纯5 ) f o ) = ，ls i n ( 研+ 伊f 1 ) + 厶( 3 研+ 仍3 ) + ，5s i n ( 5 耐+ 仍5 ) 于是矽= 州2 一( 仍l 一纸1 ) 谐波分析法把对波形的处理放在后期的软件程序中进行，简化了硬件线路的结 构，提高了系统的可靠性。由于电网频率不稳，加之同步采样环节的误差，造成对采 样信号做d f t 时产生较大的误差，所以在对信号d f t 计算时应采取相应的措施尽量 消除频谱泄漏和栅栏效应带来的误差【1 9 】。 介损的数字化测量方法之间不是孤立的，介损的数字化测量技术还在不断的发展 和完善中。数字化测量的优点在于它的智能化和多功能趋势，特别是将其后级处理与 高压设备绝缘的诊断专家系统联系起来，实现自动检测和诊断报警。介损的数字化测 量是有着光明发展前景的，如何提高抗干扰能力，提高测量系统的准确性和稳定性仍 是当前和今后值得研究的课题。 2 4 本章小结 1 通过文献查阅详细介绍了c v t 电介质损耗的理论，主要有电导损耗、极化损 耗、游离损耗三种形式。在不同的情况下，这三种损耗所表现出来的作用大小是不一 样的。 2 在c v t 的预防性试验中，介质损耗的测量具有非常重要的意义，能较好的反 映其真实的绝缘状况。 3 影响c v t 介质损耗的因素很多，主要有温度、湿度、频率和电压。本文着重 在下面分析了c v t 的介损在较低电压下随电压变化的规律。 4 详细介绍了测量c v t 介质损耗t a n 万所用的方法一电桥法原理，这种方法是目 前应用较广泛的，本试验采用了此种方法；简要介绍了介质损耗的数字化测量方法。 1 9 山东理t 人学坝j j 学位论文 第3 章1 i i 卅试验方法对c v t 介损测试结果影响的试验研究 第3 章不同试验方法对c v t 介损测试结果影响的试验研究 3 1 测量c v t 介损的试验设备 3 1 1 试验用c v t 试验中使用的c v t 是江苏如高高压电器有限公司生产的t y d1 l o ；珈0 2 h c v t ： 其结构原理图如下： c 2 t j 1 一 l 口 1 栉 2 。 2 。 d d d ， 图3 1t y d1 1 0 3 珈0 2 hc v t 结构原理 使用环境条件： 温度类别：2 5 a ，4 0 a ，2 5 b 海拔：不超过3 0 0 0 m 风速：不超过1 5 0 l ( i i 汕 地震：烈度不超过8 度 主要技术性能： 额定电压比：1 1 0 0 0 0 3 1 0 0 3 1 0 0 3 1 0 0 额定中间电压：1 9 0 5 k v 设备最高电压：1 2 6 k v 极性：减极性 匕匕e 山东理工人学硕1 ：学位论文第3 章小j 刊试验方法对c v t 介损测试结果影响的试验铆f 究 额定电压因数：1 2 倍连续 中间变压器连接组标号：1 1 l 1 1 2 1 2 1 2 绝缘水平： 标准雷电冲击全波耐受电压：4 8 0 k v ( 峰值) 电容分压器绝缘水平：高压端子短时工频耐受电压2 2 0 k v ( 有效值) 额定电压下，2 0 时，电容器的介质损耗因数t a i l 万不大于0 1 5 ；自激法所 测数据在正常情况下一般不超过o 2 。 3 1 2 试验用介损仪 山东泛化电子科技有限公司生产的a i _ _ 6 0 0 0 型自动抗干扰精密介质损耗测量 仪。自动调节，红外线遥控，介损