絕緣油介電強度測試儀校準方法

張 樂 潘 洋 孫曉光 / 上海市計量測試技術研究院

絕緣油介電強度測試儀校準方法

張 樂 潘 洋 孫曉光 / 上海市計量測試技術研究院

通過分析絕緣油介電強度測試儀的工作原理，針對常規(guī)校準中存在的問題，設計一套中間接地的雙電容分壓器矢量信號測量裝置，可對0～100 kV的準確度為2%以下的絕緣油介電強度測試儀進行校準。解決油杯阻抗匹配問題，滿足對于測試儀矢量輸出量值的準確溯源。

絕緣油介電強度測試儀；矢量測量；雙電容分壓器

0 引言

在電力系統(tǒng)中，絕緣油是一種廣泛應用于高壓電氣設備中的絕緣介質。高壓電氣設備在長期運行中，其絕緣油的品質會逐漸發(fā)生變化，造成設備絕緣性能不斷下降。為了保證電氣設備能夠安全運行，對絕緣油的電氣強度要進行定期測試?！皳舸╇妷骸笔潜碚鹘^緣油介電強度的一項重要指標，是衡量絕緣油耐受電壓能力的尺度。絕緣油介電強度測試儀（簡稱油耐壓儀）就是電力系統(tǒng)中測試絕緣油耐電壓強度的測試儀器。

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的各類油耐壓儀種類繁多，但對于此類儀器的校準還缺乏相關標準，且由于其電氣結構和校準方式的特殊性，無法對這類儀器進行準確校準。本文設計一套具有矢量測量功能的絕緣油介電強度測試儀校準裝置，可對0 ～ 100 kV的準確度為2%以下的油耐壓儀進行校準。

1 油耐壓儀工作原理

目前，國內(nèi)大多數(shù)生產(chǎn)廠家都采用了如圖1所示的工作原理，可以看出在油耐壓儀的內(nèi)部是由兩臺高壓變壓器組成了一個高壓系統(tǒng)，而高壓的采樣則是在輸入端進行，并進行數(shù)據(jù)處理，使顯示電壓與高壓側電壓成一定比例。實際上每臺變壓器的高端對地輸出電壓均為50 kV，由于采用了中間對地的對稱輸出[1]，因此，兩臺變壓器之間即可產(chǎn)生100 kV的高壓。

該工作原理可減小油耐壓儀的外形和質量，使之便于攜帶，但是同樣也帶來了一些問題（圖2）。

1）T1和T2兩臺變壓器的功率都不是很大，大多數(shù)廠家將電流控制在2 mA左右，所以變壓器所帶負載的能力很有限。

2）工作電壓的產(chǎn)生是由T1和T2各產(chǎn)生相位差180°的一個電壓組成的，而儀器的測試電壓在變壓器的輸入端，如果T1和T2電壓的相位差不到180°或超過，就會造成顯示電壓與實際電壓存在誤差。

圖1 油耐壓儀工作原理

圖2 測試電壓與實際電壓的矢量圖

2 常規(guī)校準中存在的問題

目前國內(nèi)對于油耐壓儀存在兩種校準方法。

1）單端測量法:打開儀器的油箱蓋，取下任一電極的支撐件和絕緣套管，僅留下電極的緊固端，以交流高壓表高壓端的測試線接于電極緊固端，交流高壓表的接地端和儀器的接地端一起可靠連接到實驗室接地端。將電壓升到合適的大小并保持不變。同時記錄儀器的讀數(shù)和高壓表的讀數(shù)（見圖3）。高壓表讀數(shù)的2倍便是輸出電壓的標準讀數(shù)。

圖3 單端測量法校準示意圖

2）雙路輸出測量法: 取下兩個電極的支撐件和絕緣套管，用兩個交流高壓表的高壓端分別連接于兩個電極的緊固件上，兩個高壓表的接地端和儀器接地端一起可靠連接到實驗室的接地端（如圖4所示）。兩個高壓表讀數(shù)之和便是標準輸出電壓值。

圖4 雙路輸出測量法校準示意圖

由于油耐壓儀的高壓輸出是中間對稱接地的，因此單端測量法認為僅對其中一個高壓端子對地電壓進行校準即可。中間抽頭的目的是降低油耐壓儀輸出的對地電壓等級，從而降低對地的絕緣等級，但是中間抽頭很難做到完全的對稱，所以為了減小誤差，雙路輸出測量法采用了同時測量油耐壓儀兩個高壓輸出端子的對地電壓，但由于校準結果用代數(shù)和計算而非矢量測量，必然會給校準數(shù)據(jù)帶來附加誤差。

另外由于大多數(shù)測試儀的功率很小，普通高壓分壓器的輸入阻抗已經(jīng)遠大于其額定功率，因此校準過程很可能會發(fā)生電壓跌落現(xiàn)象。國外在對油耐壓儀進行校準時采用替代法，校準時取下油杯，放置大小相仿的校準裝置，使其恰好嵌入電極的緊固端。讀數(shù)通過模擬指針表示，這種校準裝置設計時考慮了負載效應，但限于體積，其準確度僅為3%，只可用于10級以下的油耐壓儀。

3 校準裝置的原理

目前對于油耐壓儀的高電壓輸出測量多采用高壓分壓器。對其輸出高壓進行校準存在兩個難點。

1）不同類型的油耐壓儀所帶負載的能力不同，當高壓分壓器的輸入阻抗超出測試儀的容量時，校準電壓便會出現(xiàn)跌落現(xiàn)象。由于大多數(shù)測試儀的功率很小，一般額定電壓100 kV的阻容高壓分壓器其高壓電阻和電容約為100 MΩ、100 ～ 400 pF，而這已經(jīng)超出了測試儀的容量。

2）即使某些油耐壓儀的容量足夠大，但根據(jù)GB/T 507-2002《絕緣油擊穿電壓測定法》中規(guī)定：測試儀校準時須模擬測試時儀器的實際使用狀態(tài)，校準裝置需要與裝有絕緣油的油杯相同的阻抗[2]。因此，被測儀器和校準裝置的阻抗匹配問題成為對其進行校準的主要問題。

由于被測油耐壓儀的特殊結構以及上文提到的幾個問題，有必要對油耐壓儀進行定期校準，本文所設計的絕緣油介電強度儀校準裝置的原理如圖5所示。

圖5 油耐壓儀校準裝置的設計原理

圖5中，油耐壓儀高壓輸出分別接入兩個分壓器的高端，經(jīng)電容分壓后送入12位的高速寬頻A/D轉換器，它具有每秒1×105次的采樣速度，在CPU中完成了電壓信號經(jīng)數(shù)字濾波等一系列數(shù)字信號處理。由于采樣數(shù)據(jù)包含高達21次的諧波信息，使得被測量的電壓有效值更為準確。CPU將經(jīng)過處理的信號，按照要求處理轉換為數(shù)字信號，由顯示器顯示。

在高壓采樣上，采用了雙高壓電容分壓器的方案。其中，高壓器件參數(shù)的選擇和控制是非常重要的，考慮到試樣的工作狀況，試樣是通過測量其升壓器的電流值的大小來判斷絕緣油試樣的狀態(tài)。因此，若高壓電容分壓器的高壓臂電容過大則會導致試樣輸出電流較大，造成絕緣油擊穿的誤判而不能繼續(xù)升壓的情況。在高壓電容分壓器的設計過程中，通過對元器件的選擇，將兩個高壓電容分壓器的相位差控制在5×10-4rad以內(nèi)，達到總體的誤差控制在0.1%的要求。

A/D轉換部分，采用的是AD公司生產(chǎn)的AD976模數(shù)轉換器，它是采用電荷重分布技術的逐次逼近型模數(shù)轉換器，其結構比傳統(tǒng)逼近型模數(shù)轉換器簡單，且不再需要完整的模數(shù)轉換器作為核心。由于電容網(wǎng)絡直接使用電荷量作為轉換參數(shù)，而且這些電荷量已經(jīng)達到了采用電容的作用，因此不必另加采樣保持器。特別是由于使用電容網(wǎng)絡代替電阻網(wǎng)絡，消除了電阻網(wǎng)絡中因溫度變化所引起的線性誤差。而且AD976的內(nèi)部校準功能可以在用戶不做任何調(diào)整的情況下，消除芯片內(nèi)部的零位誤差和由于電容不匹配造成的誤差。

4 電容分壓器

高壓測量中通常采用分壓器將高電壓轉換成數(shù)表可以直接讀數(shù)的低電壓，設計中的電容分壓器一般需要滿足以下要求。

1）分壓比與大氣條件無關；

2）分壓器接入被測電路應不影響被測電壓的幅值和波形；

3）由分壓器低壓臂所測得的電壓波形應與被測電壓波形相同，分壓比在一定范圍內(nèi)應與被測電壓的頻率和幅值無關；

4）分壓器中應無電暈以及絕緣泄漏電流，或者說極微量的電暈和泄漏電流對分壓比不造成可估量的影響；

5）分壓器所消耗的電能應不大，不會對電源造成大的負載效應。在一定的冷卻條件下，分壓器所消耗的電能所形成的溫升不應改變分壓比。

為了滿足以上技術要求，國際標準要求對分壓器進行如下幾項試驗[3]：確定刻度因數(shù)（分壓比）的試驗；線性度試驗；短期穩(wěn)定性試驗；溫度效應試驗等。

線性度可采用測量高壓臂和低壓臂的阻抗值，通過計算求分壓比。線性度試驗是為了檢查分壓器在工作電壓范圍內(nèi)的分壓比是否恒定，即檢查它在工作電壓范圍內(nèi)是否為一線性阻抗。從原理上來說分壓器可由電阻或電容元件構成，但實際上交流分壓器主要采用電容式分壓器。只有在電壓不很高，頻率不過高時才采用電阻分壓器。工頻電壓下，電阻分壓器均用在100 kV以下的情況下，考慮到電阻元件的發(fā)熱和高低壓臂的無感要求，同時也為了匹配油耐壓儀的負載，本文采用了標準電容分壓器。

因為油杯是個容性設備，而且它的結構類似于一臺平板式電容，可以根據(jù)平板電容的計算方法來計算它的電容量[4]。

平板電容的計算方法：

式中：C— 電容，F(xiàn)；

ε0— 真空介電常數(shù)，F(xiàn)/m；

εr— 相對介電常數(shù)，F(xiàn)/m；

S— 面積，m2；

d— 極板間距，m

根據(jù)上述公式計算油杯的電容量：

真空介電常數(shù)ε0= 8.85×10-12

絕緣油的相對介電常數(shù)εr= 2.3

電極直徑D= 13 mm

電極間距d= 2.5 mm

因此，油杯電容C= 9.38 pF

考慮電容的邊緣效應，需對實際電容量進行修正：

油杯實際電容量C≈ 5 pF

根據(jù)計算結果，采用兩臺名義值為10 pF 的高壓標準電容器作為高壓采樣的高壓臂，使整個油耐壓儀的相對負載約為5 pF 左右，從而模擬了油耐壓儀實際使用的狀態(tài)。

5 結語

傳統(tǒng)的單端測量法和雙路輸出法均未考慮絕緣油介電強度測試儀中間接地的矢量電壓輸出方式，校準結果用代數(shù)和計算而非矢量測量，會給校準數(shù)據(jù)帶來附加誤差。本文針對這個問題設計了一套具有矢量測量功能的絕緣油介電強度測試儀校準裝置，可對0 ～ 100 kV的準確度為2%以下的絕緣油介電強度測試儀進行校準。

[1] 崔雪英，貢照天. 絕緣油介電強度測試儀的設計[J]. 工業(yè)儀表與自動化裝置，2007，3：64-67.

[2] 中國石油化工集團公司. GB/T507-2002[S]. 北京：中國標準出版社，2002.

[3] 全國高電壓試驗技術和絕緣配合標準化技術委員會(SAC/TC 163). GB/16927.1-2011[S]. 北京：中國標準出版社，2012.

[4] 楊書貞. 電工理論[M]. 合肥：中國科學技術大學出版社，1999.

Research on calibrating insulating oil dielectric strength tester

Zhang Le，Pan Yang，Sun Xiaoguang
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper discusses the working principle of insulating oil dielectric strength tester and the problems in the conventional calibration. The paper develops a standard device for insulating oil dielectric strength tester calibration which has the function of vector measurement. It is applied to calibrate insulating oil dielectric strength tester with 0-100 kV output voltage and with 2% accuracy for the best. It can solve the problem of impedance matching cup and satisfy with the requirement of the accurate traceability.

insulating oil dielectric strength tester; vector measurement; double capacitive divider