第二部分电压互感器的介损试验.docx
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第二部分电压互感器的介损试验
二电压互感器的介损试验
测量电压互感器绝缘（线圈间、线圈对地）的tgδ，对判断其是否进水受潮和支架绝缘是否存在缺陷是一个比较有效的手段。
其主要测量方法有，常规试验法、自激磁法、末端屏蔽法和末端加压法，必要时还可以用末端屏蔽法测量支架绝缘的介质损耗因数tgδ。
1电压互感器本体tgδ的测量
（1）常规试验法
串级式电压互感器为分级绝缘，其首端“A”接于运行电压端，而末端“X”运行时接地，出厂试验时，“X端”的交流耐压一般为5千伏，因此测量线圈间或线圈对地的tgδ应根据其结构特点选取试验方法和试验电压值。
常规试验法（常规法）如图2-7所示。
测量一次线圈AX与二、三次线圈ax、aDXD及AX与底座和二次端子板的综合绝缘
tgδ，包括线圈间、绝缘支架、二次端子板绝缘的tgδ。
由串级式互感器结构可知，下铁心下芯柱上的一次线圈外包一层0.5毫米厚的绝缘纸后绕三次线圈（亦称辅助二次线圈）aDXD。
常规法测量时，下铁心与一次线圈等电位，故为测量tgδ的高压电极。
其余为测
图2-7量电极。
其极间绝缘较薄，因此电容量相对较大，即测得的电容量和tgδ中绝大部分是一次线圈（包括下铁心）对二次线圈间电容量和tgδ。
当互感器进水受潮时，水分一般沉积在底部，且铁心上线圈端部易于受潮。
所以常规法对监测其进水受潮还是比较有效的。
因此通过常规法试验对其绝缘状况作出初步判断，并在这一试验基础上进行分解试验，或用其他方法进一步试验，便可具体地分析出绝缘缺陷的性质和部位。
常规法试验时，考虑到接地末端“X”的绝缘水平和QS1电桥的测量灵敏度，试验电压一般选择为2～3千伏。
不同试验接线所监测的绝缘部位如表2-1示所。
表2.-1所列的测量接线都受二次端子板的影响，而且不能准确地测量出支架的tgδ。
如果二次端子板绝缘良好，则可按表2.-2-1中序号5、6两种试验近似估算出支架的介质损。
但最好用序号1、2两次试验结果结果计算出支架的tgδ。
不过上述两种计算支架tgδ的方法都受二次端子的影响。
表2-1中序号1～7测量的电容量和介质损分别为C1～C7和tgδ1～tgδ7，支架的电容量和介质损分别为C支、tgδ支。
表2-1电压互感器tgδ的测量接线
序号
接线方式
监测绝缘部位
备注
QS1电桥接线方式
试验电压加压端
QS1电桥Cx线连接端
QS1电桥屏蔽层“E”的连接端
接地端
线
圈
间
绝缘支架
二次端子板
1
正接线
一次线圈AX短接处
二次线圈ax，
三次线圈
aDXD
地
QS1电桥“E”点
√
√
√
底座
垫绝缘
2
正接线
一次线圈AX短接处
ax、
aDXD
地
底座
√
√
3
正接线
一次线圈AX短接处
ax
aDXD地
底座
√
√
4
正接线
一次线圈AX短接处
aDXD
Ax、地
底座
√
√
5
正接线
一次线圈AX短接处
底座
ax、aDXD地
QS1电桥
“E”点
√
√
底座
垫绝缘
6
反接线
QS1电桥
“E”点
AX
短接处
ax、aDXD
底座
√
√
7
反接线
QS1电桥
“E”点
AX
短接处
ax、aDXD
底座
√
√
√
常规法测量无论哪一种接线方式都受二次端子板的影响。
也就是说，二次端子板的部分或全部绝缘介质损被测入。
二次端子上固定有一次线圈的弱绝缘端“X”，二次线圈和三次线圈端子a、x、aD、xD以及将端子板固定在底座上的四只接外壳（地）的螺栓。
常规法测量一次对二、三次及地的介质损的试验结果的分析：
tgδ值大于规定值。
这既可能是互感器内部缺陷如进水受潮等引起的，也可能是由于外瓷套或二次端子板的影响引起的。
一般多注意二次端子板的影响，若试验时相对湿度较大，瓷套表面脏污，就应注意外瓷套表面状况对测量结果的影响。
如确认没有上述影响，则可认为互感器内部存在绝缘缺陷。
tgδ小于规定值。
对此，一般认为线圈间和线圈对地绝缘良好。
但必须指出，此时测得的tgδ还包括与其并联的绝缘支架的介质损。
由于支架电容量仅占测量时总电容的1/100～1/20。
因此实测tgδ将不能反映支架的绝缘状况。
这就是说，即使总体tgδ（一次对二、三次及地）合格也不能表明支架绝缘良好。
而运行中支架受潮和分层开裂所造成的运行中爆炸相对较多，必须监测支架在运行中的绝缘状况。
这一问题也是常规法所不能解决的。
为此就有必要选取其他的试验方法。
（2）末端屏蔽法
末端屏蔽法测量接线如图2-8所示。
测量时互感器一次绕组A端加高压、末端X接电桥屏蔽（正接线时接地点）。
这一试验方法能消除由于X端小套管或二次端子板受潮、裂纹、脏污所产生的测量误差，从而能够较真实地反映互感器内部绝缘状况。
如有相应电压等级的标准电容器，试验电压可加至互感器额定相电压的1.15倍。
末端屏蔽法有较强测量抗干扰能力来看和测量准确度但线圈对地部分的电容因被屏蔽而未测入。
图2-8
由互感器结构可知，其内部有平衡线圈和连耦线圈，且二、三次线圈负荷也很小，此时一次线圈电压分布基本均匀。
JCC-220型电压互感器下铁心的电位约为U/4（U为A点对地电位），上铁心的电位为3U/4，JCC-110型互感器铁心电位为U/2；；测量的仅是线圈间绝缘的电容和tgδ，一次线圈和铁心对地部分绝缘的电容和tgδ都被屏蔽而未包括在测量结果中。
互感器的二、三次线圈仅在下芯柱上与一次线圈紧密耦合，因此测量的主要是下铁心二、三次线圈的tgδ。
为简化分析，简化为图2-9。
标准电容器CN上承受的电压为电压互感器高压端电压U，而下铁心电位为U/4（以220千伏互感器为例），这就相当于被试绝缘上电压仅为U/4。
图2-9
电桥平衡时，R3与Z4臂上电压降相等，即
R3=
Z4，而
UR3=
·
Uz3=
·U
因为UR3=UZ4，故有
=
·
Zx=
-
Z3（2-1）
相应的阻抗表达式为：
Zx=Rx+1/jωCx；ZN=1/jωCN；Z3=R3
Z4=
=
将上述各阻抗表达式代入式（2-1），则
Rx—j
=
-
R3
=
—
R3
=（-
（2-2）
式2-2的实部相等时Rx=
（2-3）
因为C4≥CN，故式（2-3）可近似为
Rx=
（2-4）
式2-2的虚部相等时
Cx=
（2-5）
tgδx=
=
测
由此可知，用QS1电桥按末端屏蔽法测得的tgδ，是电压互感器本身（下铁心对二、三次线圈）的介质损，而电容量为按R4CN/R3计算值的4倍。
对于JCC-110型电压互感器因为铁心电位为U/2，可以求得：
tgδx=tgδ测
Cx=
CN
（2）末端屏蔽法测量结果的分析：
在现场用末端屏蔽法测量介质损耗正切时，因为试品电容Cx太小，在电场干扰下不易测准；试品表面状况、气候条件及周围干扰网络的影响相对较大，有时往往无法测出正确的试验结果。
不仅如此，当试品电容过小，桥臂R4为3184欧（桥臂固定值），CN=50皮法，R3的值可能很大，有时甚至超过QS1型西林电桥的最大值（R3≥11111.2Ω）。
为解决这一困难，一般是在R4上并联电阻，这样在试品电容不变时可以减小R3值，以使该型西林电桥能满足测量要求。
由电桥测量原理可知，当R4上并联外附电阻，而使其值变为kR4时，则电桥的介质损耗率正切测量值已不能代表试品真实值，而应为tgδx=ktgδc。
一般情况下，用末端屏蔽法测量时，由于R4并联阻值不同，求得的tgδx也不同，表2-2列出现场测量一台JCC2-110型电压互感器的结果。
表2-2JCC2-110型电压互感器的tgδ测量结果
R4并联值
（
）
试验结果
计算结果
R3（
）
tgδc（%）
Cx
Tgδx（%）
（PF）
不考虑误差
考虑误差
不并联电阻
8358
1.7
38.1
1.7
0.8
并3184,k=0.5
4170
2.5
38.2
1.25
0.8
并1592,k=1/3
2772
3.4
36.3
1.13
0.83
由表2-2可知，由于R4电阻值改变后，试品电容基本不变，而不考虑
误差时的试品tgδ却有明显变化，现场无法分析判断。
出现不同值的主要原因是因为试品电容Cx很小，桥臂R3值相对较大，此时就不能忽略与桥臂R3并联电容的影响。
产生测量误差的原理如图2-10所示。
图2-10
由图2-10可知，此时与桥臂R3并联的电容Cc既包括QS1电桥Cx引线芯线对屏蔽层（E）的电容，还有桥体内的寄生电容（此时相对较小可以略而不计）和试品Cx测量电极对地电容。
由于Cc对测量的影响，因而电桥平衡时的测量结果计算公式为：
tgδx=tgδ测-
（2-6）
当Cc不变变，R3改变时，测量误差
也随之改变，因此不计及误差影响时用实测值来计算试品的真实值就不同了。
在测量条件下，实测的并联电容Cc=3430皮法，因此按式（2-6）可分别计算出考虑误差的试品的真实的试品真实的介质损耗率正切值。
由计算可知（表2-2-2），当计及Cc影响时求得的试品真实介质损耗率正切值基本一样。
有时由于未注意到Cc的影响，仅发现R4并联值不同而求得的真实介质损耗率正切不同，就认为末端屏蔽法分散性过大而无法测准，这显然是不对的。
在现场测量中，Cx引线一般为10米左右，每米引线电容为100～300pF，电压互感器测量电极对地的电容一般为1000pF左右。
这些数据值都可以用数字电容表直接测出。
如果现场没有数字电容表，则可按两次测量结果计算出试品的真实介质损耗率正切。
由式（2-6）可知：
tgδ1=tgδx+
（2-7）
当R4变为kR4时，在试品电容不变的条件下，R3亦应变为kR3，并有
tgδ2=tgδx+k
（2-8）
式中tgδ1、tgδ2为第一、二次测量后计算出的试品介质损耗率正切（即表2-2不考虑误差一栏的数值）。
将式（2-8）减去式（2-7）与k之积，则有
tgδx=
（2-9）
若k=0.5，则式（2-9可简化为
tgδx=2tgδ2-tgδ1（2-10）
这样可按式（2-9）、（2-10）直接计算出试品真实介质损耗率正切值。
应该指出，图2—10中电桥CN引线的电容与桥臂R4并联，有偏小的测量误差
（CD为CN引线电容），但由于CN引线一般小于1米，即CD很小，所以可以略去不计。
（3）末端加压法
这是一种测量110千伏及以上串级式电压互感器绝缘介质量损耗tgδ的现场检测。
其测量接线原理图见图2-11。
测量时，一次绕组的高压端A接地，在末端X施加试验电压U（2.5～3千伏）；二、三次绕组开路；X、XD或a、aD接测量用的QS1型西林电桥测量线Cx。
由于在末端X施加的电压为U，因而对JCC-220电压互感器，上铁心对地电压为U/4，下铁心对地电压为3U/4；对于JCC-110型电压互感器，铁心对地电压为U/2。
图2-11
JCC-220型串级式电压互感器的一次绕组分为匝数相等四部分，分别套在上、下铁心的四个芯柱上。
每个绕组外包静电屏，静电屏和绕组最外层的线端相连接。
因此，采用末端加压法测量时，最下面一个一次绕组的静电屏上的电压也是U。
被试一、二次绕组间的电容近似等于采用常规试验法（AX短路加压，ax，aDXD短路接电桥Cx线，底座接地）测得一、二次绕组间的电容，而大于采用末端屏蔽法（A端加压，X端和底座接地X、XD接电桥Cx线）所测得的一、二次绕组间的电容。
由图2-11可以看出，所检测的主要是一、二次绕组间的电容和tgδ。
图2-2-5所示为QS1型电桥正接线，A端接地相当于一个接地屏蔽罩，由于被试品电容远大于末端屏蔽法所测得的电容，因而现场测时具有强的抗干扰能力。
另外，由于A端接地，因而检测时可不拆开A端的连线；即使与避雷器相连，在试验避雷器时通过适当的接线，也不用拆除避雷器的高压引线，减少了试验中拆除接线的工作量。
它同常规正接线一样，仍存在二次接线板对测量结果的影响（一般使测得的tgδ偏大）。
故当实测的tgδ偏大时，应排除二次接线板的影响。
有些厂家更换了二次接线板的材料或采用小套管引出方式，大大减少了接线板表面泄漏的影响。
另外，现场测量可选择在干燥的天气进行或采用电热吹风干燥措施，以减少二次接线板的影响。
电压互感器进水受潮主要是绕组端部，水分要渗透到一、二次绕组间是比较困难的。
采用末端加压法进行测量时，即使绕组端部已严惩受潮，但实测得的tgδ也不会有很大的变化。
可见这种接线方式不能监测出端部绝缘受潮的情况。
为了准确检测出绕组端绝缘受潮情况，我们根据末端加压法和末端屏蔽法的优点，选用了图2-12的接线方式进行测量。
图2-12
由于二次绕组X端接地（QS1型电桥正接线的屏蔽点），因而一次绕组到三次绕组间的试验电流只能从其端部流过。
实际测量的主要是下铁心对三次绕组端部的绝缘状况。
三次绕组处于下铁心芯柱下部的最外层，也是最先受潮处。
因此，图2-12的接线方式能较有地监测其端部受潮情况，并具有像图2-11接线方式那样在测试时不需拆卸引线的优点。
在采用图2-12接线且当电桥平衡时，设tgδ测为电桥的介质损耗因数批示值，对于JCC-220型电压互感器，被试绝缘的电容量
Cx=
介质损耗率tgδx=
=tgδ测
对于JCC-110型电压互感器，则
Cx=
tgδx=
=tgδ测
应该指出，按图2-12接线进行测量时，仍然存在二次接线板泄漏影响测试结果问题。
但从现场对多台电压互感器测试的结果可以看出，当二次接板有明显影响时，测量一次绕组对二、三次绕组以及对地的绝缘电阻也都有明显的反映。
图2-13
一般情况下，即使互感器没有进水受潮，而当端部绝缘劣于线圈内部绝缘时，则图2-12测量值均较图2-11测量值要大。
对此，可以由下述分析来解释。
图2-13为测量一次线圈与三次线圈端部绝缘tgδ的等值电路图。
图中C0、Ro为一次线圈对铁心的绝缘等值参数，C01、R02则是下铁心对地的绝缘等值参数。
由图2-13可知，只要电流
k相对于
2而言是电阻性电流时，则按图2-12测得的tgδ将较图2-11测量值要小，而当
k相对于
2而言为电容性电流时，则将出现偏大的测量误差。
一般情况下，端部绝缘水平常劣于内部绝缘，且端部易于受潮，加之端部电场比较集中，所以C03、R03的等值介质损一般要大于C02、R02的等值介质损。
也就是说，
k对于
2而言一般系电容性电流，所以往往出现偏大的测量误差。
但若按图2-1测量一、三次线端部的tgδ小于按图2-11的测量结果，则有可能是支架或下铁心对地的绝缘不良。
因为按图2-11测量时，一次线圈对铁心，铁心对地、支架的绝缘的影响可以略而不计。
而按图2-2-6测量时其影响如图2-13所示。
因此对不同的测量等值电路要进行分析,以监测出其各绝缘部位的状况。
由于按图2-12测量时，要较按图2-2-5测得的tgδ值要大，因此当按图2-12测得的tgδ值偏大时，除应排除端子板影响之外，还应取油样进行微水测量，进一步确定是否进水受潮。
鉴于上述原因，目前国内一般规定，按图2-2-5测量的结果应符合原水电部颁发的《电气设备预防性试验规程》；而按图2-12测量，温度为20℃、tgδ≤3～5%时，试验电压应选取2.5～3kV。
（4）试验结果的分析
●末端加压法具有抗干扰能力强、减少试验工作量等优点，但不能检测出端部绝缘受潮情况，而且测试结果受二次接线板的影响。
●采用图2-12接线方式能监测端部绝缘情况，但仍存在二次接线板影响的问题。
为此，可结合绝缘电阻和微量水的测定进行综合判断。
这样，能够有效地检测出端部绝缘受潮等缺陷。
●图2-11和图2-12接线方式均不能测量出电压互感器绝缘支架的tgδ值。
运行中的互感器由于绝缘支架绝缘不良引起事故颇为常见，因此应当研究能检测支架绝缘情况的有效方法，以便对电压互感器内部进行全面监测，防止在运行中出现事故。
2绝缘支架tgδ值的测量
对于JCC型串级式电压互感器，根据其结构特点，可以选用末端屏蔽法按间接法和直接法测量绝缘支架的介质损耗因数tgδx。
（1）间接法
图2-14
测量接线如图2-14所示（使用QS1型西林电桥），在电桥平衡的情况下，其介质损耗因数
tgδx=tgδc（测量值）
对于110kV的电压互感器，其电容量为
Cz=（2R4/R3）CN
对于220千伏的电压互感器，其电容量为
Cx=（4R4/R3）CN
由于Cx值很小，为便于测量而在电桥R4、C4臂上并联电阻Rb[Rb=R4/（n-1），n为≥2的正整数，因而R4、C4臂电阻由R4变为R4/n，同时绝缘支架的介质损耗因数
tgδz=tgδc/n
图2-2-8所测量的是电压互感器下铁心对二、三次绕组端部及底座并联的等值电容和tgδ其中下铁心对底座包括瓷套、绝缘油和四根绝缘支架（仅下铁心对底座部分）等部分。
这几部分中以支架的电容量最大，因此近似认为下铁心对底座的电容和介质损耗因数，为支架的电容量和介质损耗因数。
图2-2-8（b）所测量的是互感器下铁心对二、三次绕组的电容量和介质损耗因数。
设图2-2-8（a）、（b）测得的值分别为C1、tgδ1、C2、tgδ2，则支架（四根并联）的电容量。
Cz=C1-C2
支架（四根并联）的介质损耗因数
tgδz=
（2）直接法
测量接线如图2-15所示；可直接测量出支架的电容量Cz和介质损耗因数tgδz。
图2-15
支架tgδ测量误差的分析。
对于电压互感器支架绝缘介质损耗因数的测量，由于试品电容量很小，因而易于受到试品表面状况、气候条件、电场干扰、周围物体、构架及杂物、电桥Cx引线测量电极对地电容等的影响。
因此，测量时必须严格遵守测量方法的要求，尽量减小测量误差。
按图2-2-8和图2-2-9接线测量时，测量误差大小主要取决一试验时空气相对湿度和瓷套表面的清洁程度，因为这时试品表面泄漏电导也被测入。
从现场实测估算可知，110kV电压互感器瓷套表面等值电容CB约为2皮法，220千伏的约为1皮法。
试验时等值介质损耗的交流电阻既要考虑泄漏电导，又要考虑介质的极化，一般是直流电压下绝缘电阻的1/5～1/10。
因此，可以近似估算出瓷套表面状况的影响，即可表达为与试品并联的表面等值回路。
设表面绝缘电阻为50000MΩ，则等值于介质损耗的交流电阻RB=10000MΩ，CB=2pF，则表面状况的等值介质损耗因数近似为
tgδB，而
tgδB=
=
设按图2-2-8（a）接线测量时，C1=41pF，tgδ1=3.2%，当CB=2pF，
tgδB=16%时，其余部分的电容量C=C1-CB=39pF,因介质损耗因数
tgδ1=
即3.2%=
故tgδ=2.54%
以上上明，按图2-2-8（a）接线测量时，实测结果由于瓷套表面状况的影响使tgδ由2.54%加到3.2%。
测量时若空气相对湿度较大和表面脏污严重，更应加以注意。
为正确测量支架的tgδz，考虑到表面泄漏影响，一般应在瓷套表面清洁，气候干燥（相对湿度小于65%）的条件下进行。
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