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变压器介质损耗讲义知识分享
变压器介质损耗讲义
变压器绕组连同套管介质损耗试验
一、介质损耗的定义及意义
电介质就是绝缘材料。
当研究绝缘物质在电场作用下所发生的物理现象时，把绝缘物质称为电介质；而从材料的使用观点出发，在工程上把绝缘物质称为绝缘材料。
既然绝缘材料不导电，怎么会有损失呢？
我们确实总希望绝缘材料的绝缘电阻愈高愈好，即泄漏电流愈小愈好，但是，世界上绝对不导电的物质是没有的。
任何绝缘材料在电压作用下，总会流过一定的电流，所以都有能量损耗。
把在电压作用下电介质中产生的一切损耗称为介质损耗或介质损失。
如果电介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化（发脆、分解等），如果介质温度不断上升，甚至会把电介质熔化、烧焦，丧失绝缘能力，导致热击穿，因此电介质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标。
然而不同设备由于运行电压、结构尺寸等不同，不能通过介质损耗的大小来衡量对比设备好坏。
因此引入了介质损耗因数tgδ（又称介质损失角正切值）的概念。
介质损耗因数的定义是：
被试品的有功功率比上被试品的无功功率所得数值。
介质损耗因数tgδ只与材料特性有关，与材料的尺寸、体积无关，便于不同设备之间进行比较。
当对一绝缘介质施加交流电压时，介质上将流过电容电流I1、吸收电流I2和电导电流I3，如图所示。
其中反映吸收过程的吸收电流，又可分解为有功分量和无功分量两部分。
电容电流和反映吸收过程的无功分量是不消耗能量的，只有电导电流和吸收电流中的有功分量才消耗能量。
为了讨论问题方便，可进一步将等值电路简化为由纯电容和纯电阻组成的并联和串联电路。
我们就采用它的并联电路来分析。
当绝缘物上加交流电压时，可以把介质看成为一个电阻和电容并联组成的等值电路，如图21（a）所示。
根据等值电路可以作出电流和电压的相量图，如图2（b）所示。
图2在绝缘物上加交流电压时的等值电路及相量图
（a）介质等值电路（b）等值电路电流、电压相量
由相量图可知，介质损耗由产生，夹角大时，就越大，故称为介质损失角，其正切值为
介质损耗为
由上式可见，当U、f、C一定时，P正比于，所以用来表征介质损耗。
测量的灵敏度较高，可以发现绝缘的整体受潮、劣化、变质及小体积设备的局部缺陷。
二、变压器介质损耗的目的
测量变压器绕组连同套管的介质损耗角正切tgδ时，主要用于更进一步检查变压器整体是否受潮、绝缘油及纸是否劣化等严重的局部缺陷，以及绕组上是否附着油泥等杂质。
三、变压器介质损耗的测量方法
常用的方法有QS1西林电桥测量法、数字式介质损耗测试仪等。
1.QS1西林电桥法
西林电桥的两个高压桥臂，分别由试品ZN及无损耗的标准电容器CN组成；两个低压桥臂，分别由无感电阻R3及无感电阻R4与电容C4并联组成，如图2所示。
图中Cx，Rx为被测试样的等效并联电容与电阻，R3、R4表示电阻比例臂，CN为平衡试样电容Cx的标准，C4为平衡损耗角正切的可变电容。
图3西林电桥测量原理图
各桥臂的导纳为
调节R3、C4使电桥达到平衡时，应满足
即
由上式可得：
为了读取方便，可令则
若以计，则的读数就为的值。
当时，试样电容可近似地按下式计算：
因此，当桥臂电阻R3，R4和电容CN，C4已知时就可以求得试样电容和损耗角正切。
2.数字式介质损耗测试仪
数字式介损测试仪基本测量原理是基于传统西林电桥的原理基础上，测量系统通过标准侧R4和被试侧R3分别将流过标准电容器和被试品的电流信号进行高速同步采样，经模数（A/D）转换装置测量得到两组信号波形数据，再经计算处理中心分析，分别得出标准侧和被试侧正弦信号的幅值、相位关系，从而计算出被试品的电容量及介损值。
智能型电桥的测量回路还是一个桥体，如下图所示。
图4智能型电桥原理图
R3、R4两端的电压经过A/D采样送到计算机，求得:
试品阻抗：
进一步计算可得：
介损值可通过测量Ux与Un之间的相位计算得出tgδ值。
测量相位的方法有很多种，如过零比较法，波形分析法（FFT变换）等等，也可采用测量有功分量和无功分量的方法来求得tgδ值。
四、变压器介质损耗的接线方式
用上述测量方法，常用的接线方式有正接线和反接线两种。
对于现场没有末屏的电气设备，都采用的是反接线进行测量。
所以变压器采用反接线方式测量。
如下图所示。
图5反接线图
这是一种标准反接线接法，在试品接地，桥体U端接地，E端为高压端，在需要屏蔽的场合，E端也可用于屏蔽。
此时桥体处于高电位，R3、C4需通过绝缘杆调节。
这种方式桥体处于高电位，仪器内部高低压之间需要做好绝缘防护措施。
同时操作者应站在绝缘垫上进行操作，电桥外壳必须可开接地。
五、变压器介质损耗的影响因素
介质损耗因素不仅受到设备缺陷和电磁场干扰的影响，还受到温度、电压、频率等的影响。
1.温度的影响
tgδ与温度的关系，随着介质的组成成分和结构的不同而有显著差异。
一般不能将某一温度下所测的tgδ准确换算至另一温度下的数值，因为不同绝缘介质或不同潮湿程度，各有不同的随温度变化的规律。
目前一些温度换算方法所得的数据也只是近似的。
因此，tgδ测量工作最好在10～30℃范围内并与前次测量时相近的温度下进行，且符合《规程》的规定：
“进行绝缘试验时，被试品温度不应低于+5℃，户外试验应在良好的天气进行，且空气相对湿度一般不高于80%。
2.频率的影响
当频率为零时，tgδ亦为零。
在一定的频率范围内，tgδ随着频率的增加而增加。
这是由于介质极化的时间与交流半周期时间相等时，产生的介质损耗最大。
若频率再增高时，则因时间太快，极化不完全（偶极子来不及排列），介质损耗将随着频率的增加而减少。
由于电气设备均处在50Hz的工作频率下，所以tgδ试验所采用的电源也应满足工频范围（通常为45～65Hz）。
在异频下测量时应考虑频率对介损的影响。
3.电压的影响
当外加电压升高时，tgδ与电压无直接的关系，只有在电压上升到某一数值，即达到介质的局部放电起始电压以上时，tgδ才急剧增加。
因为在一定的交变电压作用下，介质中局部（夹杂的气泡或杂质）电场可能很强，从而首先放电，产生附加损耗，使tgδ随着电压的升高而增加。
也有一部分试品在电压升至一定值时介损值出现下降的情况。
因此在较高电压下（设备额定工作电压下）测量tgδ，可以比较真实地反映设备的绝缘状况，便于及时准确地发现设备的绝缘缺陷。
图6与试验电压的典型关系曲线
1良好的绝缘2绝缘中存在气隙3受潮绝缘
六、变压器介质损耗的标准及判断
1.当变压器电压等级为35kV及以上时，且容量在8000kVA及以上时，应测量介质损耗角正切tgδ。
2.试验电压的选择：
变压器绕组额定电压为10kV及以上者，施加电压应为10kV；绕组额定电压为10kV以下者，施加电压应为绕组额定电压。
3.介质损耗角正切tgδ（交接试验）执行标准按如下表1所示。
4.测量的tgδ值不应大于出厂试验值的1.3倍。
若大于，且不符合表2的规定，应取绝缘油样测量tgδ值，如不合格，则更换标准油，换油后tgδ值还不能达标的，则将变压器加温至出厂试验温度并稳定5小时以上，重新测量，还不达标则为不合格变压器。
5.当测量温度与出厂试验温度不同，则按如下表2所示换算，具体换算公式tgδ20=Ktgδ。
当测量时的温度差不是表2所示时，可以按A=1.3K/10计算。
6.必要时可通过观测tgδ与外施电压的的关系曲线，观测tgδ是否随电压上升，用以判断绝缘内部有无分层、裂缝等缺陷。
表1油浸式电力变压器绕组介质损耗角正切tgδ（%）最高允许值
电压等级/kV
温度/℃
5
10
20
30
40
50
60
70
35及以下
1.3
1.5
2.0
2.6
3.5
4.5
6.0
8.0
35～220
1.0
1.2
1.5
2.0
2.6
3.5
4.5
6.0
330～500
0.7
0.8
1.0
1.3
1.7
2.2
2.9
3.8
表2介质损耗角正切tgδ（%）温度换算系数
温差K
5
1/
15
20
25
30
35
40
45
50
换算系数A
1.15
1.3
1.5
1.7
1.9
2.2
2.5
2.9
3.3
3.7
注：
1.表中的K为实际温度减去20的绝对值。
2.测量温度以上层油温为准。
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