絕緣油介電強(qiáng)度測試儀校準(zhǔn)裝置

韋建 潘寶祥 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

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絕緣油介電強(qiáng)度測試儀校準(zhǔn)裝置

韋建 潘寶祥 / 江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院

摘 要介紹一種絕緣油介電強(qiáng)度測試儀校準(zhǔn)裝置，并評定了校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度。該校準(zhǔn)裝置主要由儀器主機(jī)、兩個(gè)電容分壓器、高壓分合終端、隔離模塊、高壓線和采樣連接線組成，測量范圍0～100 kV，擴(kuò)展不確定度0.47%（k = 2）。

關(guān)鍵詞緣油介電強(qiáng)度測試儀；校準(zhǔn)裝置；電容分壓器

0　引言

絕緣油廣泛應(yīng)用于變壓器、互感器、油斷路器、充油電纜、電力電容器和油套管等高壓電氣設(shè)備中。絕緣油由于受到氧氣、高溫度、高濕度、陽光、強(qiáng)電場和雜質(zhì)的作用，性能會逐漸變壞，致使不能充分發(fā)揮絕緣作用。為此，必須定期對絕緣油進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)，以鑒定其性能。絕緣油的質(zhì)量與擊穿電壓有密切關(guān)系。絕緣油介電強(qiáng)度測試儀（以下簡稱絕緣油測試儀）是用于檢驗(yàn)絕緣油絕緣性能的最常用設(shè)備，因此其測試結(jié)果準(zhǔn)確與否對電力設(shè)備的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

為了保證絕緣油測試儀的準(zhǔn)確可靠，使用這些儀器的單位每年都要將儀器送至法定計(jì)量機(jī)構(gòu)或者有資質(zhì)的第三方檢測實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行校驗(yàn)和檢查。目前，國內(nèi)校準(zhǔn)絕緣油測試儀的方法大部分是單端測量法：打開儀器的保護(hù)罩，取下油杯，保留電極的緊固端，將電容分壓器的高壓端和電極的緊固端相連，分壓器和儀器接地端連接實(shí)驗(yàn)室接地端。校準(zhǔn)時(shí)將被檢設(shè)備電壓升至校準(zhǔn)點(diǎn)，同時(shí)記錄分壓器上顯示的數(shù)值。分壓器的讀數(shù)乘以2便是輸出電壓的標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)。此方法的缺點(diǎn)是，單邊測量的前提是被檢設(shè)備的中間抽頭一定要完全對稱，可實(shí)際操作過程中這種要求幾乎不可能達(dá)到；其次一般電容分壓器的電容量是100 ～500 pF，而絕緣油測試儀的帶負(fù)載能力不同，當(dāng)超出設(shè)計(jì)容量時(shí)，電壓會出現(xiàn)跌落。長時(shí)間的試驗(yàn)結(jié)果表明，一般的電容分壓器在測量到50 kV時(shí)電壓就跌落了。而使用國外的校準(zhǔn)裝置（如奧地利BAUR生產(chǎn)的DAC100 kV）校準(zhǔn)時(shí)，直接取下油杯，放置大小相仿的校準(zhǔn)裝置，合上被檢儀器的保護(hù)罩，引出采樣線。相比較國內(nèi)的校準(zhǔn)裝置，優(yōu)點(diǎn)是保證了測量人員的安全，缺點(diǎn)是局限性很大，因?yàn)殚g隙不可改變，只能校準(zhǔn)和校準(zhǔn)裝置距離相近的儀器。

本文介紹一種雙邊測量法。采用兩臺10 pF/50 kV、阻抗Z≈ 318 MΩ的高壓標(biāo)準(zhǔn)電容分壓器。此阻抗占用絕緣油測試儀的功率很小，滿足校準(zhǔn)要求。

1　系統(tǒng)的組成與測量原理

本裝置主要由儀器主機(jī)、兩個(gè)電容分壓器、高壓分合終端、隔離模塊、高壓線和采樣連接線組成。結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

絕緣油測試儀的高壓輸出分別接入兩個(gè)電容分壓器的高壓端。高壓擊穿控制箱內(nèi)安裝有一對程控高速分合的小型高壓開關(guān)。當(dāng)這對開關(guān)同時(shí)合上時(shí)，放在擊穿放電電極兩端的樣品油就會放電。通過調(diào)整樣品油的電極距離，可以保證樣品油的擊穿電壓小于設(shè)定的擊穿電壓值。當(dāng)儀器主機(jī)界面顯示通信就緒，絕緣油測試儀應(yīng)該先升壓至10 kV，裝置檢測到電壓升至10 kV時(shí)會控制高壓分合終端，使被校準(zhǔn)的絕緣油測試儀檢測到擊穿后返回。然后依次測試20 kV、30 kV、40 kV、50 kV、60 kV、70 kV、80 kV擊穿并返回。設(shè)定好流程后檢測裝置會按照流程自動記錄各次檢測值。在此過程中，每個(gè)流程開始時(shí)都必須保證儀器主機(jī)顯示為通信就緒狀態(tài)。每次儀器主機(jī)控制擊穿后高壓分合終端和儀器主機(jī)的通信恢復(fù)大致需要30 s，所以在檢測過程中兩次擊穿過程間隔至少要在30 s以上。最后當(dāng)儀器主機(jī)界面顯示通信就緒，絕緣油測試儀從0 kV開始升壓至最大電壓輸出值，裝置檢測到電壓上升至最大值后返回，自動記錄最高電壓時(shí)段的波形，并計(jì)算此過程中各段的升壓速度和波形畸變。如果被校準(zhǔn)的絕緣油測試儀為全自動型，可以將儀器設(shè)定為6次自動擊穿試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中靜置時(shí)間設(shè)定為30 s，攪拌時(shí)間設(shè)定為0 s。試驗(yàn)開始后整個(gè)校準(zhǔn)過程都將自動完成。需要注意的是校準(zhǔn)過程中一定要保證引出的高壓線絕緣安全可靠，高壓電纜與地面、其他儀器以及線纜之間要保證足夠的安全距離。

圖1　絕緣油測試儀校準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)

2　關(guān)鍵設(shè)備

2.1采樣主機(jī)

儀器主機(jī)用于完成試驗(yàn)過程的控制、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。儀器主機(jī)提供一個(gè)USB接口用于與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，計(jì)算機(jī)通過應(yīng)用軟件向采樣主機(jī)發(fā)送試驗(yàn)命令，采樣主機(jī)負(fù)責(zé)執(zhí)行試驗(yàn)流程控制，并將采集到的數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸至計(jì)算機(jī)。

2.2隔離模塊

當(dāng)分合終端內(nèi)發(fā)生擊穿放電時(shí)會產(chǎn)生巨大的干擾信號。該信號通過分壓器耦和至采樣主機(jī)，會對采樣主機(jī)產(chǎn)生沖擊，因此需要通過隔離模塊將兩個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離，以達(dá)到減少沖擊的目的。試驗(yàn)時(shí)隔離模塊置于分壓器和采樣主機(jī)之間，并且讓采樣主機(jī)與分合終端的物理距離保持在2 m以上。

2.3電容分壓器和高壓連接線

為了保證足夠可靠的絕緣性能，測試過程中被校準(zhǔn)的絕緣油測試儀高壓端采用絕緣桿支出（或使用環(huán)氧樹脂制作的絕緣罩引出高壓線），然后經(jīng)過高壓電纜和另一對絕緣桿接入高壓分合終端。

絕緣油測試儀校準(zhǔn)裝置提供兩個(gè)分壓器。分壓器的參數(shù)如下：

1）電容值10 pF；

2）介質(zhì)損耗值<1×10-5；

3）最高測量電壓：100 kV（-50～50 kV）；

4）額定工作頻率50/60 Hz，最大允許誤差：±0.5%

2.4高壓分合終端

高壓分合終端用于將輸入的高壓信號瞬間短接，使放置在分合終端內(nèi)的油杯間隙發(fā)生放電，以模擬絕緣油擊穿。在絕緣油測試儀無特殊要求的情況下可以使用空油杯（以空氣放電模擬油擊穿）作為放電負(fù)載。如圖2所示，高壓分合終端頂部為高壓倉，高壓倉包含三對電極。三對電極含義如下：

1）右邊第一對電極用于控制擊穿放電，進(jìn)行校準(zhǔn)操作時(shí)，該點(diǎn)放置擊穿電壓低的油或者直接使用空杯。

2）中間第二對電極為負(fù)載杯，試驗(yàn)時(shí)該油杯模擬測試儀帶負(fù)載狀態(tài)，不使用時(shí)直接用絕緣罩蓋住。

3）左邊的一對電極為高壓引入端子，試驗(yàn)時(shí)被校準(zhǔn)的絕緣油測試儀高壓輸出由此處引入。

圖2　高壓分合終端原理

3　不確定度分析

3.1測量模型

式中：fx—— 被校儀器的誤差；

fp—— 校準(zhǔn)裝置所測得被校測試儀的重復(fù)性誤差；

Δf1—— 校準(zhǔn)裝置示值誤差的影響量；

Δf2—— 環(huán)境電磁場干擾的影響量；

Δf3—— 數(shù)值修約的影響量

3.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的估計(jì)

重復(fù)測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1，由標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2，環(huán)境電磁場干擾引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3，數(shù)值修約引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4。

3.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

3.3.1標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1

標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1可以通過連續(xù)測量得到測量列進(jìn)行評定。在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下，可認(rèn)為供電電網(wǎng)波動、連接點(diǎn)接觸電阻變化等因素引起的不確定度影響均已包含在u1的分量中，不再對這些分量進(jìn)行單獨(dú)評定。用校準(zhǔn)裝置對某型號絕緣油測試儀40 kV點(diǎn)的電壓輸出值進(jìn)行10次測量，每次均斷電重新設(shè)定電壓值，重復(fù)性測量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　重復(fù)性測量數(shù)據(jù)

日常工作中為單次測量，則：

3.3.2標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2

3.3.3標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u3

校準(zhǔn)時(shí)環(huán)境電磁場干擾不大于被校準(zhǔn)儀器誤差的1/10，近似為均勻分布，k =，按B類方式評估，則：

3.3.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4

相關(guān)規(guī)范規(guī)定：誤差數(shù)值修約單位為被校準(zhǔn)儀器誤差的1/10。根據(jù)四舍五入修約規(guī)則，由于修約而引入的誤差為修約單位的1/2，其引起的不確定度屬B類分量，近似為均勻分布，k =，按B類方式評估，則：

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3.5擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

4　結(jié)語

上述絕緣油測試儀校準(zhǔn)裝置可用于100 kV、2級及以下各種國內(nèi)外絕緣油測試儀的校準(zhǔn)工作，基本滿足目前計(jì)量行業(yè)對絕緣油測試儀的計(jì)量需求。

參考文獻(xiàn)

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A calibration device for insulating oil dielectric strength testers

Wei Jian，Pan Baoxiang
（Jiangsu Institute of Metrology, Nanjing）

Abstract:The paper introduces a calibration device for insulating oil dieletric strength testers, and evaluates the uncertainty of calibration results. The calibration device is composed of the host part, two capacitive voltage dividers, high pressure separation-integration terminal, isolation module, isolation module, high-voltage power lines and sampling connection wire .The measurement range is from 0 to 100 kV and the expanded uncertainty is 0.47% (k = 2).

Key words:insulating oil dielectric strength tester; calibration device; capacitive voltage divider