摘要：电力变压器是电力系统中电能传输与分配的重要设备之一，其安全稳定运行十分重要。变压器绝缘性能的好坏直接影响到电网安全。介质损耗因数是反映变压器绝缘状况的一个重要参数，它能较灵敏地反映变压器绝缘中的分布性缺陷和严重的局部性缺陷。变压器的介质损耗由三部分组成，一是绕组绝缘的介质损耗；二是绝缘油的介质损耗；三是变压器套管的介质损耗。本文主要针对变压器本体介质损耗，介绍几种传统的介质损耗的测量方法，并针对现场试验中使用的异频介损自动测试仪提出可行性改进方案。
关键词：变压器；介质损耗；传统测量方法；异频电源法
1 引言
介质损耗因数tanδ是反映绝缘性能的基本指标之一，介质损耗因数与试验电压、试品尺寸等因素无关，更便于判断电气设备绝缘变化情况。通过测量介质损耗因数tanδ可以检查高压变压器整体受潮、油质劣化、绕组附着油泥及严重的局部缺陷。现场我们一般测量的是套管连同绕组的tanδ，但为了提高测量的准确性和检出缺陷的灵敏度，有时也进行分解试验，以判别缺陷所在位置。当前电力系统中不少事故都是由于绝缘故障造成的，尤其是在高电压情况下绝缘介质极易发生大面积的损耗，进而影响电力输送，严重的会造成电力系统瘫痪。因此，及时对介质绝缘性能进行事先检测，是消除介质绝缘隐患、提高电力系统安全稳定运行的有效措施。
2 传统的介质损耗测量方法
2.1 电桥法
电桥法是介损测量领域长期采用的一种方法。当前流行的电桥分西林型高压电桥和电流比较仪型高压电桥，其中最为典型的要数西林电桥。西林电桥属于比较同类阻抗元件的电桥，它的标准阻抗和被测阻抗都是电容器。在强高压下进行高精度的介损测量是西林电桥的突出优势，倘若采取特殊的措施甚至可以在强磁干扰下进行颇高精度的测量。
2.2 伏安法
伏安法是最常用也是最成熟的一种传统方法，其工作原理是借助被试品的端
电压向量，根据Zx的实部和虚部，进一步计算求得介质损耗值tanδ。这种测量方法在精密计算机引入后得到进一步完善，基于测量系统的不断升级，测量数据的处理效率大大提高，精准度也得到保证。
2.3 过零点时差比较法
过零点时差比较法是数字化测量介质损耗中较早采用且效果明显的一种方法，其主要原理是通过比较施加于介质上的电压和电流的过零时刻值，求得两值之间的相位差，利用脉冲技术求得两值的值差，进而求得介质损耗值。若计数器显示的脉冲数为n，计数器的频率为f，则△t=n/f，测量装置对损耗角的分辨率也就是2π/Tf。由此可见，只要计数器频率足够高，就可以保证较高的分辨率。过零点时差比较法的优点在于测量的分辨率高，容易数字化处理，其缺点是极易受谐波干扰，这也是过零点时差比较法使用程度不高的主要原因。
2.3 谐波分析法
谐波分析法的主要原理是首先由波形采集装置u和i的时域波形同步地转换
为数字波形并存储，利用计算机将两个数字波形调入内存，用离散傅立叶变换出两个信号的基波，最后由特定的换算公式求出绝缘介质损耗角的等值电容。谐波分析法的关键步骤是基于傅立叶变换作等量，考虑到三角函数的正交性，傅立叶变换求解电压和电流的基波是不受高次谐波的影响，也不会受仪器电子电路所产生的零漂影响，因此可以达到比较高的稳定性和精准度。
2.4 异频电源法
异频电源法是一种全新的抗干扰方法，利用tanδ随频率变化而变化的特点，测量不同频率下的介质损耗值，从而得到等同的测量结果。异频电源频率不能偏离工频太远，否则测量结果与工频的介质损耗值失去等同性；但也不能偏离太近，否则又会增大频率分辨的难度，同样会造成较大的误差。采用DFT可以将异频频率和工频频率分辨开，理论上只要满足同步采样条件，DFT就不会出现泄漏效应，也就意味着可以准确地将异频电源频率所对应的频谱抽取出来，从而得到该频率波的初相位。
3 现场测试方式的研究
目前在测量介质损耗方面选用的是异频全自动介质损耗测试仪。仪器本身内部带有高压输出，测量范围为50pF~60000pF，测试仪的主要技术参数如下：
使用条件：-15℃~40℃ RH<80%
高压输出：0.5KV~10KV
精度：2%
最大电流：200mA
容量：1500VA 介损测量范围：不限，分辨率：0.001%
工作原理：
在交流电压作用下，电介质要消耗部分电能，这部分电能将转变为热能产生损耗，这种能量损耗叫做电介质的损耗。当电介质上施加交流电压时，电介质中的电压和电流间存在相角差ψ，ψ的余角δ称为介质损耗角，δ的正切tanδ称为介质损耗角正切值。仪器测量线路包括一标准回路（Cn）和一被试回路(Cx)。标准回路由内置高稳定度标准电容器与测量线路组成，被试回路由被试品和测量线路组成。测量线路由取样电阻与前置放大器和A/D转换器组成。通过测量电路测得标准回路电流与被试回路电流幅值及其相位差，再由数字信号处理器实现数字化实时采集，通过矢量运算得出试品的电容值和介质损耗正切值。
测量高压绕组对低压绕组及地的电容量和介质损耗角正切值、低压绕组对高压绕组及地的电容量和介质损耗角正切值以及高压绕组和低压绕组对地的电容量和介质损耗角正切值时，均可采用反接法，即被试侧加压，非被试侧短路接地的方式。但是在测量单组线圈对地电容时，将非被试线圈悬空后所测得的值不仅包含了被试线圈的数据同时也包含了非被试线圈的对地电容与线圈间电容的串联值。以测量高压线圈为例，测得的数据为CH+CL//CHL。理论上通过计算可以算出相应的数据，但是经计算后发现结果与实际相距甚远，计算的方法并不科学。为了剔除测试结果中CL//CHL的部分，就必须先对仪器的测试原理进行研究。测试仪器启动测量后高压设定值送到变频电源，变频电源用PID算法将输出缓速调整到设定值，测量电路将实测高压送到变频电源，微调电压，实现准确高压输出。测量电路采用傅立叶变换滤掉干扰，分离出信号基波，对标准电流和试品电流进行矢量运算，幅值计算电容值，角差计算tanδ，反复进行多次测量，经过排序选择一个中间结果。测量结束，测量电路发出降压指令，变频电源缓速降压到0。
以测量高压绕组为例，采用反接法测量时假设经过CH的电流为IH、CL的电流为IL、CHL的电流为IHL，其中IL=IHL，仪器检测到的电流I=IH+IHL。如果仪器检测到的电流I=IH，试验就能顺利完成。用屏蔽线来剔除相应的电流分量便可达到测量要求，但是屏蔽线其本质是用来保护高压引线的，且屏蔽线经仪器接地后并不能改变仪器检测到的电流，为了符合试验要求就必须对测量方法进行改造。
将屏蔽线不直接接地，而是先引入反接电流检测模块，采用傅立叶变换滤掉干扰，分离出信号基波。先将屏蔽层电流与主芯进行矢量计算，然后再将计算后的电流和标准电流进行矢量运算，用幅值计算电容值，角差计算tanδ。由于试验的高压引线采用外包裹绝缘的方法制作，所以其本身有一定的电容量。当通以高压时屏蔽线上会产生一定的电流，原先的计算模块根据导线的不同已经作了相应的扣除。现在由于屏蔽层上的也加入了计算，所以没有必要再次扣除。采用屏蔽法改进试验后不仅能扩展仪器的工作范围，同时也提高了试验引线的通用性。
试验时将测量线加至被测线圈上，将其他非被绕组端接后与屏蔽环连接，这样测量过程绕组间的电流IHL将从输出电流中扣除，用于实际测量的电流仅为IH，通过这样的方法就能准确测量出单绕组的对地电容量及其介质损耗正切值。
现场试验及分析在完成对设备的改造后，现场利用主变压器A相进行了试用，试验效果良好，具体试验数据如表1所示。
改进后的试验方法完全能够满足试验要求。
参考文献
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论文作者:崔亚楠,刘光涛,潘锴天,孙光海
论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期
论文发表时间:2017/10/23
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