呂永紅，何 杰，王四保

（長治供電分公司，山西 長治 046000）

高壓斷路器均壓電容高壓介質(zhì)損耗分析研究

呂永紅，何 杰，王四保

（長治供電分公司，山西 長治 046000）

針對(duì)高壓斷路器均壓電容在10 kV試驗(yàn)電壓下的介損試驗(yàn)值超標(biāo)現(xiàn)象，對(duì)其特性進(jìn)行了分析。由于均壓電容器存在Garton效應(yīng)，加上現(xiàn)場高電壓、強(qiáng)磁場的干擾，10 kV的試驗(yàn)電壓遠(yuǎn)低于額定電壓，不能真實(shí)反映均壓電容器的絕緣情況，而升高試驗(yàn)壓或額定電壓下的介損試驗(yàn)可以消除Garton效應(yīng)的影響，真實(shí)地反映均壓電容器在運(yùn)行狀況下的介質(zhì)損耗情況，該方法對(duì)于高壓斷路器均壓電容的現(xiàn)場試驗(yàn)和絕緣分析有較大的參考價(jià)值。

均壓電容器；介質(zhì)損耗；Garton效應(yīng)；絕緣狀況

0 引言

介質(zhì)損耗（以下簡稱“介損”）因數(shù)是反映高壓斷路器端口并聯(lián)均壓電容器絕緣性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是目前檢測高電壓等級(jí)的變壓器套管、電容式電壓互感器、電容式電流互感器、耦合電容器、高壓斷路器均壓電容等高壓電氣設(shè)備絕緣缺陷的主要手段。在進(jìn)行試驗(yàn)電壓為10 kV以下的介損試驗(yàn)時(shí)，通過測量介損值的大小，來發(fā)現(xiàn)絕緣整體受潮、油或浸漬物臟污、劣化變質(zhì)等缺陷[1-3]。但是10 kV試驗(yàn)電壓遠(yuǎn)低于設(shè)備運(yùn)行電壓，高壓設(shè)備的介質(zhì)損耗隨試驗(yàn)電壓的變化有復(fù)雜的變化，再加上試驗(yàn)現(xiàn)場的高電壓、強(qiáng)磁場的干擾[4，5]，以及一些進(jìn)口高壓設(shè)備使用材質(zhì)的差異，設(shè)備本身存在Garton效應(yīng)[6]，使得10 kV電壓下的介質(zhì)損耗試驗(yàn)很難發(fā)現(xiàn)一些內(nèi)部潛在的導(dǎo)電性雜質(zhì)等缺陷，不能真實(shí)反映設(shè)備運(yùn)行時(shí)的狀況，一些本來合格的設(shè)備在10 kV的試驗(yàn)電壓下出現(xiàn)介損超標(biāo)現(xiàn)象，或者原本判斷合格的的高壓設(shè)備在運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生故障，甚至引起爆炸。

因此開展高壓設(shè)備運(yùn)行電壓下的高電壓介損試驗(yàn)，現(xiàn)場開展tanδ-U曲線測試工作，能準(zhǔn)確反映設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下的絕緣狀況，對(duì)準(zhǔn)確判斷高壓一次設(shè)備的工作狀態(tài)有重要意義。國家電網(wǎng)公司針對(duì)上述狀況提出了一些列措施：“25項(xiàng)反措”要求現(xiàn)場應(yīng)進(jìn)行高電壓介損試驗(yàn)；中華人民共和國電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程》對(duì)耦合電容器和電容式電壓互感器的電容分壓器介質(zhì)損耗試驗(yàn)項(xiàng)目中明確規(guī)定：當(dāng)10 kV下的tanδ值不符合要求時(shí)，可在額定電壓下復(fù)測，復(fù)測值如符合10 kV下的要求，可繼續(xù)投運(yùn)；中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 4787-1996》（以下簡稱“國標(biāo)”）對(duì)斷路器電容器的損耗角正切規(guī)定：電容器在額定電壓和額定頻率下，20℃時(shí)的損耗角正切不大于0.002。

從我公司近年來的預(yù)試工作情況來看，多次出現(xiàn)高壓斷路器并聯(lián)電容器在10 kV試驗(yàn)電壓下介損值超標(biāo)的案例，如果就此判定設(shè)備絕緣狀況不良而返廠或進(jìn)行更換，將會(huì)造成設(shè)備的浪費(fèi)或造成很大的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)[7]。為保障電容器在安全的前提下經(jīng)濟(jì)可靠地運(yùn)行，根據(jù)500 kV均壓電容器的歷史試驗(yàn)數(shù)據(jù)多次進(jìn)行了技術(shù)分析，發(fā)現(xiàn)在10 kV電壓下試驗(yàn)的介損值和在接近工作電壓下試驗(yàn)的介損值有所不同，在接近工作電壓下試驗(yàn)的介損值較10 kV試驗(yàn)電壓的介損值小。所以開展了提高試驗(yàn)電壓下的介質(zhì)損耗試驗(yàn)，以及開展tanδ-U曲線測試工作，以便正確地綜合分析、判斷電容器的絕緣狀況。

1 Garton效應(yīng)的試驗(yàn)分析

1.1 Garton效應(yīng)

1940年，M.Garton先生發(fā)現(xiàn)一種現(xiàn)象：在含有紙的絕緣介質(zhì)（或塑料及油的混合介質(zhì)） 中，在較低電壓下，介質(zhì)損耗角的正切值變化比在較高電壓下的值高1～10倍。Garton效應(yīng)的形成原因是由于油中膠體型帶電粒子在交流工作電場作用下的運(yùn)動(dòng)受到紙纖維阻攔，而這種阻攔有隨電場強(qiáng)度增加而減小的規(guī)律。介質(zhì)損耗因數(shù)是反映高壓斷路器端口并聯(lián)均壓電容器絕緣性能的—項(xiàng)重要指標(biāo)，在絕緣監(jiān)督工作中，往往依靠它來判斷電容器的絕緣狀況。

1.2 40 kV均壓電容器高壓介損試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析高壓均壓電容器中Garton效應(yīng)對(duì)高壓設(shè)備介質(zhì)損耗值的影響，選用了一支預(yù)試工作中在10 kV試驗(yàn)下介損值超標(biāo)的均壓電容器，在實(shí)驗(yàn)室做了高壓介損試驗(yàn)，試驗(yàn)現(xiàn)場沒有高電壓、強(qiáng)磁場的干擾，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制了tanδ-U曲線。試驗(yàn)電路如圖1所示。試驗(yàn)中，采用了“AI-6000介損電橋外接高壓標(biāo)準(zhǔn)電容器法”。均壓電容器的試驗(yàn)電壓采用外接調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)壓，通過升壓變壓器升高了試驗(yàn)電壓，采用外接高電壓等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)電容器的方案[8，9]。介損電橋的主要功能是通過標(biāo)準(zhǔn)電容器采集試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)頻率，并計(jì)算試品電容的介損值和電容量，隨著試驗(yàn)電壓的升高，電容器的介損值逐漸降低，電容值基本恒定不變。在試驗(yàn)電壓升高至一定數(shù)值（接近額定電壓）時(shí)，試驗(yàn)的介損值變化較大，從表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖2的tanδ-U曲線可以看出，該電容器在運(yùn)行狀態(tài)下的介損值比10 kV試驗(yàn)電壓下的介損值小。

圖1 40 kV均壓電容器高壓介損試驗(yàn)電路圖

表1 均壓電容器tanδ-U試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖2 40 kV均壓電容器tanδ-U曲線

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在試驗(yàn)電壓較低（10 kV）時(shí)，電容器的介損試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，這樣就會(huì)判定電容器的絕緣不合格。分析認(rèn)為：該試驗(yàn)的現(xiàn)場沒有高電壓、強(qiáng)磁場的干擾，產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是由于絕緣材料本身帶有導(dǎo)電的雜質(zhì)而造成的，當(dāng)試驗(yàn)加壓時(shí)，這些離子性雜質(zhì)在交流電壓下產(chǎn)生離子電導(dǎo)損耗，即均壓電容器產(chǎn)生“雜質(zhì)損耗”，在較低電壓下介質(zhì)中的微小雜質(zhì)游離于介質(zhì)空間，極化損耗比較大，造成總體介損值較大；而在逐漸升高試驗(yàn)電壓時(shí)，這些微小的雜質(zhì)在較強(qiáng)的電場作用下逐漸集中于電極兩端，介質(zhì)空間的雜質(zhì)相對(duì)減少，極化損耗也逐漸變小，導(dǎo)致總體介質(zhì)損耗值減小。

通過以上Garton效應(yīng)機(jī)理的解釋及現(xiàn)場實(shí)例的分析，發(fā)生Garton效應(yīng)的電容器在低電壓的介損值明顯增大，嚴(yán)重干擾現(xiàn)場試驗(yàn)人員對(duì)其性能的判斷，極有可能使合格的電容器退出運(yùn)行，不僅延誤送電時(shí)間、降低電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性，而且還會(huì)造成設(shè)備的浪費(fèi)、降低電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2 500 kV斷路器均壓電容器介損試驗(yàn)分析

2.1 500 kV斷路器均壓電容器高壓介損試驗(yàn)

近年來，在預(yù)試工作中，先后發(fā)生了幾例500kV斷路器均壓電容器現(xiàn)場試驗(yàn)中因Garton效應(yīng)造成介質(zhì)損耗測量值偏大的典型實(shí)例。選用一支現(xiàn)場進(jìn)行10 kV試驗(yàn)電壓時(shí)介損值超標(biāo)的膜紙復(fù)合絕緣的均壓電容器，在實(shí)驗(yàn)室做了升高試驗(yàn)電壓下的介質(zhì)損耗試驗(yàn)，該均壓電容器的額定電壓為280 kV，由于升壓變壓器容量的限制，采取了串諧升壓的試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，采用正接線方式，對(duì)均壓電容器進(jìn)行了升高試驗(yàn)電壓下的介質(zhì)損耗試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。圖3為tanδ-U曲線，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該電容器在試驗(yàn)電壓升高時(shí)，其介質(zhì)損耗值tanδ逐漸降低，當(dāng)試驗(yàn)電壓達(dá)到額定電壓的一半時(shí)，其介損值基本達(dá)到穩(wěn)定，可以看出，該均壓電容器在運(yùn)行狀態(tài)下，其絕緣狀況仍然良好。

2.2 500 kV斷路器均壓電容器高壓介損試驗(yàn)分析

根據(jù)國標(biāo)中對(duì)斷路器均壓電容器介損試驗(yàn)項(xiàng)目的規(guī)定：額定電壓下其介損值不應(yīng)超過0.2%，可知該均壓電容器的的絕緣狀況良好，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是因?yàn)槟ぜ垙?fù)合絕緣的電容器更容易發(fā)生Garton效應(yīng)。電介質(zhì)發(fā)生Garton效應(yīng)時(shí)，低電壓下的介損值會(huì)顯著增大，Garton效應(yīng)改變了絕緣介質(zhì)中帶電雜質(zhì)的分布，并未對(duì)介質(zhì)整體絕緣產(chǎn)生影響。

根據(jù)以上試驗(yàn)分析，在進(jìn)行常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下均壓電容器介損試驗(yàn)時(shí)，若出現(xiàn)介損值超標(biāo)的現(xiàn)象，不應(yīng)輕易判定其不合格。可考慮提高試驗(yàn)電壓進(jìn)行測試，以便更好分析試品的絕緣狀態(tài)，正確判斷電容器是否合格，盡量減少不必要的經(jīng)濟(jì)損失。若較高試驗(yàn)電壓下的介損值明顯下降且低于規(guī)程規(guī)定值，則可認(rèn)為發(fā)生了Garton效應(yīng)，并且可判定設(shè)備是合格的，可繼續(xù)投運(yùn)；若被試品是數(shù)月未施加任何電壓的備品電容器，可先對(duì)被試品施加數(shù)小時(shí)的高電壓，然后再做常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下的介損試驗(yàn)，此時(shí)的介損值若低于規(guī)程規(guī)定值，可認(rèn)為發(fā)生了Garton效應(yīng)[10]。為確保設(shè)備的安全運(yùn)行，應(yīng)適當(dāng)縮短例檢的周期。

表2 均壓電容器tanδ-U試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 500 kV斷路器均壓電容器tanδ-U曲線

3 結(jié)論

針對(duì)目前10 kV試驗(yàn)電壓下高壓斷路器均壓電容出現(xiàn)介損值超標(biāo)的現(xiàn)象，參考了國家相關(guān)規(guī)程和文獻(xiàn)，對(duì)該現(xiàn)象做了細(xì)致的分析研究。根據(jù)預(yù)試工作中出現(xiàn)的問題，對(duì)常規(guī)10 kV試驗(yàn)電壓下的介損值超標(biāo)的高壓斷路器均壓電容做了升高電壓下的介質(zhì)損耗試驗(yàn)，繪制了tanδ-U曲線并對(duì)其進(jìn)行了分析，試品由于試驗(yàn)條件的限制或使用材質(zhì)的差異，現(xiàn)場的常規(guī)試驗(yàn)易產(chǎn)生Garton效應(yīng)，發(fā)生Garton效應(yīng)的電容器在低試驗(yàn)電壓下的介損值明顯增大，嚴(yán)重干擾現(xiàn)場試驗(yàn)人員對(duì)其絕緣性能的判斷,極有可能使合格的電容器退出運(yùn)行。而做升高試驗(yàn)電壓下的介損試驗(yàn)并繪制tanδ-U曲線，可更好地分析均壓電容的絕緣情況，準(zhǔn)確地識(shí)別發(fā)生在現(xiàn)場試驗(yàn)中的Garton效應(yīng)，并對(duì)發(fā)生Garton效應(yīng)的均壓電容器作出合理的處理，避免不必要的設(shè)備浪費(fèi)，該試驗(yàn)方法對(duì)于高壓斷路器均壓電容的現(xiàn)場試驗(yàn)和絕緣分析有較大的參考價(jià)值。

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The Research of Dielectric Loss for The Voltage Sharing Capacitors of High Voltage Breakers

LV Yong-hong，HE Jie，WANG Si-bao
（Changzhi Power Supp ly Com pany，Changzhi，Shanxi 046000，China）

In the test of dielectric loss for the voltage sharing capacitors of high voltage breakers under the voltage of 10 kV in the substation，the testing result appears to be excessive.Based on the results，the characteristics of the voltage sharing capacitors are analyzed.Due to Garton effect in the voltage sharing capacitors，and the high voltage and magnetic interference in the test environment，the test voltage of 10 kV ismuch lower than nominal voltage，thus，it can not reflect the real insulation conditions of the voltage sharing capacitors.But Garton effect can be eliminated when the testing voltage or nominal voltage is raised，which can reflect the real condition of dielectric loss of the voltage sharing capacitors.The method proposed is helpful in the test of voltage sharing capacitors and it also provides reference for the analysis of insulation conditions.

voltage sharing capacitor；dielectric loss；Garton effect；insulation condition

TM835.4

A

1671-0320-（2011）03-0031-04

2011-01-20，

2011-03-08

呂永紅（1973-），男，山西運(yùn)城人，2005年畢業(yè)于太原理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，技師，從事高電壓技術(shù)及其高壓試驗(yàn)工作；

何 杰（1983-），男，山西長治人，2009年畢業(yè)于天津理工大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)，從事高電壓技術(shù)及其高壓試驗(yàn)工作；

王四保（1956-），男，山西太原人，高級(jí)技師，從事高電壓技術(shù)及其高壓試驗(yàn)工作。