劉 靜，翟少磊， 魏 齡 ，陳文華，計光榮 ，馬敏軍

(1.云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650217；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217)

0 引言

絕緣油是應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備中的絕緣介質(zhì)。絕緣油介電強度測試儀是用于測量絕緣油擊穿電壓數(shù)值的自動化設(shè)備。通過測量擊穿電壓可以在施加高壓的情況下，對絕緣油介電強度以及外界環(huán)境因素、油中各成分對絕緣性能的影響進(jìn)行研究[1-2]?，F(xiàn)有文獻(xiàn)中，大多采用單片機對絕緣油耐壓測試過程進(jìn)行控制[3-4]。在此過程中，由于外界存在強電磁干擾(electromagnetic interference,EMI)，測試過程中容易出現(xiàn)單片機死機現(xiàn)象，影響測試工作的正常進(jìn)行。除此以外，文獻(xiàn)[5]對電極電容量大小進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，由于被測電極的電容量極小，基本在幾pF，EMI將會對校準(zhǔn)系統(tǒng)的計量特性產(chǎn)生很大的影響。鑒于此，絕緣油介電強度測試儀在設(shè)計時需要考慮系統(tǒng)的抗干擾性問題。

由于標(biāo)準(zhǔn)的缺失，現(xiàn)有的絕緣油介電強度測試儀之間存在差異性，且由于其電氣結(jié)構(gòu)、絕緣材料的特殊性，以及相關(guān)校準(zhǔn)設(shè)備的缺乏和理論方法還未完善[4-5]，目前無法對這類儀器進(jìn)行準(zhǔn)確校準(zhǔn)，絕緣油的物理特性也處于研究過程中[6-8]，現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)對絕緣油介電強度測試儀的校準(zhǔn)方法說明較少[9-11]。因此，本文對絕緣油介電強度測試儀校驗系統(tǒng)進(jìn)行研究，采用高壓分合終端模擬開關(guān)閉合方式使得被試儀器的高壓輸出端子產(chǎn)生油擊穿過程，并針對校準(zhǔn)系統(tǒng)的電磁干擾問題提出抗干擾方案，最后對校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行不確定度評定。

1 絕緣油介電強度測試儀校驗系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)校驗方式存在的問題，江鈞等在指定的高電壓點構(gòu)造真實的擊穿環(huán)境，設(shè)計一種主動擊穿的變壓器絕緣油介電強度測試裝置校驗系統(tǒng)[12]。該方式通過模擬絕緣油介電強度測試儀的真實工作狀況，使測試結(jié)果更加客觀。但高壓控制回路中的負(fù)載模擬單元需要大量的實際測試，以便對真實的工況進(jìn)行模擬。國外的科研機構(gòu)基本采用替代法對油耐壓儀進(jìn)行測量，在校準(zhǔn)時采用替代油杯的方式進(jìn)行校準(zhǔn)。但該方式由于電極間距、油杯尺寸、電極連接方式等方面存在差異，因此僅適用于Megger自身的儀器，且準(zhǔn)確度不高，只滿足10級以下的油耐壓儀的校準(zhǔn)要求[13]。文獻(xiàn)[14]將校準(zhǔn)裝置放入油杯中，利用CPU 采集和處理電容分壓器分壓后的低壓信號。該信號經(jīng)過整流、模擬/數(shù)字(analog/digital,A/D)轉(zhuǎn)換、放大修正后得到實際電壓值。這種校準(zhǔn)裝置的優(yōu)點在于不必取下油杯，但由于光纜傳輸和絕緣材料的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致校準(zhǔn)裝置的長期穩(wěn)定性較差。

目前，國內(nèi)針對絕緣油介電強度測試儀的校準(zhǔn)主要采用基于穩(wěn)態(tài)電壓測量的方式。按照所接分壓器的數(shù)量可以大致分為單端測量法和雙路測量法，但二者在對絕緣油介電強度測試儀兩個電極的高壓輸出值進(jìn)行計算時，采用代數(shù)和的方式會對校驗過程引入了附加誤差。文獻(xiàn)[15]利用CPU高速采集分壓器分壓后的電壓信號，經(jīng)過數(shù)字信號處理后得到包含諧波信息的電壓有效值?？紤]到擊穿放電干擾及波形畸變對測量的影響，本文采用CPU高速采集分壓器分壓后的電壓信號，并利用高壓分合終端模擬絕緣油擊穿和電氣隔離減少干擾。

校驗系統(tǒng)原理如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，采用直接比較法測量被校絕緣油介電強度測試儀輸出電壓的示值誤差，將其電壓輸出端分別接校準(zhǔn)裝置的輸入端，在啟動儀器使電壓勻速上升至穩(wěn)定后，讀取校準(zhǔn)裝置上的實際電壓值。在絕緣油介電強度測試儀升壓過程中，標(biāo)準(zhǔn)裝置能實時對被試儀器產(chǎn)生的電壓進(jìn)行采樣和分析，并能在被檢儀器電壓升至預(yù)置檢定點值時由標(biāo)準(zhǔn)裝置發(fā)出“主動擊穿”命令，通過等效于開關(guān)閉合方式使得被試儀器的高壓輸出端子產(chǎn)生油擊穿過程，從而構(gòu)造出被試儀器的擊穿判據(jù)。先在主機上設(shè)置校驗點和校驗個數(shù)，然后設(shè)置絕緣油介電強度測試儀并開始測量。當(dāng)上位機顯示采樣數(shù)據(jù)到達(dá)預(yù)置檢定點時，發(fā)出“主動擊穿”命令，高壓分合終端中油杯的兩端連接高壓開關(guān)的高壓輸出端，高壓分合終端通過將輸入的高壓信號瞬間短接，使放置在分合終端內(nèi)的油杯間隙放電以模擬絕緣油擊穿，從而實現(xiàn)“主動擊穿”。在發(fā)生擊穿放電的過程中，采樣終端以及主機由于受到?jīng)_擊以及擊穿放電產(chǎn)生強烈的電磁干擾，因此采用光電耦合器將高壓部分與低壓電路進(jìn)行電氣隔離，利用屏蔽電纜進(jìn)行通信和控制聯(lián)絡(luò)。上位機與分合終端之間保持一定的物理距離，減少對采集終端的電磁干擾。為了避免采樣終端由于干擾造成死機，加入看門狗芯片DS1232作為抗干擾的最后防線。

圖1 校驗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of the calibration system

2 計量特性分析

理論測量電壓與實際電壓的矢量圖如圖2所示。

圖2 理論測量電壓與實際電壓的矢量圖Fig.2 Vector diagram of theoretical measured voltage and actual voltage

目前，國內(nèi)絕緣油介電強度測試儀一般采用兩臺高壓變壓器的結(jié)構(gòu)。理想情況下，輸入端的顯示電壓與高壓側(cè)電壓成一定比例。但由于兩臺變壓器T1和T2各產(chǎn)生一個相位差為180°的電壓[4]，假設(shè)T1和T2電壓產(chǎn)生的相位差不等于180°，那么就會給測量結(jié)果引入誤差。一般采用不確定度評定的方式,對測量結(jié)果進(jìn)行評價。

計量校準(zhǔn)平臺不確定度的評定一直以來都是計量學(xué)中的傳統(tǒng)問題。校準(zhǔn)平臺涉及的環(huán)節(jié)和參數(shù)較多，并且每個環(huán)節(jié)之間相互影響都可能成為不確定度來源。因此，采取整體原則對計量校準(zhǔn)平臺的不確定度進(jìn)行評定，以平臺的不確定度或主要參數(shù)的不確定度為主。在校準(zhǔn)時，應(yīng)盡量減少測量環(huán)境所帶來的不確定因素對校準(zhǔn)所帶來的影響。

根據(jù)測量不確定度表示指南，將不確定度評定方法分為A類和B類。對系統(tǒng)不確定度評定依賴于理論依據(jù)、評定方法、可靠數(shù)據(jù)，需要綜合考慮各種因素。近年來，隨著現(xiàn)代不確定度理論的深入研究和非統(tǒng)計方法的引入，不斷完善了傳統(tǒng)的統(tǒng)計理論所存在的局限性[16-17]。

3 絕緣油介電強度測試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)電壓表測量電壓為UN，被校絕緣油介電強度測試儀輸出電壓為UX。其中，靈敏系數(shù)c=1，則被校絕緣油介電強度測試儀輸電壓的示值誤差Δ為：

Δ=UX-UN

(1)

絕緣油介電強度測試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 絕緣油介電強度測試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)測量結(jié)果Fig.3 Measurement results of calibration system of dielectric strength tester of insulating oil

文獻(xiàn)[4]對絕緣油介電強度測試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度進(jìn)行了分析，但由于絕緣油中存在各種雜質(zhì)的非均勻運動(包括油中雜質(zhì)的布朗運動)等因素的影響，擊穿電壓的測試結(jié)果具有分散性。文獻(xiàn)[18]針對絕緣油中的雜質(zhì)對絕緣油的介電性能進(jìn)行了分析。研究表明，雜質(zhì)嚴(yán)重影響其介電性能，并且對植物絕緣油和礦物絕緣油的影響存在差異。因此，為了保證測試結(jié)果的精確度和可信度，絕緣油樣品測試前靜止放置一段時間，進(jìn)行10次10 kV示值誤差測量試驗，取其平均值作為測試結(jié)果[4]。校準(zhǔn)系統(tǒng)各分量不確定度如表1所示。

表1 校準(zhǔn)系統(tǒng)各分量不確定度表Tab.1 Uncertainty table of each component of the calibration system

①測量結(jié)果分散性引入的不確定度分量按A類方法評定，獨立測量10次10 kV點的電壓值，計算其試驗標(biāo)準(zhǔn)偏差為:

(2)

取其平均值作為測試結(jié)果，則試品測量結(jié)果分散性引入的不確定度分量為:

(3)

(4)

(5)

測量擊穿電壓的結(jié)果是在試驗室標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下受外界(溫度、環(huán)境電磁場的干擾等)以及儀表(儀表分辨率、連接點接觸電阻變化等)的綜合因素影響下的結(jié)果[1-2,4]。對于同一個裝置而言，分辨率引入的不確定分量是一個相對固定值。在進(jìn)行不確定度評定時，測量結(jié)果分散性所引入的不確定度分量與由被測儀器的分辨力所引入的不確定分量之間存在重復(fù)，取兩者中較大的值[19]。

對10 kV點示值誤差測量結(jié)果進(jìn)行分析，計算得到擴展不確定度為0.58%，能夠滿足2級絕緣油介電強度測試儀的校準(zhǔn)要求。但與檢定不同，校準(zhǔn)過程容易受到各種環(huán)境因素影響(包括溫差、計算機數(shù)據(jù)處理引入的誤差等)。因此，應(yīng)綜合考慮各方面因素對量值傳遞的影響。但由于絕緣材料的特殊性，其特性量值會隨時間的變化而變化，因此，在對絕緣油介電強度測試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)進(jìn)行評價，對其穩(wěn)定性不確定度進(jìn)行評估，即：考慮其長期穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)不確定度和短期穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

4 結(jié)論

針對絕緣油介電強度測試儀校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定性，根據(jù)測量不確定度表示指南對系統(tǒng)不確定度進(jìn)行評定，現(xiàn)有的系統(tǒng)評價體系主要采用基于統(tǒng)計理論的方法。雖然該方法具有普適性，但針對具體的設(shè)備，應(yīng)該考慮其特殊性，例如電氣結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)等。評定測量系統(tǒng)的不確定度時應(yīng)充分考慮測量系統(tǒng)的動態(tài)性以及穩(wěn)定性。但由于沒有確定的數(shù)學(xué)模型，因此將依靠存儲在主機的數(shù)據(jù)，利用趨勢分析法和方差分析法等一系列方法進(jìn)一步分析不穩(wěn)定性引入的不確定度。