李 瑞

（中鐵電氣化局京滬高鐵維護(hù)管理公司，北京 100045）

關(guān)鍵字：電氣設(shè)備；介質(zhì)損耗；干擾源；預(yù)防性試驗

0 引言

高壓電氣設(shè)備的狀態(tài)關(guān)系著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。現(xiàn)階段高壓電氣設(shè)備狀態(tài)診斷方法一般有在線式和離線式兩種。在線式診斷方法通過采集運行時高壓電氣設(shè)備的相關(guān)電氣和物理參數(shù)，由計算機(jī)利用物理模型對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行研判，不受時間、環(huán)境和運行條件的限制。該方法測試簡單方便，但抗干擾能力較弱，且技術(shù)還不夠成熟，測試數(shù)據(jù)需綜合考慮。離線式診斷方法基于設(shè)備的結(jié)構(gòu)和原理，直接對設(shè)備各部分的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢測。該方法測試精度高，交接類和預(yù)試類測試有專門的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，但測試條件要求較高［1］。本文針對某牽引變電站高壓側(cè)電氣設(shè)備試驗中的異常情況，分析了介質(zhì)損耗因數(shù)（tanδ）值偏小、為負(fù)的原因，提出了解決措施，以保證鐵路牽引供電系統(tǒng)安全。

1 系統(tǒng)情況

鐵路牽引供電系統(tǒng)由牽引變電站和接觸網(wǎng)兩部分構(gòu)成。牽引變電站對電能進(jìn)行變換、匯集和分配，相當(dāng)于“人體心臟”。接觸網(wǎng)的主要作用是輸送電能，相當(dāng)于“人體血管”。機(jī)車直接從接觸網(wǎng)取得電能。

為保障運輸?shù)陌踩须姎庠O(shè)備都應(yīng)處于健康狀態(tài)，因此必須按周期對所有設(shè)備和系統(tǒng)進(jìn)行檢修和檢測。為了不影響或者少影響正常的運輸秩序，檢修和檢測應(yīng)在運輸間隔期間進(jìn)行，這個間隔稱之為天窗。天窗期間工作環(huán)境較為復(fù)雜，一般時間不會很長，且為了縮小影響范圍，電氣設(shè)備的停運檢修遵循“最小限制”的原則。牽引變電站高壓側(cè)電氣主接線圖如圖1所示。

圖1 牽引變電站高壓側(cè)電氣主接線圖

2 異常情況

電氣設(shè)備的檢修和試驗，二者互不相關(guān)，但又相輔相成。前者主要側(cè)重于修，目的是為了讓電氣設(shè)備保持良好的狀態(tài)，以最大限度維持其壽命，保障供電安全。后者主要側(cè)重于試驗，通過專業(yè)的檢測儀器和設(shè)備，對電氣設(shè)備的基本物理量進(jìn)行檢測，分析其變化趨勢以對電氣設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行評估，從而為檢修方案的制定提供依據(jù)。

電氣設(shè)備試驗項目主要包括絕緣狀態(tài)趨勢和其他基本物理量的變化。前者包括耐受電壓水平、絕緣數(shù)值和tanδ的變化等，后者包括斷路器接觸電阻、分合閘時間、電流互感器的電流比和線圈電阻等。其中tanδ是國家標(biāo)準(zhǔn)要求的針對35 kV以上的高壓電氣設(shè)備必需測試的項目［2］。

試驗人員在對一些既有牽引變電站（所）電氣設(shè)備進(jìn)行周期性試驗時，發(fā)現(xiàn)某高壓電氣設(shè)備的tanδ與歷年數(shù)據(jù)和交接試驗數(shù)據(jù)存在較大偏差，甚至出現(xiàn)了負(fù)值現(xiàn)象。電氣設(shè)備tanδ數(shù)據(jù)比較情況如表1所示。

表1 電氣設(shè)備tanδ數(shù)據(jù)比較情況

介質(zhì)材料在強(qiáng)電場條件下，由于介質(zhì)導(dǎo)電特性和介質(zhì)極化的滯后效應(yīng)，會在其內(nèi)部形成一定的能量損耗，稱介質(zhì)損耗，簡稱介損［3］。由于不同電氣設(shè)備的運行條件和自身參數(shù)不同，直接測量所得的介質(zhì)損耗不能用來判斷設(shè)備狀態(tài)，因此引入tanδ的概念。tanδ是指給被測試電氣設(shè)備施加電壓后，電氣設(shè)備上產(chǎn)生的有功功率和無功功率的比值。此比值只與材料的物理特性有關(guān)，便于對不同設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行比較。tanδ相量圖如圖2所示，δ1和δ2為介質(zhì)損耗正切角，φ1和φ2為電流相量和電壓相量的夾角（功率因素角），其中φ2為受到干擾后的負(fù)角度，為無意義的數(shù)據(jù)。

圖2 tanδ相量圖

使用一體化便攜式介質(zhì)損耗測試儀測試tanδ。測試儀內(nèi)置介質(zhì)損耗測試平衡電橋，儀器測量線路包括一個標(biāo)準(zhǔn)回路和一個被試回路［4］。

介質(zhì)損耗測試儀對被測試設(shè)備進(jìn)行測試可采用正接法、反接法和CVT法［5］。正接法和反接法測試原理相同，主要區(qū)別在于被測試設(shè)備的接地一側(cè)是否可以解除，如可以則用正接法，如不可以則用反接法。由于反接法會受其他干擾回路電流的影響，因此測量精度略低于正接法。介質(zhì)損耗測試儀正接法和反接法原理圖如圖3所示，其中R1、R2和Cn為測試儀結(jié)構(gòu)部件的相應(yīng)值，R3為接地回路的過渡電阻值，G為檢流計。CVT法也稱自激測量法，主要用于測量電容式電壓互感器，其中C11、C12和C2為電容式電壓互感器結(jié)構(gòu)部件的相應(yīng)值。介質(zhì)損耗測試儀CVT法原理圖如圖4所示。

圖3 介質(zhì)損耗測試儀正接法和反接法原理圖

圖4 介質(zhì)損耗測試儀CVT法原理圖

對比預(yù)防性試驗和交接性試驗過程發(fā)現(xiàn)，兩類試驗環(huán)境條件類似，區(qū)別在于預(yù)防性試驗過程中未拆除各電氣設(shè)備的連接線，而交接性試驗過程中各電氣設(shè)備處于獨立狀態(tài)。以圖1所示的牽引變電站為例，預(yù)防性試驗過程中，測量一臺牽引變壓器（TR1）高壓側(cè)介質(zhì)損耗因數(shù)時，斷路器（QF）和另一臺牽引變壓器（TR2）在檢測回路中；對電流互感器（TA）檢測時，斷路器（QF）和隔離開關(guān)（QS1）在檢測回路中；對電壓互感器（TV）檢測時，隔離開關(guān)（QS2）和避雷器（F）在檢測回路中。

3 原因分析和計算

正常情況下電氣設(shè)備在運行過程中絕緣會逐漸降低，tanδ數(shù)值隨之增大。如果在后續(xù)的預(yù)防性試驗過程中，出現(xiàn)tanδ數(shù)值變小或變負(fù)的情況，排除環(huán)境因素，一般為外界干擾所致。

3.1 所測tanδ數(shù)值偏小

以牽引變壓器高壓側(cè)預(yù)防性試驗為例，一次引線不拆除，存在相關(guān)連接設(shè)備。牽引變壓器tanδ檢測等效示意圖如圖5所示。

圖5 tanδ檢測等效示意圖

根據(jù)圖2和圖5，可得：

由于tanδ? 1，對式（1）聯(lián)立可得：

式中：P為被測試設(shè)備有功功率；Q為被測試設(shè)備無功功率；C為試驗時測試電路的總電容；R為試驗時測試電路的總電阻；U為試驗時施加的測試電壓；ω為角速度；C1為被測試電氣設(shè)備的電容；C3為試驗時測試電路中的干擾電容。

在不考慮其他外部環(huán)境的干擾，只考慮被測試設(shè)備與其他設(shè)備的電氣連接引線不拆除的情況下，試驗回路中存在干擾回路時，根據(jù)式（1）和式（2）可得出結(jié)論：試驗過程中，并聯(lián)電氣設(shè)備的存在導(dǎo)致整體電容量值C增大，tanδ值減小。另外，在惡劣環(huán)境中，例如潮濕和重度污染條件下，會在絕緣部分形成一個等效雜散電容，從而產(chǎn)生與并聯(lián)電氣設(shè)備相同的結(jié)果。

3.2 所測tanδ數(shù)值為負(fù)值

tanδ為負(fù)值的原因有以下幾點：

1）儀器接地不良。若測試系統(tǒng)中接地狀態(tài)較差，根據(jù)圖5，會存在過流電阻R3，與被試設(shè)備電容C1串接在測試回路中，由式（2）可得：

式中：tan′δ為測試得出的介質(zhì)損耗因數(shù)值；tanδ為實際介質(zhì)損耗因數(shù)值。

由式（3）可知，由于R3的存在，將使被測試設(shè)備的介質(zhì)損耗因數(shù)測試值偏小。當(dāng)R3的值大到一定程度時，φ角再度增大，因δ=90°- φ，當(dāng)其小于0°時，tanδ＜0，即介質(zhì)損耗因數(shù)測試值為負(fù)。

2）標(biāo)準(zhǔn)電容器的介質(zhì)損耗超標(biāo)。由于測試設(shè)備本身的故障，導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常負(fù)值。

3）現(xiàn)場環(huán)境干擾。由于外界環(huán)境的影響產(chǎn)生干擾電流，如前文tan δ相量圖所示，當(dāng)外部干擾電流的投影與電壓相量同方向時，δ增大，tan δ增大；當(dāng)外部干擾電流的投影與電壓相量反方向時，δ減小，tan δ減小甚至變成負(fù)值。

4 措施和建議

對運行中的電氣設(shè)備進(jìn)行介質(zhì)損耗測試時注意事項如下：

1）測試時必須嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)程對環(huán)境條件的規(guī)定。在特殊情況下，測試結(jié)果必須考慮環(huán)境旁路電容的影響，并進(jìn)行修正。

2）運行中的電氣設(shè)備存在電氣連接關(guān)系，進(jìn)行介質(zhì)損耗測試時，必須對測試設(shè)備進(jìn)行單獨解列。若無法解列，則必須對測試結(jié)果進(jìn)行綜合評價和修正。

3）測試前必須對測試設(shè)備進(jìn)行檢查，利用標(biāo)準(zhǔn)試品對其狀態(tài)進(jìn)行檢測，保證設(shè)備內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)電容狀態(tài)良好。

4）測試設(shè)備的接地狀態(tài)必須良好且可靠，以消除過渡電阻對測試結(jié)果的干擾。

5 結(jié)語

對高壓電氣設(shè)備進(jìn)行電容量和tanδ測試時，應(yīng)注意測試環(huán)境對測試數(shù)據(jù)的影響，以準(zhǔn)確反映設(shè)備狀態(tài)的真實情況。如果出現(xiàn)異常測試數(shù)據(jù)，應(yīng)消除干擾，以保證數(shù)據(jù)符合試驗規(guī)范要求。