國網(wǎng)陜西省電力有限公司超高壓公司 劉 鑫 李星羽

1 引言

高壓電氣設(shè)備是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備之一，由于運行過程中電壓較高，存在一定的運行風(fēng)險，若高壓電氣設(shè)備出現(xiàn)運行事故，對整個系統(tǒng)會造成較為嚴重的影響。為此，日常工作中應(yīng)嚴格進行高壓電氣設(shè)備的監(jiān)測和故障診斷，以保證電氣系統(tǒng)的安全。常用的診斷方式包括在線監(jiān)測和離線監(jiān)測，在線監(jiān)測方法會利用監(jiān)測設(shè)備和通信系統(tǒng)向控制中心傳輸高壓電氣設(shè)備的電氣參數(shù)和物理參數(shù)，計算機利用數(shù)據(jù)和建模運算結(jié)果對設(shè)備的狀態(tài)進行分析，以及診斷故障，該方法要求通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定，而且不會受到時間和環(huán)境的有關(guān)限制。雖然在線監(jiān)測比較簡單，但是也容易受到干擾影響，而且一些建模技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)并不成熟。

離線診斷方法以設(shè)備的結(jié)構(gòu)和運行原理為基礎(chǔ)，直接監(jiān)測設(shè)備中的各種關(guān)鍵參數(shù)和數(shù)據(jù)，該方法精度高，同時國家對該方法也提出了嚴格的要求，對測試條件要求也高。在測試工作中，可能會出現(xiàn)介質(zhì)損耗因數(shù)數(shù)值偏小甚至為負數(shù)的情況，為了保證高壓電氣設(shè)備的安全，必須采取解決措施。

2 高壓電氣設(shè)備試驗介質(zhì)損耗因數(shù)概述

電氣設(shè)備的檢修和試驗雖然并不直接相關(guān)，但也有相輔相成的關(guān)系，檢修工作在于修復(fù)電氣設(shè)備，以保障電氣設(shè)備具有良好的工作狀態(tài)，延長設(shè)備的工作壽命和保障系統(tǒng)安全。試驗在于使用專業(yè)設(shè)備進行電氣設(shè)備運行期間各種物理量的檢測工作，并分析各類物理量的變化方式、變化趨勢，根據(jù)變化完成對系統(tǒng)狀態(tài)的評估，評估結(jié)果也會作為檢修人員的依據(jù)[1]。電氣設(shè)備的試驗項目包括絕緣狀態(tài)檢測，以及其他物理量變化的檢測，絕緣狀態(tài)包括絕緣的耐電壓水平、絕緣數(shù)值、tanδ等數(shù)值的變化，其他基本物理量變化檢測中會對斷路器的接觸電阻、分合閘時間、電流互感器電流比、線圈電阻等進行檢測。其中，tanδ的測量是國家要求的面向35kV以上高壓電氣設(shè)備的必須測試項目。

試驗工作中，試驗人員要對既有牽引變電站進行周期性試驗時，發(fā)現(xiàn)某高壓電氣設(shè)備的tanδ數(shù)值和歷年數(shù)據(jù)相比差別比較大，而且出現(xiàn)負值狀況。通過分析，由于強磁場的作用，介質(zhì)材料會出現(xiàn)極化等情況，造成介質(zhì)材料性能下降和出現(xiàn)損耗[2]。對于不同電氣設(shè)備，由于運行參數(shù)、運行條件存在較大的區(qū)別，所以直接測量獲得的介質(zhì)損耗并不能直接用于對設(shè)備運行狀態(tài)的判斷，所以目前都是通過引入tanδ概念進行更為精確的分析。tanδ是被測電氣設(shè)備在施加電壓之后電氣設(shè)備的有功功率和無功功率比值，比值只取決于材料的特性，適合對不同設(shè)備的狀態(tài)進行比較。

在使用一體化便攜式介質(zhì)損耗測試儀測試tanδ時，測試儀的內(nèi)置介質(zhì)損耗測試平衡電橋，儀器會對標準回路和被測賄賂進行測量。測試設(shè)備時可以使用正接法、反接法、CVT法，其中正接法和反接法的測試原理是一致的，主要區(qū)別在于被測試設(shè)備接地一側(cè)是否可以解除，如果可以則使用正接法，如果不可以使用反接法[3]。實際工作中，反接法會受到干擾回路電流的影響，所以測量精度相比正接法更低。

3 介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)負數(shù)問題分析

3.1 介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)負值

介質(zhì)損耗因數(shù)tanδ是電氣絕緣的重要參數(shù)，根據(jù)該數(shù)值可以判斷電氣的絕緣狀況。實際的測試試驗中，由于各種因素的作用，會導(dǎo)致介質(zhì)損耗因數(shù)出現(xiàn)偏差，其中一部分甚至可能直接導(dǎo)致最終結(jié)果為負值，根本不存在物理意義。在一些問題比較嚴重的情況下，tanδ測試結(jié)果甚至?xí)霈F(xiàn)負值，導(dǎo)致最終的測試結(jié)果無效[4]。圖1為tanδ在正值和負值的向量圖。

在圖1中，是無損耗標準電容器的電流，超前電壓為90°，是試品電容電流，夾角δ是介質(zhì)損耗角。在試品的電容不會出現(xiàn)損耗時，由于δ為0°，因此tanδ為0。介質(zhì)經(jīng)過長期使用會出現(xiàn)損耗，所以在正常狀態(tài)下，測試獲得δ會大于0°，tanδ也為正值[5]。但是也有可能出現(xiàn)測試問題，導(dǎo)致相位差在90°以上，使得一部分有功分量和電壓相反，最終tanδ為負值。對于測試而言，tanδ的負值時沒有意義，因此在冊似乎中需要找到原因并采取措施消除。

3.2 tanδ負值原因分析

3.2.1 外部電流作用

如果測試過程中有外部電流在電壓上投影了和電壓相同的方向，δ的角度則會增大，導(dǎo)致tanδ增大，如果干擾電流在電壓向量上的投影和電壓方向相反，則會導(dǎo)致δ為負值。

3.2.2 測量儀器標準電容器介質(zhì)損耗過大

試品電流在正常情況下落后于標準電容電流，但如果標準電容也損耗，有可能造成電流角度出現(xiàn)小于90°的情況，此時tanδ相比實際情況更小。在標準電容損耗極為嚴重甚至超過試品時，就會出現(xiàn)δ為負值的情況。由于標準電容器介質(zhì)損耗通常都比較小，因此由于標準電容器損耗所導(dǎo)致的tanδ成為負值的可能性相對較小。

3.2.3 測量時測量儀的接地問題

使用正接法此測量電壓互感器的一二次繞阻tanδ時，如果一二次繞阻沒有損耗，在儀器出現(xiàn)接地不良時，就容易在儀器接地不良電阻的影響下導(dǎo)致tanδ的測試值偏小，甚至出現(xiàn)負值的情況。

3.2.4 電磁式電壓互感器接地鐵心接觸不良

對于鐵心直接接地電磁式電壓互感器，使用正接法測量一次繞阻對二次繞阻的介質(zhì)損耗時，如果出現(xiàn)接地不良的情況，就會產(chǎn)生接地電阻。這類測量的問題和測量儀接地問題類似，也會造成tanδ的數(shù)值偏小以及，甚至出現(xiàn)負值的問題。

3.2.5 電容式電壓互感器電磁單元影響

用正接法進行電容式互感器分壓電容的tanδ時，變壓器和諧振器所產(chǎn)生的感抗作用，鐵心的損耗都會影響測量精確性。在測量tanδ時，在多分布式電容在繞阻上產(chǎn)生的壓降和鐵心損耗比較小時，如果絕緣介質(zhì)本身的損耗也比較小，因此較小的鐵心損耗一般也會導(dǎo)致比較嚴重的檢測結(jié)果影響。如果測量工作中，中間變壓器的二次繞組短接，二次繞組路電流就會產(chǎn)生比較強烈的去磁作用，使鐵心的磁通量降低到零，支路只剩下部分電流時，獲得的結(jié)果和正常的測量結(jié)果基本一致。

3.2.6 電動行電流互感器阻抗影響

試品會存在一定的雜散阻抗，主要來自電容表面和表面的絕緣電阻，簡化后可以等值為如下入所示的電路。

圖2中的C1、R1、C2、R2表示試品為多層電容屏串聯(lián)電阻，C0、R0分別為試品電容層對地的雜散耦合電容和電阻，等值阻抗為Z1、Z2、Z0。根據(jù)tanδ=P/Q，其中P為試品的有功損耗，Q為試品的無功損耗。在雜散電阻抗Z0處于純電阻和純電容之間時，如果Z0的阻抗角大于Z2的阻抗角，Z0和Z2并聯(lián)之后的無功損耗增大將會大于有功損耗，而且tanδ會有所減小，對Z0可以按照純電容進行分析。

在使用反接法測量雜散阻抗時，反接法測量時試品和雜散阻抗相當于在電路中添加了一個電容，Z0為純電阻時，相當于增加了有功損耗，因此tanδ的值會有所增加，導(dǎo)致tanδ減小。

3.3 消除介質(zhì)損耗因數(shù)偏小的問題部分措施

為了控制外來電流造成的干擾，一般通過電源倒相和變頻法控制外部電流影響；在測試工作中，應(yīng)注意測量儀器的接地直接在被測試品的金屬底座上，而且要保證有效接觸。測量變壓器類設(shè)備時，必須短接設(shè)備放置電感和鐵心的損耗影響測量結(jié)果。測試設(shè)備、試品都要滿足干燥要求，屏蔽外部泄露時，有限選擇屏蔽環(huán)以外的設(shè)備。為了避免出現(xiàn)干擾，被測試品周圍應(yīng)清除腳手架等可能影響電磁場的物體，有效控制分布阻抗。最后，實驗試品的引線和被測試品的夾角應(yīng)該控制在90°，減小陰險和試品間分布電容的作用。

4 系統(tǒng)概況

本文對某鐵路牽引供電系統(tǒng)的高壓電氣設(shè)備進行試驗檢測，牽引供電系統(tǒng)包括變電站和接觸網(wǎng)，牽引變電站能進行變換、匯集和分配，接觸網(wǎng)的作用在于向機車輸送電能，機車采取直接從接觸網(wǎng)獲得電能的方式。為了保障運輸安全，必須確保牽引供電系統(tǒng)的所有電氣設(shè)備都處于健康運行狀態(tài)，所以必須按照周期對系統(tǒng)進行檢測和檢修工作。為了避免對正常運輸秩序造成影響，檢修和檢測工作需要在運輸間隔進行，運輸間隔在鐵路系統(tǒng)中也被稱為天窗。天窗期間的工作環(huán)境較為復(fù)雜，同時時間也較短，為了能控制影響范圍，電氣設(shè)備的停運檢測工作也必須遵循最小限制的原則。圖3為牽引變電站高壓側(cè)電氣主接線圖。

5 異常狀況和處理

5.1 系統(tǒng)異常狀況

試驗工作中，試驗人員要對既有牽引變電站進行周期性試驗時，發(fā)現(xiàn)某高壓電氣設(shè)備的tanδ數(shù)值和歷年數(shù)據(jù)相比差別較大，而且出現(xiàn)負值狀況。通過對比預(yù)防性試驗和交接性試驗過程，兩種試驗的環(huán)境比較類似，區(qū)別在于干預(yù)性試驗過程中沒有拆除各個電氣設(shè)備的連接線，交接性試驗過程中，各種電器設(shè)備都處于獨立狀態(tài)。對牽引變電站進行預(yù)防性試驗的工作中，測量一臺牽引變壓器高壓側(cè)介質(zhì)損耗因數(shù)時，斷路器和另一臺牽引變壓器在檢測回路中。對電流互感器進行檢測時，斷路器的隔離開關(guān)在檢測回路中；檢測電壓互感器時，隔離開關(guān)和避雷器都在檢測回路中。

5.2 出現(xiàn)異常的原因分析

正常情況下電氣設(shè)備在運行過程中，絕緣會逐漸老化導(dǎo)致絕緣數(shù)值降低，tanδ的數(shù)值也會逐漸變化，在后續(xù)的預(yù)防性試驗工作中，如果出現(xiàn)tanδ變小或者達到負數(shù)的情況，排除環(huán)境因素，主要來自外界的干擾。對于所測tanδ數(shù)值偏小的情況，以牽引變壓器高壓側(cè)的預(yù)防性試驗為例，在一次引線不拆除，存在相關(guān)設(shè)備的情況下，并聯(lián)電氣設(shè)備的存在導(dǎo)致整體電容量值增加，并造成tanδ降低，同時如果處于惡劣環(huán)境中，比如環(huán)境存在污染和比較潮濕時，會在絕緣部分形成等效雜散電容，造成相同結(jié)果。對于tanδ數(shù)值為負值的情況，需要注意現(xiàn)場環(huán)境的干擾，儀器是否存在接觸不良，同時也要注意標準電容器介質(zhì)自身是否存在損耗超標的問題，尤其檢測設(shè)備出現(xiàn)故障，就會導(dǎo)致tanδ出現(xiàn)負值。

5.3 高壓電氣設(shè)備試驗介質(zhì)損耗因數(shù)測試建議

為了保障測試結(jié)果的精確性，在測試工作中應(yīng)該嚴格遵循相關(guān)環(huán)境條件的規(guī)定，尤其要充分分析周圍旁路電容的影響，并通過計算進行修正，獲得較為精確的結(jié)果，由于運行過程中電氣設(shè)備之間存在電氣連接的關(guān)系，所以對介質(zhì)損耗進行測試時，必須對測試設(shè)備單獨解列，如果不能解列，就需要進行測試結(jié)果的綜合評價以及修正。測試工作開始前，需要注意對測試設(shè)備的檢查，并使用標準試品進行狀態(tài)檢測，避免設(shè)備內(nèi)部標準電容存在損壞。

6 結(jié)語

對高壓電器設(shè)備介質(zhì)損耗因數(shù)進行測量時，需要對tanδ形成正確認識，并做好測試過程中的控制工作，保障現(xiàn)場測試結(jié)果的精確性。測試人員需要知曉各種對介質(zhì)損耗因數(shù)異常情況產(chǎn)生影響的因素，尤其加強對環(huán)境因素對測試數(shù)據(jù)影響的控制，確保測試結(jié)果可以反映數(shù)據(jù)的真實情況。如果發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)存在異常，需要分析異常出現(xiàn)原因并采取措施消除干擾，保障測試結(jié)果滿足規(guī)范要求。同時，測量人員也要不斷積累經(jīng)驗，尋找解決異常數(shù)據(jù)的測試技術(shù)，提升介質(zhì)損耗測量數(shù)據(jù)的精確性。