变压器电介质频率响应测试系统研制

刘 君，张华强，王 华，胡敏恒，李 波

(成都电业局，四川 成都 610041)

变压器承担着电压的转化及能量传输，是电力系统最重要设备之一，其绝缘状态关系着牵引供电系统运行的安全性及可靠性。变压器长期经受过负荷冲击，绝缘故障(尤其是绕组变形等机械作用引起的绝缘故障)的发生频率较高［1，2］。油纸绝缘状态及其性能将严重影响变压器绝缘的电气寿命和机械寿命，如何对变压器油纸绝缘状态进行评估一直是业内广泛关注的技术难题［3，4］。变压器绝缘状态评估传统测试法(如绝缘电阻测量、介质损耗正切测量等)局限于单个信息，提供的绝缘信息少，所受干扰因素多，难以建立绝缘状态与测试结果对应关系。电介质响应法作为一种新的绝缘测试方法，其研究始于20世纪80年代，90年代后回复电压法、极化去极化电流法等时域电介质响应法陆续涌现［5，6］，而频率响应法由于所获信息量大、测试电源电压低而受到广泛关注［7-9］。因此有必要开展电介质频率响应法的变压器绝缘状态评估［9，10］。下面阐释了电介质频率响应原理，研制了微电流测试系统、信号采集、信号处理、上位机软件等组成的电介质频率响应系统，并应用于现场220 kV变压器状态测试评估。

1 电介质频率响应原理

在平板电容两端加上时变电压U(t)，将产生空间均匀电场E(t)=U(t)/d，d为电极间距离。电极两端产生电位移D(t)，由真空即时贡献ε0E(t)(ε0为真空介电常数)和惯量延迟的极化响应P(t)所组成［11，12］，即

根据电介质物理，极化响应的傅里叶变换可表示为［19］

式中，ε∞为极高频介电常数;ω为角频率;χ(ω)为频率相关的复极化系数。

由于麦克斯韦方程式定义的全电流包括电导电流及位移电流［19］，即电流密度为

式中，σ0为直流电导率，式(3)的傅里叶变换为

式中，ε'(ω)为复介电常数 ε(ω)实部;ε″(ω)为虚部;复极化常数的实部表示了位移电流与激励电场垂直的部分，对损耗无贡献;而其虚部给出了位移电流与激励电场同相位的部分，为损耗部分。因此，极化过程可以通过测试激励电压下的响应电流幅值和相位来研究［11，12］。系统响应电流为

式中，I(ω)为响应电流;U(ω)为激励电压;C0为几何电容;C'(ω)、C″(ω)分别为复电容 C(ω)的实部及虚部。在不同频率范围内，油纸复合绝缘老化、温度、微水含量将改变其值。

2 电介质频率响应测试系统

所研制的电介质频率响应测试系统包括微电流测试系统、信号采集、数据处理、上位机软件等，图1为装置系统图。

图1 电介质频率响应测试系统图

2.1 微电流测试系统

变频驱动系统采用XD5A超低频信号发生器，频率范围为0.001～1000 Hz，误差为＜1.5%，最大输出电压/电流为100 V/50 mA，正弦信号失真度为＜0.2%。如果测试对象的电容为1000 pF，根据欧姆定律，流过试样电流为

在0.001 Hz，驱动电压100 V情况下，流过的电流为0.628×10-9A。因此，响应信号非常微弱，测得的信号非常容易受到外界噪声干扰。因此，对信号提取以及信号调理电路要求非常高。

(1)信号提取

根据图1所示的电介质频率响应现场测试系统图，测试对象为流过待测试样的微电流。为方便测量，通过I-V转换电流将待测电流信号转换为电压信号。反馈电流放大型测量电路在频率响应特性及转换线性方面的优异性能，测量电路的设计是基于反馈式电流放大器型I-V转换电路，如图2所示。根据电路原理，可以得出

图2 I-V转换电路原理

根据需要放大倍数，通过选取适当的Rf值即可实现。微电流测试时，运放的输出误差还受失调电压VOS、偏置电流Ib影响，选择的运放需满足:偏置电流Ib＜被测电流Is，输入阻抗Ri＞＞反馈电阻Rf;增益、共模抑制比高;失调电压及漂移小;噪声小。因此，根据以上所提到的对运放的要求，该测试仪选用TI公司的OPA128LM低噪声放大器。

(2)信号放大

由于Rf一般达到M级，其杂散电容使测试信号产生畸变。图3所示的电路为杂散电容消除电路，其中Cf为电路中的杂散电容，R1与C1为外加的RC网络。通过调整电阻R1和电容C1的取值，使其满足

从而达到消除寄生电容的影响。

图3 杂散电容消除电路

由于待测电流信号为10-9A，所需放大倍数较高，设计两级放大电路。系统电路如图4所示，通过一个500 MΩ电阻和120 pF的电容的并联电路作为油纸复合绝缘的模型，Rf为10 MΩ，其引入的杂散电容通常为0.5 pF，则根据式(5)～(3)选取R1为5 kΩ，C1为1 nF配合组成杂散电容消除电路;在第二级放大电路中，放大倍数为R3/R2=10，其阻值分别为100 kΩ和10 kΩ，由于这两个电阻为kΩ级，故其杂散电容可忽略不计，微电流测试电路如图4所示。

图4 系统电路原理图

2.2 数据采集

数据采集是采用NETVI-4712型8通道数据采集仪。其采样频率为2.5 K～50 M，A/D分辨率为12 bit，直流精度为±0.2%(FS)，交流精度为 ±0.5%(1000 Hz)，通道间相差 ＜1°(3 ×105Hz)，输入信号带宽为0～15 MHz。采集软件是基于DaqView 2.11为基层软件开发，系统能够对不同频率条件下的介质响应信号采集，其采集界面如图5所示。

图5 数据采集界面

2.3 上位机软件

采用C++builder编制上位机软件，对采集信号进行处理。通过几何可换算为复介电常数，通过测试输出电压与微电流幅值及相角差来计算待测对象复电容的实部及虚部，并可通过几何C0按式(6)换算为复介电常数。输出电压与微电流之间的相角利用过零比较法得到，上位机界面如图6所示。

所建立的电介质频率响应现场测试系统如图7所示。系统测试频率范围为0.001～1000 Hz，最大输出电压/电流为100 V/50 mA，测试对象范围为100 pF ～100 μF。

图6 测试系统上位机软件界面

图7 电介质响应现场测试系统

3 变压器电介质频率响应测试

基于电介质响应的基本原理，选取两台220 kV油浸式变压器进行电介质响应测试，进行电介质频率响应测试评估。1号变压器投运时间为2009年9月，2号变压器投运时间为2004年8月。变压器停电后，解除连接在变压器高低压套管的所有引线，将变压器整体隔离，低压侧套管并联，高压侧套管并联，对高低压套管间变压器主绝缘进行电介质频率响应测试，接线方式如图8所示，测试结果如图9所示。

由图9可以看出，所研制的变压器电介质频率响应测试系统能有效地测试出220 kV变压器主绝缘电介质频率响应。由于1号主变压器投运时间较2号主变压器晚5年，测试结果能反映出1号主变压器绝缘状态优于2号主变压器。

图8 现场接线原理图

图9 变压器高低压绕组主绝缘电介质频率响应

4 结论

根据电介质理论，阐释了电介质频率响应原理，研制了微电流测试系统、信号采集、信号处理、上位机软件等组成的电介质频率响应系统，并应用于现场220 kV变压器主绝缘电介质频率响应测试。所研制的变压器电介质频率响应测试系统能有效地测试出220 kV变压器主绝缘电介质频率响应。测试结果能反映其绝缘状态。

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