绝缘油介电强度测试仪校准方法

张 乐 潘 洋 孙晓光 / 上海市计量测试技术研究院

绝缘油介电强度测试仪校准方法

张 乐 潘 洋 孙晓光 / 上海市计量测试技术研究院

通过分析绝缘油介电强度测试仪的工作原理，针对常规校准中存在的问题，设计一套中间接地的双电容分压器矢量信号测量装置，可对0～100 kV的准确度为2%以下的绝缘油介电强度测试仪进行校准。解决油杯阻抗匹配问题，满足对于测试仪矢量输出量值的准确溯源。

绝缘油介电强度测试仪；矢量测量；双电容分压器

0 引言

在电力系统中，绝缘油是一种广泛应用于高压电气设备中的绝缘介质。高压电气设备在长期运行中，其绝缘油的品质会逐渐发生变化，造成设备绝缘性能不断下降。为了保证电气设备能够安全运行，对绝缘油的电气强度要进行定期测试。“击穿电压”是表征绝缘油介电强度的一项重要指标，是衡量绝缘油耐受电压能力的尺度。绝缘油介电强度测试仪（简称油耐压仪）就是电力系统中测试绝缘油耐电压强度的测试仪器。

目前，国内生产的各类油耐压仪种类繁多，但对于此类仪器的校准还缺乏相关标准，且由于其电气结构和校准方式的特殊性，无法对这类仪器进行准确校准。本文设计一套具有矢量测量功能的绝缘油介电强度测试仪校准装置，可对0 ～ 100 kV的准确度为2%以下的油耐压仪进行校准。

1 油耐压仪工作原理

目前，国内大多数生产厂家都采用了如图1所示的工作原理，可以看出在油耐压仪的内部是由两台高压变压器组成了一个高压系统，而高压的采样则是在输入端进行，并进行数据处理，使显示电压与高压侧电压成一定比例。实际上每台变压器的高端对地输出电压均为50 kV，由于采用了中间对地的对称输出[1]，因此，两台变压器之间即可产生100 kV的高压。

该工作原理可减小油耐压仪的外形和质量，使之便于携带，但是同样也带来了一些问题（图2）。

1）T1和T2两台变压器的功率都不是很大，大多数厂家将电流控制在2 mA左右，所以变压器所带负载的能力很有限。

2）工作电压的产生是由T1和T2各产生相位差180°的一个电压组成的，而仪器的测试电压在变压器的输入端，如果T1和T2电压的相位差不到180°或超过，就会造成显示电压与实际电压存在误差。

图1 油耐压仪工作原理

图2 测试电压与实际电压的矢量图

2 常规校准中存在的问题

目前国内对于油耐压仪存在两种校准方法。

1）单端测量法:打开仪器的油箱盖，取下任一电极的支撑件和绝缘套管，仅留下电极的紧固端，以交流高压表高压端的测试线接于电极紧固端，交流高压表的接地端和仪器的接地端一起可靠连接到实验室接地端。将电压升到合适的大小并保持不变。同时记录仪器的读数和高压表的读数（见图3）。高压表读数的2倍便是输出电压的标准读数。

图3 单端测量法校准示意图

2）双路输出测量法: 取下两个电极的支撑件和绝缘套管，用两个交流高压表的高压端分别连接于两个电极的紧固件上，两个高压表的接地端和仪器接地端一起可靠连接到实验室的接地端（如图4所示）。两个高压表读数之和便是标准输出电压值。

图4 双路输出测量法校准示意图

由于油耐压仪的高压输出是中间对称接地的，因此单端测量法认为仅对其中一个高压端子对地电压进行校准即可。中间抽头的目的是降低油耐压仪输出的对地电压等级，从而降低对地的绝缘等级，但是中间抽头很难做到完全的对称，所以为了减小误差，双路输出测量法采用了同时测量油耐压仪两个高压输出端子的对地电压，但由于校准结果用代数和计算而非矢量测量，必然会给校准数据带来附加误差。

另外由于大多数测试仪的功率很小，普通高压分压器的输入阻抗已经远大于其额定功率，因此校准过程很可能会发生电压跌落现象。国外在对油耐压仪进行校准时采用替代法，校准时取下油杯，放置大小相仿的校准装置，使其恰好嵌入电极的紧固端。读数通过模拟指针表示，这种校准装置设计时考虑了负载效应，但限于体积，其准确度仅为3%，只可用于10级以下的油耐压仪。

3 校准装置的原理

目前对于油耐压仪的高电压输出测量多采用高压分压器。对其输出高压进行校准存在两个难点。

1）不同类型的油耐压仪所带负载的能力不同，当高压分压器的输入阻抗超出测试仪的容量时，校准电压便会出现跌落现象。由于大多数测试仪的功率很小，一般额定电压100 kV的阻容高压分压器其高压电阻和电容约为100 MΩ、100 ～ 400 pF，而这已经超出了测试仪的容量。

2）即使某些油耐压仪的容量足够大，但根据GB/T 507-2002《绝缘油击穿电压测定法》中规定：测试仪校准时须模拟测试时仪器的实际使用状态，校准装置需要与装有绝缘油的油杯相同的阻抗[2]。因此，被测仪器和校准装置的阻抗匹配问题成为对其进行校准的主要问题。

由于被测油耐压仪的特殊结构以及上文提到的几个问题，有必要对油耐压仪进行定期校准，本文所设计的绝缘油介电强度仪校准装置的原理如图5所示。

图5 油耐压仪校准装置的设计原理

图5中，油耐压仪高压输出分别接入两个分压器的高端，经电容分压后送入12位的高速宽频A/D转换器，它具有每秒1×105次的采样速度，在CPU中完成了电压信号经数字滤波等一系列数字信号处理。由于采样数据包含高达21次的谐波信息，使得被测量的电压有效值更为准确。CPU将经过处理的信号，按照要求处理转换为数字信号，由显示器显示。

在高压采样上，采用了双高压电容分压器的方案。其中，高压器件参数的选择和控制是非常重要的，考虑到试样的工作状况，试样是通过测量其升压器的电流值的大小来判断绝缘油试样的状态。因此，若高压电容分压器的高压臂电容过大则会导致试样输出电流较大，造成绝缘油击穿的误判而不能继续升压的情况。在高压电容分压器的设计过程中，通过对元器件的选择，将两个高压电容分压器的相位差控制在5×10-4rad以内，达到总体的误差控制在0.1%的要求。

A/D转换部分，采用的是AD公司生产的AD976模数转换器，它是采用电荷重分布技术的逐次逼近型模数转换器，其结构比传统逼近型模数转换器简单，且不再需要完整的模数转换器作为核心。由于电容网络直接使用电荷量作为转换参数，而且这些电荷量已经达到了采用电容的作用，因此不必另加采样保持器。特别是由于使用电容网络代替电阻网络，消除了电阻网络中因温度变化所引起的线性误差。而且AD976的内部校准功能可以在用户不做任何调整的情况下，消除芯片内部的零位误差和由于电容不匹配造成的误差。

4 电容分压器

高压测量中通常采用分压器将高电压转换成数表可以直接读数的低电压，设计中的电容分压器一般需要满足以下要求。

1）分压比与大气条件无关；

2）分压器接入被测电路应不影响被测电压的幅值和波形；

3）由分压器低压臂所测得的电压波形应与被测电压波形相同，分压比在一定范围内应与被测电压的频率和幅值无关；

4）分压器中应无电晕以及绝缘泄漏电流，或者说极微量的电晕和泄漏电流对分压比不造成可估量的影响；

5）分压器所消耗的电能应不大，不会对电源造成大的负载效应。在一定的冷却条件下，分压器所消耗的电能所形成的温升不应改变分压比。

为了满足以上技术要求，国际标准要求对分压器进行如下几项试验[3]：确定刻度因数（分压比）的试验；线性度试验；短期稳定性试验；温度效应试验等。

线性度可采用测量高压臂和低压臂的阻抗值，通过计算求分压比。线性度试验是为了检查分压器在工作电压范围内的分压比是否恒定，即检查它在工作电压范围内是否为一线性阻抗。从原理上来说分压器可由电阻或电容元件构成，但实际上交流分压器主要采用电容式分压器。只有在电压不很高，频率不过高时才采用电阻分压器。工频电压下，电阻分压器均用在100 kV以下的情况下，考虑到电阻元件的发热和高低压臂的无感要求，同时也为了匹配油耐压仪的负载，本文采用了标准电容分压器。

因为油杯是个容性设备，而且它的结构类似于一台平板式电容，可以根据平板电容的计算方法来计算它的电容量[4]。

平板电容的计算方法：

式中：C— 电容，F；

ε0— 真空介电常数，F/m；

εr— 相对介电常数，F/m；

S— 面积，m2；

d— 极板间距，m

根据上述公式计算油杯的电容量：

真空介电常数ε0= 8.85×10-12

绝缘油的相对介电常数εr= 2.3

电极直径D= 13 mm

电极间距d= 2.5 mm

因此，油杯电容C= 9.38 pF

考虑电容的边缘效应，需对实际电容量进行修正：

油杯实际电容量C≈ 5 pF

根据计算结果，采用两台名义值为10 pF 的高压标准电容器作为高压采样的高压臂，使整个油耐压仪的相对负载约为5 pF 左右，从而模拟了油耐压仪实际使用的状态。

5 结语

传统的单端测量法和双路输出法均未考虑绝缘油介电强度测试仪中间接地的矢量电压输出方式，校准结果用代数和计算而非矢量测量，会给校准数据带来附加误差。本文针对这个问题设计了一套具有矢量测量功能的绝缘油介电强度测试仪校准装置，可对0 ～ 100 kV的准确度为2%以下的绝缘油介电强度测试仪进行校准。

[1] 崔雪英，贡照天. 绝缘油介电强度测试仪的设计[J]. 工业仪表与自动化装置，2007，3：64-67.

[2] 中国石油化工集团公司. GB/T507-2002[S]. 北京：中国标准出版社，2002.

[3] 全国高电压试验技术和绝缘配合标准化技术委员会(SAC/TC 163). GB/16927.1-2011[S]. 北京：中国标准出版社，2012.

[4] 杨书贞. 电工理论[M]. 合肥：中国科学技术大学出版社，1999.

Research on calibrating insulating oil dielectric strength tester

Zhang Le，Pan Yang，Sun Xiaoguang
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper discusses the working principle of insulating oil dielectric strength tester and the problems in the conventional calibration. The paper develops a standard device for insulating oil dielectric strength tester calibration which has the function of vector measurement. It is applied to calibrate insulating oil dielectric strength tester with 0-100 kV output voltage and with 2% accuracy for the best. It can solve the problem of impedance matching cup and satisfy with the requirement of the accurate traceability.

insulating oil dielectric strength tester; vector measurement; double capacitive divider