高压介质损耗测量仪量值溯源校准

/ 福建省计量科学研究院

0 引言

在电网线路中，各种绝缘材料、电力电缆、变压器、电容器和互感器等高压设备是否具备良好的绝缘性能至关重要，确保高压设备的绝缘性能处于良好状况，能够有效地保障电网线路的安全运行。在电压作用下，高压设备的电介质都会产生一定量的能量损耗，设备的绝缘性能则可以通过电介质的能量损耗的大小来衡量，在一定条件下，测量电介质损耗能够及时有效地发现电气设备绝缘缺陷[1]。当电气设备绝缘受潮或老化变质等情况出现时，电介质损耗会出现明显的异常，因此，高压设备电介质损耗的现场测量，在电力系统中被广泛应用。随着电力电网测试技术的发展及高新技术在设备制造中的应用，高压介质损耗测量仪被普遍用于对高压设备的介质损耗的测量[2]。为了保证高压介质损耗测量仪在现场测量中的量值准确可靠，研究高压介质损耗测量仪的量值溯源具有重要意义。

1 测量仪的特性简析

电介质损耗就是电介质在交流电压作用下，将部分电能转变为热能的一种能量损耗，其中电容量（C）和介质损耗因数（D）是用来衡量电介质损耗的主要参数[3]。高压介质损耗测量仪是较为常见的一种电介质损耗自动化测量的仪器，用于测量电容量（C）和介质损耗因数（D）。高压介质损耗测量仪克服了比西林电容电桥精度不高，易受外界干扰的缺点，具备更简便的操作方式，更直观自动的测量方式，更高的测量准确度，以及更强的抗干扰性能，因此被普遍应用于实现工频高电压下电介质损耗的现场测量。主要应用于各种电力电缆、电容器、互感器、电容式电压互感器（CVT）、变压器、发电机等高压设备绝缘材料和绝缘套管等的电介质损耗的测量[4]。

高压介质损耗测量仪具备正/反接线、内/外标准电容器、CVT和内/外试验电压等多种测量方式[5]。测量仪的测试性能主要体现在内置高压正反接线试验，用于测试不接地型和接地型两种试验对象。高压介质损耗测量仪具备良好的抗干扰性能，基本不受空气湿度影响，运用矢量运算和移相法与干扰补偿电路相配合的方法，有效消除外界电磁场和电压对测量准确度的影响，具备较好的测量重复性和电压线性；具备报警和防护功能，能够在高压短路和突然断电时迅速切断高压等特点[6]。

2 测量仪的结构和原理

2.1 内部结构

高压介质损耗测量仪采用便携式一体化结构，内部主要由变频调压电源，升压变压器、内置高稳定度标准电容器、介质损耗测量电路、计算机系统和其他外接辅助设备组合而成，其结构原理框图如图1所示。变频调压电源可调制频率为45～65 Hz可变电压，采用数字陷波技术，提高对工频电场对测量的干扰抑制；升压变压器最高可输出10 kV的试验电压，可实现在无外部设备情况下，内部高压测量范围内的现场测量；内置高稳定度标准电容器和介质损耗测量电路则用于实现介质损耗的量值测量，其中测量电路由标准线路和被测线路两部分组成，由内置高稳定度标准电容器和采样电路构成标准线路，而被试线路则由被测样品和采样电路构成；最后计算机系统实现介质损耗测量过程中的数字化采集、数据处理、功能运行和人机交互等。

图1 高压介质损耗测量仪的结构原理

2.2 工作原理

由变频调压电源与升压变压器输出测量试验电压，通过内置高稳定度标准电容器和介质损耗测量电路对介质损耗的量值测量，由计算机系统控制和运算，对实时采集的测量数据进行矢量运算，分别测量计算得出标准线路与被试线路之间的电流幅值及其相位的关系，从而得到被测样品的电容量（C）和介质损耗因数（D）。

当现场存在较大的干扰，影响到测量的结果时，可合理地选取不同的测量方式，可利用移相、倒相法减小干扰的影响，再根据实际情况计算，消除干扰数据，得出正确的测量结果。根据被测试品是否接地，可分两种测量方式，即正接线测量方式和反接线测量方式，测量原理如图2所示。

图2 高压介质损耗测量仪的测量原理

3 测量仪的量值溯源校准

3.1 量值溯源校准方法

参照JJG 1126-2016 高压介质损耗因数测试仪检定规程的技术要求[7]，高压介质损耗测量仪的主要量值参数是电容量（C）和介质损耗因数（D），可采用直接测量法对高压介质损耗测量仪进行溯源校准。选取由标准电容和标准电阻组合的校准装置作为标准器，按照测量接线方式的要求进行硬件连接，则溯源校准原理如图3所示。选取适当的检测试验点对电容量和介质损耗因数的示值误差进行测量，各试验点的设定如表1所示。依次测量各试验点后，得到的测量数据与标准值之间的差值即为高压介质损耗测量仪电容量和介质损耗因数的示值误差。

图3 高压介质损耗测量仪的溯源校准原理

表1 电容量和介质损耗因数的示值误差试验点

3.2 测量结果不确定度评定

依据JJG 1126-2016 高压介质损耗因数测试仪检定规程，在温度(20±5) ℃、相对湿度≤80%的环境条件下，选取高压介质损耗因数测试仪校准装置作为测量标准，高压介质损耗测量仪作为被测设备。采用直接比较法测量，先设定测量标准的电容量(Cs)和介质损耗因数(Ds)参数，再由被检设备输出规定的测量试验电压，读取被检设备测量得到的电容量(Cx)和介质损耗因数(Dx)，与测量标准示值之间的偏差值ΔC和ΔD。其测量模型为ΔC=Cx-Cs和ΔD=Dx-Ds。高压介质损耗测量仪的测量不确定度评定汇总表如表2所示。

在重复测量条件下，分别对电容量C= 100 pF、介质损耗因数D= 0.001和D= 0.01的测量点开展各10次独立重复测量，得到由重复性引入的不确定度分量u1；考虑测量标准的最大允许误差带入的影响，按均匀分布计算，得到由测量标准的最大允许误差引入的不确定度分量u2；考虑被检设备的示值分辨力带入的影响，按均匀分布计算，得到由被检设备的示值分辨力引入的不确定度分量u3。各输入量彼此独立、互不相关，则可得到合成标准不确定度uc；取k= 2，得到高压介质损耗测量仪的溯源测量的扩展不确定度U。

表2 高压介质损耗测量仪的测量不确定度

4 结语

随着高压设备电介质损耗的现场测量在电力系统中的广泛应用，以及测量技术的不断提高，更快捷、更高效、更人性化等测量功能的设计和应用，高压介质损耗测量仪的准确性和可靠性等计量性能更需得到保证，这关系到高压用电设备的安全运行、人们生命和财产的安全，因此对高压介质损耗测量仪的溯源校准，对有效保障计量性能的准确度具有重要意义。本文先作高压介质损耗测量仪的功能特性、内部结构和工作原理的分析，再进一步研究了测量仪的量值溯源校准的方法，及其测量结果不确定度的评定，为此类仪器仪表的溯源校准提供参考，对高压用电设备的现场测量具有重要的经济效益和现实意义。

[1]马磊，周琪，刘玮蔚，等.一种全自动介质损耗标准器的研发[J].电测与仪表，2011（12）：79-82.

[2]石岩，周刚.一种新型全自动数字式介损仪的设计[J].国网技术学院学报，2000，3（3）：57-59.

[3]欧小冬，王艳萍.新型AI-6000（E型）高压智能介损测试仪及其应用[J].自动化应用，2010（9）：64-66.

[4]刘洪鑫，吴锦华.电流互感器的现场高电压介损测量[J].高电压技术，2001，27（5）：78-78.

[5]陈释，曾燕波.电压对介损测试仪测试数据的影响探讨[J].四川水力发电，2015，34（s1）：105-108.

[6]刘曦，濮峻嵩，冯运，等.大电容量高压电气设备介质损耗测量装置的研制与应用[J].高压电器，2012，48（10）：17-21.

[7]全国电磁计量技术委员会高压计量分技术委员会.JJG 1126-2016高压介质损耗因数测试仪检定规程[S].北京：中国质检出版社，2016.