高压电气设备试验时介质损耗因数异常情况分析

李 瑞

（中铁电气化局京沪高铁维护管理公司，北京 100045）

关键字：电气设备；介质损耗；干扰源；预防性试验

0 引言

高压电气设备的状态关系着电力系统的安全稳定。现阶段高压电气设备状态诊断方法一般有在线式和离线式两种。在线式诊断方法通过采集运行时高压电气设备的相关电气和物理参数，由计算机利用物理模型对设备状态进行研判，不受时间、环境和运行条件的限制。该方法测试简单方便，但抗干扰能力较弱，且技术还不够成熟，测试数据需综合考虑。离线式诊断方法基于设备的结构和原理，直接对设备各部分的关键参数进行检测。该方法测试精度高，交接类和预试类测试有专门的国家和行业标准要求，但测试条件要求较高［1］。本文针对某牵引变电站高压侧电气设备试验中的异常情况，分析了介质损耗因数（tanδ）值偏小、为负的原因，提出了解决措施，以保证铁路牵引供电系统安全。

1 系统情况

铁路牵引供电系统由牵引变电站和接触网两部分构成。牵引变电站对电能进行变换、汇集和分配，相当于“人体心脏”。接触网的主要作用是输送电能，相当于“人体血管”。机车直接从接触网取得电能。

为保障运输的安全，所有电气设备都应处于健康状态，因此必须按周期对所有设备和系统进行检修和检测。为了不影响或者少影响正常的运输秩序，检修和检测应在运输间隔期间进行，这个间隔称之为天窗。天窗期间工作环境较为复杂，一般时间不会很长，且为了缩小影响范围，电气设备的停运检修遵循“最小限制”的原则。牵引变电站高压侧电气主接线图如图1所示。

图1 牵引变电站高压侧电气主接线图

2 异常情况

电气设备的检修和试验，二者互不相关，但又相辅相成。前者主要侧重于修，目的是为了让电气设备保持良好的状态，以最大限度维持其寿命，保障供电安全。后者主要侧重于试验，通过专业的检测仪器和设备，对电气设备的基本物理量进行检测，分析其变化趋势以对电气设备的状态进行评估，从而为检修方案的制定提供依据。

电气设备试验项目主要包括绝缘状态趋势和其他基本物理量的变化。前者包括耐受电压水平、绝缘数值和tanδ的变化等，后者包括断路器接触电阻、分合闸时间、电流互感器的电流比和线圈电阻等。其中tanδ是国家标准要求的针对35 kV以上的高压电气设备必需测试的项目［2］。

试验人员在对一些既有牵引变电站（所）电气设备进行周期性试验时，发现某高压电气设备的tanδ与历年数据和交接试验数据存在较大偏差，甚至出现了负值现象。电气设备tanδ数据比较情况如表1所示。

表1 电气设备tanδ数据比较情况

介质材料在强电场条件下，由于介质导电特性和介质极化的滞后效应，会在其内部形成一定的能量损耗，称介质损耗，简称介损［3］。由于不同电气设备的运行条件和自身参数不同，直接测量所得的介质损耗不能用来判断设备状态，因此引入tanδ的概念。tanδ是指给被测试电气设备施加电压后，电气设备上产生的有功功率和无功功率的比值。此比值只与材料的物理特性有关，便于对不同设备的状态进行比较。tanδ相量图如图2所示，δ1和δ2为介质损耗正切角，φ1和φ2为电流相量和电压相量的夹角（功率因素角），其中φ2为受到干扰后的负角度，为无意义的数据。

图2 tanδ相量图

使用一体化便携式介质损耗测试仪测试tanδ。测试仪内置介质损耗测试平衡电桥，仪器测量线路包括一个标准回路和一个被试回路［4］。

介质损耗测试仪对被测试设备进行测试可采用正接法、反接法和CVT法［5］。正接法和反接法测试原理相同，主要区别在于被测试设备的接地一侧是否可以解除，如可以则用正接法，如不可以则用反接法。由于反接法会受其他干扰回路电流的影响，因此测量精度略低于正接法。介质损耗测试仪正接法和反接法原理图如图3所示，其中R1、R2和Cn为测试仪结构部件的相应值，R3为接地回路的过渡电阻值，G为检流计。CVT法也称自激测量法，主要用于测量电容式电压互感器，其中C11、C12和C2为电容式电压互感器结构部件的相应值。介质损耗测试仪CVT法原理图如图4所示。

图3 介质损耗测试仪正接法和反接法原理图

图4 介质损耗测试仪CVT法原理图

对比预防性试验和交接性试验过程发现，两类试验环境条件类似，区别在于预防性试验过程中未拆除各电气设备的连接线，而交接性试验过程中各电气设备处于独立状态。以图1所示的牵引变电站为例，预防性试验过程中，测量一台牵引变压器（TR1）高压侧介质损耗因数时，断路器（QF）和另一台牵引变压器（TR2）在检测回路中；对电流互感器（TA）检测时，断路器（QF）和隔离开关（QS1）在检测回路中；对电压互感器（TV）检测时，隔离开关（QS2）和避雷器（F）在检测回路中。

3 原因分析和计算

正常情况下电气设备在运行过程中绝缘会逐渐降低，tanδ数值随之增大。如果在后续的预防性试验过程中，出现tanδ数值变小或变负的情况，排除环境因素，一般为外界干扰所致。

3.1 所测tanδ数值偏小

以牵引变压器高压侧预防性试验为例，一次引线不拆除，存在相关连接设备。牵引变压器tanδ检测等效示意图如图5所示。

图5 tanδ检测等效示意图

根据图2和图5，可得：

由于tanδ≪ 1，对式（1）联立可得：

式中：P为被测试设备有功功率；Q为被测试设备无功功率；C为试验时测试电路的总电容；R为试验时测试电路的总电阻；U为试验时施加的测试电压；ω为角速度；C1为被测试电气设备的电容；C3为试验时测试电路中的干扰电容。

在不考虑其他外部环境的干扰，只考虑被测试设备与其他设备的电气连接引线不拆除的情况下，试验回路中存在干扰回路时，根据式（1）和式（2）可得出结论：试验过程中，并联电气设备的存在导致整体电容量值C增大，tanδ值减小。另外，在恶劣环境中，例如潮湿和重度污染条件下，会在绝缘部分形成一个等效杂散电容，从而产生与并联电气设备相同的结果。

3.2 所测tanδ数值为负值

tanδ为负值的原因有以下几点：

1）仪器接地不良。若测试系统中接地状态较差，根据图5，会存在过流电阻R3，与被试设备电容C1串接在测试回路中，由式（2）可得：

式中：tan′δ为测试得出的介质损耗因数值；tanδ为实际介质损耗因数值。

由式（3）可知，由于R3的存在，将使被测试设备的介质损耗因数测试值偏小。当R3的值大到一定程度时，φ角再度增大，因δ=90°- φ，当其小于0°时，tanδ＜0，即介质损耗因数测试值为负。

2）标准电容器的介质损耗超标。由于测试设备本身的故障，导致测试数据出现异常负值。

3）现场环境干扰。由于外界环境的影响产生干扰电流，如前文tan δ相量图所示，当外部干扰电流的投影与电压相量同方向时，δ增大，tan δ增大；当外部干扰电流的投影与电压相量反方向时，δ减小，tan δ减小甚至变成负值。

4 措施和建议

对运行中的电气设备进行介质损耗测试时注意事项如下：

1）测试时必须严格遵循相关规程对环境条件的规定。在特殊情况下，测试结果必须考虑环境旁路电容的影响，并进行修正。

2）运行中的电气设备存在电气连接关系，进行介质损耗测试时，必须对测试设备进行单独解列。若无法解列，则必须对测试结果进行综合评价和修正。

3）测试前必须对测试设备进行检查，利用标准试品对其状态进行检测，保证设备内部的标准电容状态良好。

4）测试设备的接地状态必须良好且可靠，以消除过渡电阻对测试结果的干扰。

5 结语

对高压电气设备进行电容量和tanδ测试时，应注意测试环境对测试数据的影响，以准确反映设备状态的真实情况。如果出现异常测试数据，应消除干扰，以保证数据符合试验规范要求。