高电压介损测量在并联电容器状态诊断中的应用

刘旭

(国网福建省电力有限公司检修分公司，福州 350003)

1 前言

随着电网规模的日益增大，电压等级不断提高，对断路器开断能力提出了越来越高的要求，多断口断路器因而被广泛采用。多断口断路器断口间并联有电容器，以改善断口间不均衡的电压分布，提高断路器的整体耐压水平和绝缘水平。

近年来，膜纸复合绝缘的断路器并联电容器应用较为广泛，但受内部绝缘介质杂质分布结构、外部表面泄漏及周围环境干扰等影响，在10 kV常规电压下的介质损耗因数会出现超规定值的情况，影响对设备绝缘状态的判断。随着相关研究的深入，该问题通常归结为受Garton效应影响［1－5］，即在含有纸的绝缘介质 (或塑料及油的混合介质)中，在较低电压下，介质损耗角的正切值的变化比在较高电压下的值高1～10倍。通过提高测试电压，进行高电压下的介损测量，理论上说应能有效消除Garton效应影响［6－8］，有助于诊断并联电容器的真实绝缘状态，避免误判。

2 常规电压介损测量

2.1 测试电压规定

介质损耗因数测量是判断电气设备绝缘状况的有效方法，绝缘能力的下降直接反映为介损的增大，它能发现设备绝缘受潮、绝缘油受污染、劣化变质、小体积被试设备贯通等缺陷。国网状态检修规程［9］中指出: “除特别说明，所有电容和介质损耗因数一并测量的试验，试验电压均为10 kV”，即常规介损测量电压为10 kV，目前例行试验所广泛使用的变频抗干扰介损测量仪最高测试输出电压也通常为10 kV。

2.2 现场介损超标问题

某站500 kV ABB断路器并联电容器10 kV介损测量时，发现其A相靠I段母侧并联电容器tanδ测试值为0.68%，超出国网状态检修规程中对膜纸复合绝缘≤0.25%(油浸纸绝缘≤0.5%)的规定。为排除试验方法的原因，试验人员使用变频抗干扰介损测量仪，分别进行了高空接线钳接线的反接法 (方法一)、高空接线钳接线的正接法 (方法二)、直接接线并处理表面油漆的正接法［10］(方法三)、直接接线并处理表面油漆的倒序法 (方法四)、直接接线并处理表面油漆的固定频率正接法 (方法五)等5种接线方式测试。测试结果如表1所示:

表1 低电压介损测量结果

可见，在常规10 kV测试电压下，试验接线方法的改变，对tanδ和电容量值影响较小，且多次测试数据的重复性较差，tanδ值依然超出标准要求。

3 高电压介损测量

良好的绝缘在允许电压范围内，其介质损耗值应不受电压变化影响，接近设备额定电压下的介损测量，能更真实的反映实际绝缘状况。国网状态检修规程中也提出了对介质损耗因数超过注意值的，可开展额定电压下的介损测量，同时测量tanδ－U曲线以作参考，进一步诊断设备绝缘情况。

3.1 高压介损测量原理

为判断上述断路器断口并联电容器tanδ增大是受Garton效应影响还是电容器本身绝缘缺陷引起，使用普华AH2801型高电压介损测试仪，进行了高电压下的介损测量。

该试验装置适用于谐振升压和试验变升压。谐振方式升压时，电桥可自动寻找谐振点完成升、降压测量;试验变升压时，测量主机控制调节电压，可使用双变频法实现抗干扰。整套装置重量轻、升压方式灵活，能满足现场试验容量需求及携带要求。高电压介损测试仪测量原理如图1所示:

图1 测量原理图

该试验装置高压测量电桥可多通道同时测量，最多可设置2个反接通道、4个正接通道同时测量。

3.2 tanδ－U曲线测量及数据拟合

应用正接法接线测量，采取变频串联谐振升压、均匀分段加压的方式，先升压至100 kV左右后再进行降压测量，以获得完整的tanδ－U数据。对升压过程tanδ－U数据进行最小二乘法高斯拟合，可得:

完整的tanδ－U拟合曲线如图2所示:

图2中，tanδ－U曲线并不为水平直线，升压过程，介损值先是缓慢增长，随后开始迅速下降，当电压大于70 kV时，则进入平缓变化阶段;降压过程，在电压高于40 kV时，介损值变化较为平缓，在0.1%上下波动，当电压继续降低，介损值则与电压值近似成线性降低。

图2 拟合曲线

可见，介损变化规律与Garton效应的描述相符，在较低电压下，介质损耗角的正切值的变化比在较高电压下的值高许多倍。

4 tanδ－U变化规律及形成原因

4.1 绝缘材料影响

研究表明，膜纸复合绝缘的并联电容器油介质为有机合成绝缘油，比油纸绝缘电容器选用的矿物油更容易溶解一些杂质［11］。目前常用国产电容器，绝缘油多采用变压器油，其产生的胶体型带电粒子较少，主要是离子型带电粒子，这类设备中，Garton效应影响相对较小，测试数据随电压变化通常不大。

而某些进口断路器并联电容器，如ABB、SIMENS及AREVA等并联电容器，其绝缘材料产生的胶体型带电粒子则较多，胶体型带电粒子在交流电场作用下的运动易受到纸纤维阻拦［12］，这种阻拦具有随电场强度增加而减小的规律，导致受Garton效应影响较大，测试数据随电压变化较大。

4.2 外电场强弱影响

并联电容器介质绝缘 (油纸或膜纸复合绝缘材料)浸渍剂中含有的杂质，尤其是离子杂质，影响着tanδ的大小。介质在外电场下的能量损耗有电导损耗、极化损耗和游离损耗三种基本形式，其中电导损耗分量起决定作用［13］。

电容器元件极板间被各层固体介质分隔出若干个区域，浸渍剂中的离子充斥其中。无外电场时，正负离子无序运动，不消耗能量;有外电场时，正负离子随电场方向的交替改变在狭窄的空间来回运动，产生损耗。

外电场较弱时，如图2中10 kV～20 kV电压区段，离子运动速度很慢，此时电导损耗随电压的增加而增加。当电压仍然上升，如图2中20 kV～70 kV电压区段，由于带电粒子的运动空间受限，这时有功损耗P不再增加，而无功功率Q随着电压平方快速增加，因而tanδ随着电压的上升而开始下降。

外电场较强时，如图2中70 kV～100 kV电压区段，浸渍剂中电离或碰撞电离等产生的带电粒子不断增加，使得液体电导率变大，泄漏电流增大，发热增多，此时有功损耗P的增加大于无功功率Q的增长，因而tanδ开始随着电压的上升而增大。

外电场极强时，往往是超出一定极限后，除了电导损耗外，还会有油中气隙电离所引起的损耗。一旦绝缘油分解产生气泡，击穿场强低的气泡将比油先电离，这又使气泡温度升高，体积膨胀，从而扩大了气体通道，最后发生击穿，导致tanδ急剧上升。

5 结束语

目前，膜纸复合绝缘断路器并联电容器在电力系统中应用广泛，常规10 kV电压下的介损测量受Garton效应影响，在不同电压下的介损值变化较大，难以真实的反映设备绝缘状况。

对例行试验中介损超规定值的并联电容器，不应草率的断定为其内部存在绝缘缺陷，可开展逼近额定电压的高电压介损测量，克服Garton效应的干扰，并通过绘制完整的tanδ－U曲线进行数据的拟合处理，进一步诊断并联电容器真实绝缘状态，避免误判断造成时间和经济上的损失。

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