绝缘油介电强度测试仪校准系统的分析及研究

刘 静，翟少磊， 魏 龄 ，陈文华，计光荣 ，马敏军

(1.云南电力技术有限责任公司，云南 昆明 650217；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217)

0 引言

绝缘油是应用于高压电气设备中的绝缘介质。绝缘油介电强度测试仪是用于测量绝缘油击穿电压数值的自动化设备。通过测量击穿电压可以在施加高压的情况下，对绝缘油介电强度以及外界环境因素、油中各成分对绝缘性能的影响进行研究[1-2]。现有文献中，大多采用单片机对绝缘油耐压测试过程进行控制[3-4]。在此过程中，由于外界存在强电磁干扰(electromagnetic interference,EMI)，测试过程中容易出现单片机死机现象，影响测试工作的正常进行。除此以外，文献[5]对电极电容量大小进行分析。分析结果表明，由于被测电极的电容量极小，基本在几pF，EMI将会对校准系统的计量特性产生很大的影响。鉴于此，绝缘油介电强度测试仪在设计时需要考虑系统的抗干扰性问题。

由于标准的缺失，现有的绝缘油介电强度测试仪之间存在差异性，且由于其电气结构、绝缘材料的特殊性，以及相关校准设备的缺乏和理论方法还未完善[4-5]，目前无法对这类仪器进行准确校准，绝缘油的物理特性也处于研究过程中[6-8]，现行的标准对绝缘油介电强度测试仪的校准方法说明较少[9-11]。因此，本文对绝缘油介电强度测试仪校验系统进行研究，采用高压分合终端模拟开关闭合方式使得被试仪器的高压输出端子产生油击穿过程，并针对校准系统的电磁干扰问题提出抗干扰方案，最后对校准系统进行不确定度评定。

1 绝缘油介电强度测试仪校验系统

针对传统稳态校验方式存在的问题，江钧等在指定的高电压点构造真实的击穿环境，设计一种主动击穿的变压器绝缘油介电强度测试装置校验系统[12]。该方式通过模拟绝缘油介电强度测试仪的真实工作状况，使测试结果更加客观。但高压控制回路中的负载模拟单元需要大量的实际测试，以便对真实的工况进行模拟。国外的科研机构基本采用替代法对油耐压仪进行测量，在校准时采用替代油杯的方式进行校准。但该方式由于电极间距、油杯尺寸、电极连接方式等方面存在差异，因此仅适用于Megger自身的仪器，且准确度不高，只满足10级以下的油耐压仪的校准要求[13]。文献[14]将校准装置放入油杯中，利用CPU 采集和处理电容分压器分压后的低压信号。该信号经过整流、模拟/数字(analog/digital,A/D)转换、放大修正后得到实际电压值。这种校准装置的优点在于不必取下油杯，但由于光缆传输和绝缘材料的不稳定性，导致校准装置的长期稳定性较差。

目前，国内针对绝缘油介电强度测试仪的校准主要采用基于稳态电压测量的方式。按照所接分压器的数量可以大致分为单端测量法和双路测量法，但二者在对绝缘油介电强度测试仪两个电极的高压输出值进行计算时，采用代数和的方式会对校验过程引入了附加误差。文献[15]利用CPU高速采集分压器分压后的电压信号，经过数字信号处理后得到包含谐波信息的电压有效值。考虑到击穿放电干扰及波形畸变对测量的影响，本文采用CPU高速采集分压器分压后的电压信号，并利用高压分合终端模拟绝缘油击穿和电气隔离减少干扰。

校验系统原理如图1所示。根据现行标准，采用直接比较法测量被校绝缘油介电强度测试仪输出电压的示值误差，将其电压输出端分别接校准装置的输入端，在启动仪器使电压匀速上升至稳定后，读取校准装置上的实际电压值。在绝缘油介电强度测试仪升压过程中，标准装置能实时对被试仪器产生的电压进行采样和分析，并能在被检仪器电压升至预置检定点值时由标准装置发出“主动击穿”命令，通过等效于开关闭合方式使得被试仪器的高压输出端子产生油击穿过程，从而构造出被试仪器的击穿判据。先在主机上设置校验点和校验个数，然后设置绝缘油介电强度测试仪并开始测量。当上位机显示采样数据到达预置检定点时，发出“主动击穿”命令，高压分合终端中油杯的两端连接高压开关的高压输出端，高压分合终端通过将输入的高压信号瞬间短接，使放置在分合终端内的油杯间隙放电以模拟绝缘油击穿，从而实现“主动击穿”。在发生击穿放电的过程中，采样终端以及主机由于受到冲击以及击穿放电产生强烈的电磁干扰，因此采用光电耦合器将高压部分与低压电路进行电气隔离，利用屏蔽电缆进行通信和控制联络。上位机与分合终端之间保持一定的物理距离，减少对采集终端的电磁干扰。为了避免采样终端由于干扰造成死机，加入看门狗芯片DS1232作为抗干扰的最后防线。

图1 校验系统原理图Fig.1 Schematic diagram of the calibration system

2 计量特性分析

理论测量电压与实际电压的矢量图如图2所示。

图2 理论测量电压与实际电压的矢量图Fig.2 Vector diagram of theoretical measured voltage and actual voltage

目前，国内绝缘油介电强度测试仪一般采用两台高压变压器的结构。理想情况下，输入端的显示电压与高压侧电压成一定比例。但由于两台变压器T1和T2各产生一个相位差为180°的电压[4]，假设T1和T2电压产生的相位差不等于180°，那么就会给测量结果引入误差。一般采用不确定度评定的方式,对测量结果进行评价。

计量校准平台不确定度的评定一直以来都是计量学中的传统问题。校准平台涉及的环节和参数较多，并且每个环节之间相互影响都可能成为不确定度来源。因此，采取整体原则对计量校准平台的不确定度进行评定，以平台的不确定度或主要参数的不确定度为主。在校准时，应尽量减少测量环境所带来的不确定因素对校准所带来的影响。

根据测量不确定度表示指南，将不确定度评定方法分为A类和B类。对系统不确定度评定依赖于理论依据、评定方法、可靠数据，需要综合考虑各种因素。近年来，随着现代不确定度理论的深入研究和非统计方法的引入，不断完善了传统的统计理论所存在的局限性[16-17]。

3 绝缘油介电强度测试仪校准系统的不确定度

设标准电压表测量电压为UN，被校绝缘油介电强度测试仪输出电压为UX。其中，灵敏系数c=1，则被校绝缘油介电强度测试仪输电压的示值误差Δ为：

Δ=UX-UN

(1)

绝缘油介电强度测试仪校准系统测量结果如图3所示。

图3 绝缘油介电强度测试仪校准系统测量结果Fig.3 Measurement results of calibration system of dielectric strength tester of insulating oil

文献[4]对绝缘油介电强度测试仪校准系统的不确定度进行了分析，但由于绝缘油中存在各种杂质的非均匀运动(包括油中杂质的布朗运动)等因素的影响，击穿电压的测试结果具有分散性。文献[18]针对绝缘油中的杂质对绝缘油的介电性能进行了分析。研究表明，杂质严重影响其介电性能，并且对植物绝缘油和矿物绝缘油的影响存在差异。因此，为了保证测试结果的精确度和可信度，绝缘油样品测试前静止放置一段时间，进行10次10 kV示值误差测量试验，取其平均值作为测试结果[4]。校准系统各分量不确定度如表1所示。

表1 校准系统各分量不确定度表Tab.1 Uncertainty table of each component of the calibration system

①测量结果分散性引入的不确定度分量按A类方法评定，独立测量10次10 kV点的电压值，计算其试验标准偏差为:

(2)

取其平均值作为测试结果，则试品测量结果分散性引入的不确定度分量为:

(3)

(4)

(5)

测量击穿电压的结果是在试验室标准环境下受外界(温度、环境电磁场的干扰等)以及仪表(仪表分辨率、连接点接触电阻变化等)的综合因素影响下的结果[1-2,4]。对于同一个装置而言，分辨率引入的不确定分量是一个相对固定值。在进行不确定度评定时，测量结果分散性所引入的不确定度分量与由被测仪器的分辨力所引入的不确定分量之间存在重复，取两者中较大的值[19]。

对10 kV点示值误差测量结果进行分析，计算得到扩展不确定度为0.58%，能够满足2级绝缘油介电强度测试仪的校准要求。但与检定不同，校准过程容易受到各种环境因素影响(包括温差、计算机数据处理引入的误差等)。因此，应综合考虑各方面因素对量值传递的影响。但由于绝缘材料的特殊性，其特性量值会随时间的变化而变化，因此，在对绝缘油介电强度测试仪校准系统进行评价，对其稳定性不确定度进行评估，即：考虑其长期稳定性标准不确定度和短期稳定性标准不确定度。

4 结论

针对绝缘油介电强度测试仪校准系统的不确定性，根据测量不确定度表示指南对系统不确定度进行评定，现有的系统评价体系主要采用基于统计理论的方法。虽然该方法具有普适性，但针对具体的设备，应该考虑其特殊性，例如电气结构、物理性质等。评定测量系统的不确定度时应充分考虑测量系统的动态性以及稳定性。但由于没有确定的数学模型，因此将依靠存储在主机的数据，利用趋势分析法和方差分析法等一系列方法进一步分析不稳定性引入的不确定度。