变压器介质损耗讲义

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1、变压器绕组连同套管介质损耗试验 一、 介质损耗的定义及意义 电介质就是绝缘材料。当研究绝缘物质在电场作用下所发生的物理现象时，把绝缘物质 称为电介质；而从材料的使用观点出发，在工程上把绝缘物质称为绝缘材料。既然绝缘材料 不导电，怎么会有损失呢？我们确实总希望绝缘材料的绝缘电阻愈高愈好，即泄漏电流愈小 愈好，但是，世界上绝对不导电的物质是没有的。任何绝缘材料在电压作用下，总会流过一 定的电流，所以都有能量损耗。把在电压作用下电介质中产生的一切损耗称为介质损耗或介 质损失。 如果电介质损耗很大，会使电介质温度升高，促使材料发生老化(发脆、分解等)，如 果介质温度不断上升，甚至会把电介质熔化、烧焦，

2、丧失绝缘能力，导致热击穿，因此电介 质损耗的大小是衡量绝缘介质电性能的一项重要指标。 然而不同设备由于运行电压、 结构尺寸等不同， 不能通过介质损耗的大小来衡量对比设 备好坏。因此引入了介质损耗因数 tg S (又称介质损失角正切值)的概念。 介质损耗因数的定义是：被试品的有功功率比上被试品的无功功率所得数值。 介质损耗因数 tgS只与材料特性有关，与材料的尺寸、体积无关，便于不同设备之间进 行比较。 当对一绝缘介质施加交流电压时，介质上将流过电容电流 11、吸收电流 12 和电导电流 13，如图所示。其中反映吸收过程的吸收电流，又可分解为有功分量和无功分量两部分。电 容电流和反映吸收过程的无

3、功分量是不消耗能量的，只有电导电流和吸收电流中的有功分量 才消耗能量。 为了讨论问题方便，可进一步将等值电路简化为由纯电容和纯电阻组成的并联和串联电 路。我们就采用它的并联电路来分析。 当绝缘物上加交流电压时，可以把介质看成为一个电阻和电容并联组成的等值电路，女口 图21 (a)所示。根据等值电路可以作出电流和电压的相量图，如图 2 (b)所示。 图 2 在绝缘物上加交流电压时的等值电路及相量图 (a)介质等值电路(b)等值电路电流、电压相量 由相量图可知，介质损耗由产生，夹角大时，就越大，故称为介质损失角，其正切值为 介质损耗为 u2 R 2 R 由上式可见，当 u、乍R一定时,C正比于，所

4、以用来表征介质损耗。 测量的灵敏度较高，可以发现绝缘的整体受潮、劣化、变质及小体积设备的局部缺陷。 二、 变压器介质损耗的目的 测量变压器绕组连同套管的介质损耗角正切 tg S时，主要用于更进一步检查变压器整体 是否受潮、绝缘油及纸是否劣化等严重的局部缺陷，以及绕组上是否附着油泥等杂质。 三、变压器介质损耗的测量方法 常用的方法有 QS1 西林电桥测量法、数字式介质损耗测试仪等。 1.QS1 西林电桥法 西林电桥的两个高压桥臂，分别由试品 ZN 及无损耗的标准电容器 CN 组成；两个低压桥臂， 分别由无感电阻 R3 及无感电阻 R4 与电容 C4 并联组成，如图 2 所示。图中 Cx, Rx

5、为被测试 样的等效并联电容与电阻，R3、R4 表示电阻比例臂，CN 为平衡试样电容 Cx 的标准，C4 为 平衡损耗角正切的可变电容。 图 3 西林电桥测量原理图 Cx | C N R3 因此，当桥臂电阻 R3，R4 和电容 CN，C4 已知时就可以求得试样电容和损耗角正切。 2数字式介质损耗测试仪 数字式介损测试仪基本测量原理是基于传统西林电桥的原理基础上，测量系统通过标准 侧 R4和被试侧 R3 分别将流过标准电容器和被试品的电流信号进行高速同步采样，经模数 (A/D)转换装置测量得到两组信号波形数据，再经计算处理中心分析，分别得出标准侧和被 试侧正弦信号的幅值、相位关系，从而计算出被试品

6、的电容量及介损值 智能型电桥的测量回路还是一个桥体，如下图所示。 图 4 智能型电桥原理图 R3 R4 两端的电压经过 A/D 采样送到计算机，求得： 试品阻抗： 进一步计算可得： 介损值可通过测量 Ux 与 Un 之间的相位计算得出 tg S值。测量相位的方法有很多种，如过 零比较法，波形分析法(FFT 变换)等等，也可采用测量有功分量和无功分量的方法来求得 tg S 值。 各桥臂的导纳为 调节 R3、C4 使电桥达到平衡时，应满足 即 F+jMx 由上式可得： x 1 为了读取方便，可令则 Cx Rx C4 若以计，则的读数就为的值。 丄 R3 j CN 注：A+jB=O 当时，试样电容&

7、可近似地按下式计算: 四、变压器介质损耗的接线方式 用上述测量方法，常用的接线方式有正接线和反接线两种。对于现场没有末屏的电气设 备，都采用的是反接线进行测量。所以变压器采用反接线方式测量。如下图所示。 图 5 反接线图 这是一种标准反接线接法，在试品接地，桥体 U 端接地，E 端为高压端，在需要屏蔽的场 合， E 端也可用于屏蔽。此时桥体处于高电位， R3、 C4 需通过绝缘杆调节。 这种方式桥体处于高电位，仪器内部高低压之间需要做好绝缘防护措施。同时操作者应站在 绝缘垫上进行操作，电桥外壳必须可开接地。 五、变压器介质损耗的影响 因素 介质损耗因素不仅受到设备缺陷和电磁场干扰的影响，还受到

8、温度、电压、频率等的影 响。 1. 温度的影响 tg S与温度的关系，随着介质的组成成分和结构的不同而有显着差异。一般不能将某一 温度下所测的 tg S准确换算至另一温度下的数值，因为不同绝缘介质或不同潮湿程度，各有 不同的随温度变化的规律。目前一些温度换算方法所得的数据也只是近似的。因此， tg S测 量工作最好在 1030C范围内并与前次测量时相近的温度下进行，且符合规程的规定： “进行绝缘试验时，被试品温度不应低于 +5C，户外试验应在良好的天气进行，且空气相对 湿度一般不高于 80%。 2. 频率的影响 当频率为零时，tg S亦为零。在一定的频率范围内，tg S随着频率的增加而增加。这

9、是由于 介质极化的时间与交流半周期时间相等时，产生的介质损耗最大。若频率再增高时，则因时 间太快，极化不完全（偶极子来不及排列），介质损耗将随着频率的增加而减少。由于电气 设备均处在 50Hz 的工作频率下，所以 tg S试验所采用的电源也应满足工频范围（通常为 45 65HZ。在异频下测量时应考虑频率对介损的影响。 3. 电压的影响 当外加电压升高时，tg S与电压无直接的关系，只有在电压上升到某一数值，即达到介质的 局部放电起始电压以上时，tg S才急剧增加。因为在一定的交变电压作用下，介质中局部 （夹杂的气泡或杂质）电场可能很强，从而首先放电，产生附加损耗，使 tg S随着电压的升 高而

10、增加。也有一部分试品在电压升至一定值时介损值出现下降的情况。因此在较高电压下 （设备额定工作电压下）测量 tg S，可以比较真实地反映设备的绝缘状况，便于及时准确地 发现设备的绝缘缺陷。 图 6 与试验电压的典型关系曲线 1 良好的绝缘 2 绝缘中存在气隙 3 受潮绝缘 六、变压器介质损耗的标准及判断 1. 当变压器电压等级为 35kV 及以上时，且容量在 8000kVA 及以上时，应测量介质损耗角正切 tg S。 2. 试验电压的选择：变压器绕组额定电压为 10kV 及以上者，施加电压应为 10kV;绕组额定 电压为 10kV 以下者，施加电压应为绕组额定电压。 3. 介质损耗角正切 tg

11、S (交接试验)执行标准按如下表 1 所示。 4. 测量的 tg S值不应大于出厂试验值的 1.3 倍。若大于，且不符合表 2 的规定，应取绝缘油 样测量tg S值，如不合格，则更换标准油，换油后 tg S值还不能达标的，则将变压器加温至 出厂试验温度并稳定 5 小时以上，重新测量，还不达标则为不合格变压器。 5. 当测量温度与出厂试验温度不同，则按如下表 2 所示换算，具体换算公式 tg S 2=Ktg 5. 当测量时的温度差不是表 2 所示时，可以按 A=1.3K/10 计算。 6. 必要时可通过观测 tg S与外施电压的的关系曲线，观测 tg S是否随电压上升，用以判断绝 缘内部有无分层

12、、裂缝等缺陷。 表 1 油浸式电力变压器绕组介质损耗角正切 tg S (%最高允许值 电压等级/kV 温度/ r 5 10 20 30 40 50 60 70 35 及以下 1.3 1.5 2.0 2.6 3.5 4.5 6.0 8.0 35 220 1.0 1.2 1.5 2.0 2.6 3.5 4.5 6.0 330500 0.7 0.8 1.0 1.3 1.7 2.2 2.9 3.8 表 2 介质损耗角正切 tg S (%温度换算系数 温差 K 5 1/ 15 20 25 30 35 40 45 50 换算系数A 1.15 1.3 1.5 1.7 1.9 2.2 2.5 2.9 3.3 3.7 注：1.表中的 K 为实际温度减去 20 的绝对值 2.测量温度以上层油温为准。