原创測試技術文章分享: 《介质损耗/功率因子测试鲜为人知的事实》

 2011-11-29 10:26  1787 16 16 分类: 消费电子

Dinesh Chhajer
Megger技术支持小组

除着变电站电气设备的故障率不断上升，公用设施和重工业必须着手进行预防和预测性维护，确保电力系统的完整性和可靠性。电气绝缘状况是电气设备故障的一个常见原因，而介质损耗/功率损耗/功率因子（PF）测试则经常用于诊断和估计设备老化时的绝缘状况。然而，一些PF测试的相关问题仍然未广泛被理解。

PF测试广泛应用于电气设备如电力变压器、断路器、发电机和电缆。随着时间推移找出PF值的趋势，可以帮助检测一些绝缘问题如污染、高水分含量和空隙。励磁电流测试可与 PF测试一同进行，也可以检测电力变压器绕组的绝缘故障。

损耗/功率因子与电压损耗因素测试通常在10 kV进行，或将读数转换为相当于10 kV。进行PF测试的最佳电压是一个经常辩论的话题，现时市面上的设备容许测试电压在27 V至12 kV进行。究竟哪个测试电压足以进行准确和可靠的测量呢？答案取决于测试样本的类型和测试条件。

大多数电力变压器采用油纸绝缘系统，当测试电压进行测量PF函数时，系统会表现出平坦响应。然而，马达和发电机通常有干式或固体绝缘，其PF值可能会随测试电压改变。PF值会随着测试电压提高而增加，这是由于固体绝缘中几乎一定存在的空隙所做成。PF值作为测试电压的函数上升是对应着空隙中电离的增加。

业界将测试电压标准定为10 kV的原因之一是基于抵抗静电干扰的能力。在高压变电站操作的电力变压器会受到许多电气噪音和干扰的影响，高压测试信号能提供更佳的信杂比，从而得到更精确的测量结果。在高压变电站的测量设备是要求有很高的抗干扰能力，因为绝缘测试的测试电流非常低，而干扰水平则可高达测试电流的20倍。

负功率因子值

在完美的绝缘，PF值应为零。在现实中，任何接近零的数值均被认为是表示了一个良好的绝缘系统。 PF测试设备经常尝试测量单个电容器，但如果被测的电容有一些虚拟电路，测量结果便会很奇怪。例如，当对套管、三绕组变压器或旋转机械的相间绝缘执行测试时，PF值有时会出现负数的。

PF是测量绝缘中损失的瓦特，负PF即是指产生瓦特。明显地，绝缘不能产生电力，所以负 PF值不是真的，但是这也告诉我们，绝缘没有表现为预期的电容。

图 1：于UST模式的样本与表面亏损部分

一些表面泄漏很高的样本也会出现负数值。如图 1所示，虚拟电路引入一道电流（Is），改变了测量中测试电流（IT）的相角。表面损耗电流（Is）主要是电阻（Rs），相对于施加电压而言是一个很小的相角。这个 Rs与测试中主要绝缘的并行路径可能会引致电容耦合（Cc）的出现。

图 2：含不同Is相位角和不同程度INET的向量图

表面损耗电流（Is）的相角缩小可引致负PF值。已量度的测试电流（IT）是总电流（INET）和表面损耗电流（Is）的矢量差。在UST或GST配置，这些表面损耗会令已量度的测试电流（IT）相角大于90 º，结果引致负 PF值。

了解负 PF值何来是很重要的。于一些样本而言，这只是一个设计的结果，例如，变压器绕组间存在静电接地屏蔽。在其它情况下，遇到负PF值时用家应考虑根据最佳的测试方法去除所有外在影响，如核实正确的接地电路，清洗套管外部表面，避免不利的天气情况和有效地使用屏蔽电路。假若采取这些预防措施后仍重复得到负数值，可能是由于污染或差劣的绝缘系统。

励磁电流与电压

励磁电流测试通常会与PF测试一同进行，它是一种电压依赖性测试，通常是在UST模式进行。与PF测试一样，励磁电流读数会采用线性近似的方法正常化至10 kV或同等值。当处理高电感的样本如电力变压器时，电压和电流之间的关系不会是线性的。假设以一个线性关系去确定10 kV同等的励磁只会得出近似值，因此，如果要追踪励磁电流的历史数据趋势，在相同的电压执行测试是很重要的。在不同的电压执行测试然后修正至10 kV是无可比较的。当要评估线匝绝缘的问题时，趋势数据十分重要。

图 3：使用第三脚接地的Delta绕组测量励磁电流

当在三角绕组执行励磁电流测量时，将三角配置的第三脚接地是很重要的，就如图 3所示。由于励磁电流是一个UST测试，将第三脚接地可消除在测量电路中另外两个绕组流动的电流。根据各绕组的电感和电阻，如果不将第三脚接地，测量结果将较真实读数高约30％至50％。

磁化核心变压器会表现出比正常变压器更高的测量励磁电流。 IEEE62-1995节6.1.3.4指出：「如果在测试结果中观察到一个显著的变化，唯一可排除剩磁效应的可靠方法是将变压器的核心消磁。」

这里所讨论会影响到励磁电流测量的因素，应在执行测试前紧记。

PF读数的温度修正系数

损耗因素值是十分依赖于温度的。IEEE C57.12.90节10.10.4附注3 (b) 指出：「经验证明，功率因素随温度的变化是巨大和不稳定的，因此，没有单一的修正曲线能适合所有情况。」尽管如此，传统地，修正系数表以20 ° C为基准收集所有数据，只有在相同的温度下采取一个样本的PF值，或准确地修正至相同的温度，然后采取的PF值才有比较的必要。对于不同的样本，温度变化对PF值的影响各有不同，甚至同一个样本随着老化，它对温度依赖性也随之增加。温度修正系数是高度依赖绝缘材料、其结构、老化情况、受潮或污染的存在以及其它影响因素。然而，温度修正系数是基于平均值的。由于每个测试物是独一无二的，使用这些平均修正会带来错误。

新的变压器相对地对温度的依赖性较弱，使用标准系数表会过度补偿。随着对象老化，同一个平均修正系数会不足以补偿，错误因而产生。找出PF值的趋势于下半个寿命周期变得更加关键。在这下半个寿命周期，因为温度对绝缘的影响增加了，修正系数应会更大。使用平均系数会导致不正确趋势和不准确地估计对象剩余的健康寿命。

IEEE标准62-1995指出：「应避免在低于冰点的温度进行测试，因为这可能会显著地影响测量结果。执行此测试的首要原因是检测绝缘内的水份的能力。冰和水的电气特性有很大分别，探测冰的存在比探测水的存在更难，有时更是不可能的。」于过高或过低的温度测量 PF可能导致错误，IEEE建议于接近20 ° C执行PF测试，然而，事实上并不是经常能够将试样降温或加热至20° C。

幸运的是，新技术使我们能够准确地修正PF值到20 ° C，而不需要采用修正系数表上得出的平均值。利用介电频率响应（DFR）技术，可以确定每个测试对象独一的温度修正系数，这是因为在一定的温度和频率测量的 PF会对应于在不同温度和频率下测量的PF。因此，通过在不同的频率测量PF，可以确定该测试对象对温度的依赖性。利用这种技术，PF可以在任何绝缘温度进行测量[5° C - 50° C]，然后准确地修正到20° C。

总结

电器由于绝缘老化而发生故障，一个积极主动的方法是监测绝缘系统的完整性及防止此类故障发生的关键，或至少可预期这些故障。介质损耗/功率因素诊断测试是确定绝缘质量的重要工具，同时可以估算其剩余的健康寿命。要知道耗损因素读数是取决于各种因素的，测试电压、静电干扰、温度、湿度、表面耗损及其它参数都可以大大地影响 PF测量。更好地了解这些参数的影响将有助获得更精确的测量，从而在决策过程时可以依靠。