電壓擊穿試驗(yàn)儀技術(shù)方法分析
電壓擊穿試驗(yàn)儀技術(shù)方法分析 （供應(yīng)：體積電阻率表面電阻率測(cè)試儀）
1 測(cè)試方法 1.1 標(biāo)準(zhǔn)的比較
目前關(guān)于絕緣油擊穿電壓測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)比較常用的有GB/T507—1986《電氣用油絕緣強(qiáng)度測(cè)定法》和DL/T429—1991《電力系統(tǒng)油質(zhì)試驗(yàn)方法》，其中GB/T507—1986主要參照IEC156《絕緣油電氣強(qiáng)度測(cè)定方法》制定，與IEC156差別很小。
GB/T507—1986和DL/T429—1991這兩種標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法（前者簡(jiǎn)稱“方法一”，后者簡(jiǎn)稱“方法二”）差別較大，主要差別有兩點(diǎn)：一是電極形狀不同，方法一采用球形和球蓋形電極，方法二的電極為平板圓形;二是測(cè)定油杯容量不同，方法一規(guī)定油杯容積為300～500mL，而方法二規(guī)定油杯容積不得小于
200mL（DL/T429—1991的附錄中另有小電極、小油杯、小間隙的試驗(yàn)方法）。
在DL/T429—1991中有一條注釋：“經(jīng)過(guò)濾處理，脫氣和干燥后的油及電壓高于220kV以上的電力設(shè)備，應(yīng)按GB507《電氣用油絕緣強(qiáng)度測(cè)定法》，采用球蓋形電極進(jìn)行試驗(yàn)。
”這兩種方法的應(yīng)用在相關(guān)變壓器油質(zhì)量測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)中有明顯的規(guī)定：GB/T2536—1990《變壓器油》和SH0040—1991《超高壓變壓器油》中規(guī)定擊穿電壓的測(cè)定采用方法一;在GB/T7595—2000《運(yùn)行中變壓器油的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定擊穿電壓的測(cè)定采用方法一或方法二;在GB/T50150—1991《電氣設(shè)備安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定絕緣油的電氣強(qiáng)度試驗(yàn)采用方法一，但試驗(yàn)電極采用平板圓形電極。
1.2.1 現(xiàn)狀 （電壓擊穿試驗(yàn)儀）
據(jù)筆者調(diào)查了解，目前國(guó)內(nèi)電力行業(yè)，尤其是供電系統(tǒng)和安裝系統(tǒng)，絕大多數(shù)采用方法二測(cè)試絕緣油擊穿電壓，即以平板倒角形電極和較小的油杯進(jìn)行測(cè)試，但又忽略了DL/T429—1991中的注釋，無(wú)論是什么狀態(tài)的油，從什么電壓等級(jí)的電氣設(shè)備中采集的油樣，統(tǒng)統(tǒng)都用方法二進(jìn)行測(cè)試。
1.2.2 原因分析
在電力系統(tǒng)中基本上采用方法二測(cè)試絕緣油擊穿電壓，這種狀況的形成有歷史沿革的原因，也有方法一用油量大的原因。
多年來(lái)，各用油部門一直采用方法二進(jìn)行擊穿電壓的測(cè)試，相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)備（如電極、油杯）都為適應(yīng)方法二而設(shè)計(jì)。
要嚴(yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)不同油樣，隨時(shí)更換油杯、電極，必須對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行更新改造，這給試驗(yàn)人員增添了許多麻煩。
絕大多數(shù)情況下，試驗(yàn)人員就用一種電極、一種油杯測(cè)試所有油樣，若試驗(yàn)結(jié)果能滿足不同等級(jí)要求的絕緣油擊穿電壓標(biāo)準(zhǔn)，這也是一種不錯(cuò)的選擇，而且不會(huì)產(chǎn)生任何分歧，但是，如果測(cè)定值介于合格與不合格之間，麻煩就出現(xiàn)了。
例如，需測(cè)定一臺(tái)500kV運(yùn)行中變壓器油的擊穿電壓，采用平板倒角形電極和小油杯，以及相配套的升壓設(shè)備等試驗(yàn)設(shè)備，電極之間距離2.5mm，測(cè)定的結(jié)果為46 k V，這顯然不滿足GB/T7595—2000規(guī)定的擊穿電壓不小于50 kV的要求。
但是此時(shí)并不能判斷此油樣不合格，因?yàn)榘凑誅L/T429—1991中的注釋規(guī)定，電壓高于220kV的電氣設(shè)備的油擊穿電壓試驗(yàn)應(yīng)按方法一進(jìn)行。
要判斷此油樣是否合格，就必須再取樣，用球蓋形電極
和大油杯進(jìn)行試驗(yàn)。這樣無(wú)疑給試驗(yàn)工作帶來(lái)更大的麻煩。
有些單位則采取加深本體油處理的手段，仍用平板倒角形電極，直至測(cè)定值合格為止。
這樣做使絕緣油的絕緣性更可靠，但卻加大了處理成本，是極不經(jīng)濟(jì)的。
用平板倒角形電極、球形電極和球蓋形電極測(cè)得的擊穿電壓值有顯著的差異，GB/T7959—2000附錄B中對(duì)采用3種電極測(cè)定的擊穿電壓值進(jìn)行了比較：采用球形電極比采用平板倒角形電極約高6k V;采用球蓋形電極比采用平板倒角形電*3～6 k V;當(dāng)油的擊穿電壓值在30 kV以下時(shí)，球形和平板倒角形電極的測(cè)定值基本一致。但這只是一種統(tǒng)計(jì)規(guī)律，不能簡(jiǎn)單地把采用平板倒角形電極測(cè)得的擊穿電壓值都加上3～6kV，對(duì)單個(gè)油樣來(lái)說(shuō)差別可能很大，也可能很小。
方法一用油量大，需從電氣設(shè)備中多次取樣，對(duì)于互感器、電抗器和少油開(kāi)關(guān)等少油電氣設(shè)備，多次取樣后，油量不足就必須補(bǔ)油。
因此很多單位都選擇方法二，以小油杯進(jìn)行測(cè)試。
1.3 試驗(yàn)方法的改進(jìn)建議 電壓擊穿試驗(yàn)儀
a）方法標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)向標(biāo)準(zhǔn)靠攏。目前IEC156的試驗(yàn)方法是得到世界上大多數(shù)國(guó)家承認(rèn)的，其通用性、先進(jìn)性不容置疑。在標(biāo)準(zhǔn)化工作中，優(yōu)先采用先進(jìn)的、通用的標(biāo)準(zhǔn)制訂本國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)是一條很重要的原則，GB/T507—1986基本上是參照IEC156制訂的，要求基本相同。
b）考慮到運(yùn)行中電氣設(shè)備的油量稍少及測(cè)試油杯的容量稍小對(duì)測(cè)試結(jié)果影響不大的情況，可對(duì)GB/T507—1986中油杯容量的限制放寬，例如從300～500mL放寬至200～500 mL。
c）方法一比方法二更接近于絕緣油的實(shí)際使用情況，充油電氣設(shè)備中發(fā)生油隙擊穿是在場(chǎng)強(qiáng)較高又相對(duì)集中的區(qū)域，與球形或球蓋形電極間隙更相似，而不同于平板倒角形電極間隙。 2 影響試驗(yàn)結(jié)果的主要因素
嚴(yán)格地講，不含水分、灰塵和纖維等雜質(zhì)的純凈油，擊穿起始于個(gè)別油分子在電場(chǎng)中的極化、電離，其化學(xué)組成對(duì)擊穿電壓影響不大，不同牌號(hào)和產(chǎn)地的絕緣油應(yīng)該具有大致相同的擊穿電壓，并且同一試樣平行試驗(yàn)結(jié)果的分散性也不大，擊穿電壓值能達(dá)到200k V以上（電極距離2.5mm）。
但實(shí)際應(yīng)用中的油和“純凈油”有極大的不同，用目前世界上的凈化設(shè)備多次處理后的絕緣油，其含水量也往往大于2mg/kg，每100mL油中長(zhǎng)度大于5μm的雜質(zhì)顆粒不少于數(shù)千個(gè);另外在取樣測(cè)定過(guò)程中油樣也不可避免地與周圍大氣接觸，大氣中的水分、飄塵會(huì)不可避免地混入油中。這些油中的雜質(zhì)和溶解于油并與油分子緊密結(jié)合的水分子，在純凈的油分子遠(yuǎn)未在電極之間極化和電離之前，就沿電場(chǎng)強(qiáng)度方向排列、聚集，進(jìn)而電離形成微小通路，即所謂“小橋”，小通路連接貫穿兩極，導(dǎo)致油迅速擊穿。
油中雜質(zhì)越多，越易形成小橋，擊穿電壓越低。
測(cè)定絕緣油的擊穿電壓，實(shí)際上是在衡量絕緣油中雜質(zhì)含量的多少，即判斷絕緣油被污染的程度。
油的擊穿過(guò)程實(shí)際上是隨機(jī)的，與油隙電場(chǎng)的瞬間狀態(tài)密切相關(guān)。
油中雜質(zhì)分布的不均勻性和雜質(zhì)顆粒的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致油隙間雜質(zhì)顆粒的分布隨時(shí)間改變而不同，因此小橋在電場(chǎng)中的位置是不可預(yù)知的。
尤其是對(duì)于平板倒角形電極而言，相對(duì)均勻的電場(chǎng)比球形和球蓋形電極所形成的同等強(qiáng)度的電場(chǎng)所占的空間體積要大得多，小橋形成的位置更加不可預(yù)知，形成的概率也要大得多。
這也是平板倒角形電極測(cè)定油的擊穿電壓值比另兩種電極的測(cè)定值低的根本原因。
由以上擊穿機(jī)理的分析，我們可以得知油隙的擊穿雖然是短暫的一瞬間，其過(guò)程卻是復(fù)雜的，即使是一杯試樣，在多次擊穿試驗(yàn)中的測(cè)得值也是分散性很大的，各種試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)都規(guī)定取6次試驗(yàn)的平均值作為試驗(yàn)結(jié)果，這種規(guī)定在一般的測(cè)試中是不多見(jiàn)的。
把一些顯而易見(jiàn)的影響因素作人為的嚴(yán)格規(guī)定，使這些因素對(duì)結(jié)果的影響維持在一個(gè)恒定的水平是十分必要的。
2.1 試驗(yàn)儀器的影響 電壓擊穿試驗(yàn)儀
試驗(yàn)儀器包括升壓裝置（手動(dòng)或自動(dòng)）、油杯和電極、攪拌裝置（手動(dòng)或自動(dòng)）、數(shù)據(jù)輸出裝置（模擬儀表或數(shù)顯打印機(jī)）、計(jì)時(shí)裝置等，每一部分的異常都會(huì)使測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生誤差，全自動(dòng)的儀器較好，在測(cè)定過(guò)程中基本上消除了人為因素的影響。
2.1.1 升壓裝置 電壓擊穿試驗(yàn)儀
升壓裝置的輸出電壓波形是否近似正弦波，輸出電壓是否與輸出顯示一致，對(duì)結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，不同的測(cè)試儀器，其升壓裝置的性能必須確保符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。
升壓裝置的此項(xiàng)性能應(yīng)由生產(chǎn)廠家在儀器的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中予以保證，用戶可在選購(gòu)儀器時(shí)向生產(chǎn)廠家索要升壓裝置輸出電壓頻譜分析和輸出電壓峰值的檢測(cè)報(bào)告。
2.1.2 油杯和電極 電壓擊穿試驗(yàn)儀
電極的形狀不同，電極周圍空間的電場(chǎng)也截然不同，平板倒角形電極之間的電場(chǎng)可以大致看成是均勻電場(chǎng)，而球形和球蓋形電極之間的電場(chǎng)為不均勻電場(chǎng)，絕緣油在不同電場(chǎng)中的表現(xiàn)也*不同。
油杯的容量大小、電極浸入絕緣油的深淺都會(huì)給測(cè)定結(jié)果帶來(lái)影響，為此相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中都有明確的規(guī)定。
實(shí)踐表明，電極的加工和裝配水平、油杯的形狀和材料等不同都會(huì)給測(cè)定結(jié)果帶來(lái)明顯的差異。
2.2 環(huán)境的影響 電壓擊穿試驗(yàn)儀
大氣中的飄塵和水氣不可避免地要混入待測(cè)油樣中，從而使測(cè)定值偏低，因此標(biāo)準(zhǔn)中有油杯加防塵蓋和盡快完成測(cè)定的提法，有條件的話，應(yīng)盡可能在有空調(diào)的潔凈、干燥的試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，尤其是在我國(guó)南方潮濕多雨的季節(jié)和北方沙塵較大的季節(jié)，防止環(huán)境條件對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響。
3 對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析判斷
3.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性
一個(gè)絕緣油油樣6次擊穿電壓試驗(yàn)的測(cè)定值，其分散性是較大的，根本原因在于擊穿瞬間兩個(gè)電極之間的電場(chǎng)分布狀態(tài)和絕緣油中所含雜質(zhì)的分布狀態(tài)都是隨機(jī)的。
數(shù)據(jù)處理中，不論6個(gè)數(shù)據(jù)分散性有多大統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行平均，或者按照數(shù)處理原則舍棄離散值再進(jìn)行平均，都不十分合適。
筆者認(rèn)為，有些儀器使用說(shuō)明中建議當(dāng)6個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差s≥10kV（電極距離2.5mm）時(shí)重新取樣測(cè)定，這一提法值得推薦。
較準(zhǔn)確地說(shuō)，我們測(cè)得的擊穿電壓值只是說(shuō)明該絕緣油在平均值附近發(fā)生電擊穿的概率zui大，偏離此點(diǎn)較多的過(guò)高值和過(guò)低值出現(xiàn)電擊穿的概率較低，并不是說(shuō)該絕緣油在此點(diǎn)一定被擊穿。
選擇擊穿電壓值較集中的范圍，取不少于6個(gè)測(cè)定值的平均值作為測(cè)定結(jié)果是較為合理的，這樣更能較真實(shí)地反映絕緣油的平均被污染水平。
3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性
得到準(zhǔn)確可靠的絕緣油擊穿電壓值，是擊穿電壓試驗(yàn)的zui終目的。若對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生懷疑，建議用下述辦法處理：
a）檢驗(yàn)升壓裝置輸出電壓波形和幅值。
此項(xiàng)工作一般生產(chǎn)廠家都已做了，在正常使用中發(fā)生變化的可能性不大，在使用中若沒(méi)有發(fā)生明顯的損壞，由此引起的誤差可能性很小。
b）在測(cè)得值介于合格與不合格之間時(shí)，采用對(duì)比試驗(yàn)的方法，驗(yàn)證油杯和電極對(duì)結(jié)果的影響，即同時(shí)在不同的試驗(yàn)室，用不同的電極和油杯測(cè)定同一油樣，在確保兩對(duì)電極間距離都是（2.5±0.1）mm的前提下，測(cè)定值較高的應(yīng)更接近于真值。
這是因?yàn)橹挥须姌O間距離過(guò)大才會(huì)使絕緣油的擊穿電壓測(cè)定值的誤差為正誤差，其余各種影響因素，包括電極形狀、加工精度和表面狀態(tài)，油杯的材料、形狀等，都會(huì)使測(cè)定值出現(xiàn)負(fù)誤差，即測(cè)得結(jié)果小于真值。
4 結(jié)束語(yǔ) 電壓擊穿試驗(yàn)儀
綜上所述，由于影響擊穿電壓測(cè)定的因素較為復(fù)雜，人為作一些嚴(yán)格的規(guī)定，統(tǒng)一測(cè)定方法，繼這樣將可以大大提高我國(guó)絕緣油擊穿電壓測(cè)定的技術(shù)水平。
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