4.电容式电压互感器绝缘介损测试方法研究

电容式电压互感器绝缘介损测试方法研究

四川广元电业局罗军川桂林电力电容器总厂宋守龙

摘要：本文介绍了降低测试误差的一些实用经验和措施，提出了现场电容式电压互感器分压电容器绝缘介质损耗测试方法建议。

关键词：电容分压器介质损耗电磁单元测量方法

1 引言

随着电容式电压互感器（Capacitor V oltage Transformers，以下简称CVT）在电力系统的广泛运用，其现场试验问题越来越突出。目前的CVT绝大多数为单柱式结构，分压器和电磁单元叠装为一个整体，现场试验时，不便将电容分压器与电磁单元分开，因此现场测试比较麻烦，容易引起测量误差，甚至不能进行正常测试。DL/T 596-1996《电力设备预防性试验规程》修订说明中推荐采用电磁单元本身作为试验电源的自激法进行测量，但受电磁单元本身和测试方法的影响，测量结果不能反映设备绝缘的真实情况。为有效监测CVT分压电容器的绝缘状况，CVT设备厂家在使用说明书中都提供了现场测试时的测试方法和判断标准，主要有正接法和自激法两种测量分析方法（也有单位为避免测量结果为负值，采用反接法测量CVT分压电容器整体总电容介损）。各运行单位在测试方法上主要依据设备厂家提供的试验方法，但由于设备状况的改变和现场测试环境复杂多变等因素的影响，试验中出现的问题较多，在现场试验中对中压变压器一二次绕组端部的处理上问题尤为突出，不能正确分析处理各种异常现象，测试值忽高忽低。由于CVT是大电容、小介损试品，对于膜纸复合绝缘结构，规程要求其tanδ不大于0.2%，如果测试方法不当产生偏大的测量误差，电容器tanδ很可能超过0.2%，出现设备误判和停电损失或者整体综合介损的测试结果为负值的情况，无法判定电容分压器的介损是否合格。

本文中笔者以现场试验为基础，通过对正接法、反接法和自激法试验测量值进行误差分析，表明现场测试值与真实值（CVT组装前分体试验测试值）之间的对应关系，更有利于客观、准确分析和评价设备的绝缘状况。针对现有试验方法存在的诸多问题进行分析和改进，提出具有指导意义的现场CVT电容分压器绝缘介损标准测试接线方法，对现场绝缘试验实施导则的修编和完善提供了重要的参考价值。

2 CVT 工作原理及主要结构

CVT是利用电容分压器将一次电压降低为几千至两万伏的中间电压，中间电压经中压变压器变换为所需的二次电压并实现一二次回路间的电气隔离。通过调整补偿电抗器的电感值使CVT回路的感抗与容抗1/ω（C +C）接近相等，从而大大减小了CVT的内阻抗，提高了CVT的带负载能力。整套CVT由电容分压器和电磁装置两部分叠装而成。电容分压器的中压端和低压端由最下部的一节电容器底板上的小套管引出，并分别与电磁单元内的中压变压器的高压端、出线板上的载波通讯端子N相连接。电磁装置和下节分压电容器在产品出厂时已连接为一体，电磁装置中的绝缘油系统与分压电容器的绝缘油系统完全隔离。二次出线端子及载波端子通过油箱侧壁的二次出线盒引出。其电气原理图如图1所示。

图1 CVT电气原理图

注：

C—载波耦合电容

C1—主电容

C2—分压电容

D—阻尼器

P—保护装置

N —载波通讯端子

A′—中压电压端子

T—中压变压器

1a、1n—二次1#绕组接线端子

2a、2n—二次2号绕组接线端子

da、dn—剩余电压绕组接线端子

U1N—额定一次电压

L—补偿电抗器

X—补偿电抗器低压端子

J—带有避雷

有关规程规定，CVT在交接及预防性试验中应测量电容分压器的介质损耗和电容值，现场采用的测量方法主要有自激法、正接法和反接法，而选择不同的测量方法将产生程度不同的测量误差。下面就其各自的接线特点和影响因素进行试验分析。

3 正接法测量整体总电容介质损耗

3.1 试验接线

现场研究试验采用全自动数字电桥AI-6000进行，其试验接线原理图如图2所示。此时箱壳接地、X端子和中压变压器二次绕组悬空，加压线接电容分压器上端，C X线接N端子。

C B为中压变压器一次绕组对铁心、外壳和二次绕组的等值电容，R B为其等值介质损耗电阻。一次绕组一端施加电压仍有部分绕组参与等值电路，与C B相串联的电感L B，但实测表明，当X端子悬空时，中压变压器的高压端对地总阻抗呈容性，电流I3超前U2。由图2c可知，测量结果偏小，在很多情况下介质损耗测量值为负值。如果现场用倒相法进行测量时，由于

I 3的分流作用，往往出现两个负值。这样的测量结果是无法进行计算和绝缘分析的，试验结

果如表1所示。 表 1 分体直接法与正接法 、反接法的测量数据对比

测量状态

正接法 反接法

C/nF tanδ/% C/nF tanδ/% 分体 电容分压器本体（未接电

磁单元）

20.02

0.044 20.07 0.050 二次绕组端

子悬空

19.93 -0.240 —— —— 整体 二次绕组端

子短路

19.89 0.033 20.14 0.059 二次绕组端

子短路并接

地 19.83 0.030 20.15 0.058

说明：测量试品为TYD110/3-0.02H ，试验仪器采用数字电桥AI6000.分体测量时，

电容器下法兰接地；整体测量时，X 端子悬空，油箱接地。

（a ）试验接线图

（b）等值原理图

（c）相量图

图 2 正接法测量整体总电容介损接线原理图3.2 试验电压的选择

由于X 端子、N 端子的工频耐受电压值分别为3kV 和4kV ，因此测试时若X 端子或N 端子

悬空，则X 端子或N 端子的对地电压应不超过相应的耐压值。

采用正接法测量整体总电容介损时，CVT 上部接加压线，N 端子接电桥测试线。由于

测试时X 端子必须悬空，因此测试时X 端子对地的电压应不超过其出厂3kV 的绝缘耐受水

平。

对于35kV 电压等级的CVT ，中压为10kV ，电容分压器的分压比接近2，因此测试电

压应不超过6kV ；对于110kV 及以上电压等级的 CVT ，电容分压器的分压比均大于3.3，

因此施加10kV 测试电压是完全可以的。

3.3 负值分析

正接法测量CVT 整体介损容易产生负值现象 ，主要是由于CVT 电磁单元的影响，原

因分析如下 。

电磁单元中的中压变压器一次回路与地之间的等效阻抗Z B 连接在电压分压器的中压

端，其等效电路如图3所示。

阻抗Z B 中电阻R B 是造成整体介损偏负的主要原因，R B 值越小，R B 介损越偏负。电阻

的影响量可用下式近似计算 ：

)

(1tan 21C C R B +=?ωδ

电阻R B 为中压变压器一次回路与地之间的有功损耗。它由一次回路各部件对地泄漏电

阻、X 端子对地泄漏电阻、中压变压器铁心损耗的等效电阻、补偿电抗器铁心损耗的等效

电阻并联而成。当一次回路对地之间的绝缘正常时，中压变压器铁心损耗的等效电阻对R B 的影响最大。

图3 电磁单元的等值电路

由于中压变压器一次绕组的激磁电抗很大，流经对地分布电容及对地泄露电阻的电流会

在一次绕组两端产生一定的压降，从而在铁心中产生损耗，电阻R B 值减小，δtan ?相应增

大，测试结果偏小，如果δtan ?大于实际值，必然出现负损耗的测量结果。

3.4 改进正接法试验接线

由以上分析可知，由于电磁单元的影响，现场采用正接测量CVT 整体综合介损时将产

生偏小的测量误差，甚至出现负损耗的测量结果，因此CVT 电容分压器整体介损测量时应

设法尽量减小电磁单元的影响。现场比较常用的方法是将中压变压器二次绕组端接接地（X

端子仍然悬空）后测试。测量接线图及相量图如图4所示，等值电路图如图2b 所示。

因为短路二次绕组时，中压变压器激磁电抗与二次绕组的漏电抗并联，中压变压器一次回路

的阻抗变得很小，流经对地分布电容及对地泄漏电阻的电流在一次绕组两端产生的压降也就

很小，在铁心中产生损耗大大减小，电阻R B 值增大，δtan ?减少，整体综合介损δ

tan ?的测量误差相应减小，测试结果为正值。在二次绕组短路后悬空与短路后接地两种接线方式

下，其测量结果差别不大，如表1所示。

（a ）接线图

（b ）相量图

图 4 正接法短接二次绕组测量整体总电容介损接线原理图

3.5 误差分析及有效性评析

从表1测量数据可以看出，正接法测量分压电容器总电容介质损耗产生偏小的测量误

差，压器二次绕组悬空时测量结果为负值，而短路悬空时的测量结果更接近真实值（工厂分

体法测量值 ）。尽管采用短路二次绕组的改进接线方式进行测量可大大减小电磁单元对整体

介损的影响，但由于测量时一次回路各部件对地泄漏电阻、X 端子对地泄漏电阻或大或小始

终存在，补偿电抗器铁心损耗的等效电阻也不能有效消除，所以，短路二次绕组后测出 的

整体介损仍比分体时测出的整体介损要小一些，如表1所示 。至于偏小多少，取决于一次

回路各部件、X 端子对地的绝缘状态及试品电容的大小。有时在现场测试中，如果加上其它

不确定影响因素，会放大测量结果偏小的程度，可能直接导致将有缺陷的设备判定为合格 。 由于CVT 下节电容器C 1和C 2相串联，如果高压电桥排除电磁单元的影响，正接法测量的

电容器整体总介损应是C 1和C 2串联的介损值。根据绝缘串并联的等值电路定性分析可知， 电容分压器整体总电容介损tan δ总是小于其中最大者，而大于其中最小者，因此宜分开测

量，才能实现绝缘缺陷的定位查找。

假设主电容C 1、分压电容C 2的介质损耗分别为tan δ1、tan δ2，对于110kV 的CVT ，一 般有

C C 42=，则此时测得的整体总介质损耗为：

21212112tan 5/1tan 5/4)

/()tan tan (tan δδδδδ+=++=C C C C

由上式可知，此时较灵敏地反映了 C 1的绝缘状况，而对于运行中易于损坏的C 2，则反映不

够灵敏。当tanδ1≈0 时，必须满足tanδ2≥1% ，才能使C1和C2串联的总介质损耗tanδ≥0.2% （规程中规定的合格标准），即才有可能超过规程允许的标准。由此可见，正接法测量整体综合介质损耗对发现分压电容C2绝缘缺陷，灵敏度很低，难以发现分压电容器早期绝缘缺陷，更无法判断绝艳缺陷的具体部位。

4 反接法测量整体总电容介质损耗

4.1 试验接线

为了避免现场正接法测量整体总电容介质损耗产生负值现象，有些单位选用反接法测量，此时N端子接地、X 端子仍悬空，中压变压器二次绕组端子短路并接地。接线原理图如图5所示。

此时流过电桥的电流为I1=I2+I3，由于I3反映的是线圈电感、激磁损耗以及中压变压器一次对二次及其他的tanδ，所以I3的方向较I2超前于电压的角度要小，从相量图可知，此时出现了偏大的测量误差，如果没有I3的影响，则测量的为C1和C2的介质损耗。现场测量数据如表1所示。

4.2 试验电压选择

反接法测量整体总电容介损试验电压的选择与正接法情况相同，详见3.2条内容。

（a）试验接线图

（b ）等值电路图

（c ）相量图

图 5 反接法测量整体总电容介损接线原理图

4.3 误差分析及有效性评析 由于电磁单元的影响，反接法产生偏大的测量误差，其误差值可按下式近似计算分析：

B n n δδt a n )1(5/1t a n

?+?=?

B B δδδtan 500/1tan 100

5/1tan ?=?=?

式中2/C C n B =；对于110kV 的CVT ，取pF C B 500=，

pF C 500002=，则100/1=n 。所以由于B δtan 的影响使测得的δtan 增大值为： B B

δδδtan 500/1tan 100/15/1tan ?=?=?

一般中压变压器B δtan 不大于5%，则在正常tan ?不大于0.01%。在正常情况下，现场反接法测量结果与工厂分体法测量结果比较接近，如表1所示。但如果中压变压器在运行中B δtan 增大，偏大的测量误差将不容忽视，可能直接导致对设备的误判。因此，反接法测量结果应结合其他测试方法的测量结果综合分析判断设备的绝缘状况，时宜作为CVT 电容分压器绝缘介质损耗测试分析方法的必要补充。

与正接法测试电容分压器总电容介质损耗的情况类似，反接法测量电容分压器总电容介质损耗对发现分压电容2C 的绝缘缺陷灵敏度很低，难以发现分压电容器早期绝缘缺陷，也无法分析判断绝缘缺陷的具体部位。

5 自激法测量主电容C 1和分压电容C 2介质损耗

5.1 试验接线

自激法是以CTV 的中压变压器作为试验变压器并由其二次侧施加电压进行激磁，在一次侧感应出高压作为电源来测量C 1和C 2的电容及介损。如果CTV 的中压端子未引出，测量C 1和C 2的电容及介损只能采用自激法。全自动数字介损电桥高压线宜接N 端子、CX 线接电容分压器上端，这样可减小测量误差，且测试时设备接地线可不拆除。接线原理图图图6所示。

（a ） 试验接线图

（b ） 测量C 1、tan δ1接线原理图

（c ） 测量C 2、tan δ2接线原理图

自激测试应从辅助绕组af 、xf 加压，其主要原因是在测量C 2时，C 2与中间PT 的电感及补偿电感形成谐振回路，从而可能出现危险的过电压，所以测试时应接上阻尼电阻，即：从af 、xf 上加压。

5.2 试验电压选择

在进行C 1测量时，由于C 2和标准电容C N 相串联，而C n ≤C 2，那么电压主要降在标准电容上，所以N 端子上将有高电压。由于出厂时N 端子耐受电压为4kV ，结合介损电桥灵敏度要求，所以一般取2.5kV 为宜。

测量C 2时，由于C 2的容抗2/1C ω略大于补偿电抗器的感抗L ω，因此补偿电抗器两端的电压仅比电容C 2上的试验电压略低。而补偿电抗器两端并联有保护装置，保护装置的击穿电压一般为2kV~4kV ，且击穿时所能承受的功率是按短时设计的，击穿时间稍长就有可能损坏保护装置。因此测量C 2时的试验电压主要是受与补偿电抗器并联的保护装置的击穿电压的限制，试验电压不宜超过保护装置的击穿电压，可统一考虑选用2.5kV 。

如上所述，测量C 2时，试验回路接近于谐振，试验电压不能根据二次激励电压与中间变压器变比计算得出，测量C 1时，虽然试验回路的谐振问题没有测量C 2时严重，但试验电压仍比按变比计算出的数值高出许多。因此，如果试验中采用QS 型电桥，应采用高内阻抗的静电电压表监测N 端子上的实际电压值，以保证试验电压不超过绝缘耐受允许值，这是自激法测量时要特别注意的问题。但对于全自动数字介损电桥，因其内部设有N 端子电压采样系统，测试时只需要选择适当的试验电压值即可。

5.3 误差分析

自激法进行测量，受电磁单元本身、二次端子板和测试方法的影响使测量结果偏大，分析如下。

5.3.1 自激法测量2C

自激法测量2C 接线原理如图6c 所示。由图可见，试验电压通过电磁单元的中压变压器加在A '端，由于1C 与标准电容N C 串联，1C 将影响N C 支路的电容和介损，从而影响测量准确度。同样电磁单元也将影响测量准确度。H TYD 02.03/110-母线型CTV 的自激法测量2C 的实测数据如表2所示。

从表2测量数据可以看出，自激法测量产生偏大的测量误差，一般大于工厂分体正接法测量值0.01%~0.05%。其中主电容1C 的1tan δ误差较大，分压电容2C 的2tan δ误差较小，接近于真实值（工厂分体直接法测量值）。

（1）1C 对测量结果的影响 以H TYD 02.03/110-为例，设1C 的电容为29 300pF ，介损δtan 0.1%；N C 的电容为100pF ，介损为零。则串联后的电容()pF C C C C C N N N 67.99/11=+?='

，介损61104.3/tan tan -?=?='C C N δδ。可见1C 对介损测量的影响较小，可以忽略不计。电容值可用下式进行校正：电容测量值N N C C /'

?。

A16000全自动数字介损电桥自激法测量原理稍有不同，测量结果无需进行校正。原因是该类电桥在测量2C 时，电桥内部继电器自动将标准电容N C 旁路，利用先前测量出的1C 作为标准电容，从而避免了1C （对于1C 较小的CTV ，误差会更大）对标准电容桥臂产生影响。

（2）电磁单元对测量结果的影响 2C 的低电压端子通过一根引线连接到电磁单元出线板上的N 端子，这根引线距补偿电抗器调节绕组的引线及端子较近，存在一定的分布电容，测量时补抗调节绕组的引线及端子上的电位较高，相当于一个干扰源通过分布电容对测量产生影响，其结果将使测量值比实际值偏大。 试品编号

02-1140 02-1144 02-1138 试验方法 被测电容 F

C μ/

%/tan δ F C μ/ %/tan δ F C μ/ %/tan δ 分体 直接法 1C 0.02911

0.055 0.02938 0.047 0.02903 0.053 2C 0.06320 0.060 0.06308 0.050 0.06284 0.054

自激法 1C 0.02932

0.111 0.02960 0.103 0.02924 0.106 2C

0.06393 0.087 0.06381 0.079 0.06356 0.088

由图6c 可知，电容分压器的低压端N 端子直接进入电桥，N 端的电位很低，因此，影响测量结果的因素主要是测量方法的误差，此误差很小。所以采用自激法测量2C 所得到的结果比较真实的反映了2C 的实际介损，表2的实测数据也得到印证。

5.3.2 自激法测量1C

自激法测量1C 的接线原理图如图6b 所示，试验电压加在A '端，标准电容N C 在N 端与2C 串联。此时2C 和电磁单元及其N 端对地的泄露电阻都将对测量结果产生较大的影响，其介损值一般都高出真实值。由表2的实测数据可以看出，自激法测量1C 产生偏大的测量误差，测试值已达到真实值（工厂分体直接法测量值）的2倍左右。

（1） 电磁单元对测量结果的影响

电磁单元中各部件上的电压相当于干扰源通过N 端及其引线的分布电容影响N 端电压幅值和相位，从而影响测量准确度。其结果将使测量值比实际值偏大。

（2） N 端子对地的泄露电阻及2C 对测量结果的影响

由于测量1C 时，N 端子的电位为2500V ，处于高电位状态，引出端子板上的N 端 子对地的泄露以及绝缘板的绝缘性能都会影响测量结果。由于2C 和N 端对地的泄露电阻R 的存在，N 端的电压相位将超前于试验电源相位，标准电容N C 的电流也将前移，从而使介损的测量 结果增大，其增大量为2/1RC ω。笔者对H TYD 02.03/110-型CVT 进行了模拟试验，在N 端与地之间接一高阻箱，在不同的电阻值下测量1C 的电容和介损，实测数据如表3所示。

表3 N 端对地的泄露电阻2C 对测量结果的影响 外接泄

露

电阻/M

Ω

∞ 1000 500 100 50 10 5 1 电容/

μF 0.02928 0.02930 0.02930 0.02930 0.02930 0.02931 0.02931 0.02938

介损/% 0.100

0.120 0.126 0.170 0.223 0.626 1.128 5.148

注：2C =0.06335μF ，标准电容N C =186pF 。

表3实测数据表明，采用自激法测量主电容1C 时，N 端子对地的泄露以及端子板的绝 缘性能都会使测量结果偏大。因此，在现场测量时，电容分压器低压末屏N 端子及二次端子板对地绝缘电阻不宜小于1000M Ω。

电容值也可用于下式进行校正：电容测量值N N C C /'

?。其中， ()N N N C C C C C +?='22/。

5.4 有效性评析

由以上分析可知，自激法测量CTV 分压电容器绝缘介质介质损耗其影响因素很多，其结果会产生偏大的测量误差，尤其是C 1的测量值误差会更大，可能直接导致将合格判定为不合格。

如果发现C 1的介损偏大，应首先排除测试线、二次端子板和N 端子等影响因素，再结合其他试验方法综合分析，必要时可更换仪器测试；C 2的测量结果误差较小，能够比较真实的反映实际情况，因此采用自激法测量分析CTV 运行中更易于损坏的分压电容器C 2比较灵敏可靠，弥补了正接法、反接法对发现分压电容C 2的绝缘缺陷灵敏度低的不足。 6 结论

受电磁单元的影响，现场采用正接法测量分压电容器总电容介质损耗产生偏小的测量误差，而反接法产生偏大的测量误差；受电磁单元本身和测试方法的影响，自激法测量结果产生偏大的测量误差。

为了减小测量误差，正接法和反接法测量分压电容器总电容介质损耗时，应将X 端子悬空、中间变压器二次端子短路接地；自激法测量时全自动介损电桥高压线宜接N 端子、C X 线接电容分压器上端。

为确保设备安全和统一CTV 试验电压标准，自激将法、正接法和反接法测试CVT 的试验电压可均选用2.5kV 。

自激法测量中，由于存在回路谐振回路，容易造成CTV 的损坏，因此试验电压不能根据二次激励电压与中间变压器变比计算得出。当采用QS 西林电桥试验时，应用高内阻抗的静电电压表直接监测N 端子上的实际电压值，以保证试验电压不超过允许值。

正接法和反接法测量整体综合介质损耗对发现分压电容C 2的绝缘缺陷灵敏度很低，难以发现分压电容器早期绝缘缺陷，更无法判断绝缘缺陷的具体部位；自激法测量C 2误差较小，所得到的结果比较真实的反映了C 2的实际介损。

现场进行CTV 测试时，推荐采用自激法。当测量结果偏大时，应排除测试线、N 端子及端子板绝缘不良和外部干扰的影响，必要时可结合其他测试方法的测量结果进行综合分析、相互印证，或采取跟踪监测分析。

参考文献

[1] 陈化钢.电气设备预防性试验方法[M].北京:水利电力出版社,1994.

[2] 张古银,郭守贤.高压互感器的绝缘试验[M].上海:上海科学技术文献出版,1998.

[3] DL/T596-1996,电力设备预防性试验规程修订说明[S].