国网陕西省电力有限公司超高压公司 刘 鑫 李星羽

1 引言

高压电气设备是电力系统中的重要设备之一，由于运行过程中电压较高，存在一定的运行风险，若高压电气设备出现运行事故，对整个系统会造成较为严重的影响。为此，日常工作中应严格进行高压电气设备的监测和故障诊断，以保证电气系统的安全。常用的诊断方式包括在线监测和离线监测，在线监测方法会利用监测设备和通信系统向控制中心传输高压电气设备的电气参数和物理参数，计算机利用数据和建模运算结果对设备的状态进行分析，以及诊断故障，该方法要求通信网络稳定，而且不会受到时间和环境的有关限制。虽然在线监测比较简单，但是也容易受到干扰影响，而且一些建模技术、数据分析技术并不成熟。

离线诊断方法以设备的结构和运行原理为基础，直接监测设备中的各种关键参数和数据，该方法精度高，同时国家对该方法也提出了严格的要求，对测试条件要求也高。在测试工作中，可能会出现介质损耗因数数值偏小甚至为负数的情况，为了保证高压电气设备的安全，必须采取解决措施。

2 高压电气设备试验介质损耗因数概述

电气设备的检修和试验虽然并不直接相关，但也有相辅相成的关系，检修工作在于修复电气设备，以保障电气设备具有良好的工作状态，延长设备的工作寿命和保障系统安全。试验在于使用专业设备进行电气设备运行期间各种物理量的检测工作，并分析各类物理量的变化方式、变化趋势，根据变化完成对系统状态的评估，评估结果也会作为检修人员的依据[1]。电气设备的试验项目包括绝缘状态检测，以及其他物理量变化的检测，绝缘状态包括绝缘的耐电压水平、绝缘数值、tanδ等数值的变化，其他基本物理量变化检测中会对断路器的接触电阻、分合闸时间、电流互感器电流比、线圈电阻等进行检测。其中，tanδ的测量是国家要求的面向35kV以上高压电气设备的必须测试项目。

试验工作中，试验人员要对既有牵引变电站进行周期性试验时，发现某高压电气设备的tanδ数值和历年数据相比差别比较大，而且出现负值状况。通过分析，由于强磁场的作用，介质材料会出现极化等情况，造成介质材料性能下降和出现损耗[2]。对于不同电气设备，由于运行参数、运行条件存在较大的区别，所以直接测量获得的介质损耗并不能直接用于对设备运行状态的判断，所以目前都是通过引入tanδ概念进行更为精确的分析。tanδ是被测电气设备在施加电压之后电气设备的有功功率和无功功率比值，比值只取决于材料的特性，适合对不同设备的状态进行比较。

在使用一体化便携式介质损耗测试仪测试tanδ时，测试仪的内置介质损耗测试平衡电桥，仪器会对标准回路和被测贿赂进行测量。测试设备时可以使用正接法、反接法、CVT法，其中正接法和反接法的测试原理是一致的，主要区别在于被测试设备接地一侧是否可以解除，如果可以则使用正接法，如果不可以使用反接法[3]。实际工作中，反接法会受到干扰回路电流的影响，所以测量精度相比正接法更低。

3 介质损耗因数出现负数问题分析

3.1 介质损耗因数出现负值

介质损耗因数tanδ是电气绝缘的重要参数，根据该数值可以判断电气的绝缘状况。实际的测试试验中，由于各种因素的作用，会导致介质损耗因数出现偏差，其中一部分甚至可能直接导致最终结果为负值，根本不存在物理意义。在一些问题比较严重的情况下，tanδ测试结果甚至会出现负值，导致最终的测试结果无效[4]。图1为tanδ在正值和负值的向量图。

在图1中，是无损耗标准电容器的电流，超前电压为90°，是试品电容电流，夹角δ是介质损耗角。在试品的电容不会出现损耗时，由于δ为0°，因此tanδ为0。介质经过长期使用会出现损耗，所以在正常状态下，测试获得δ会大于0°，tanδ也为正值[5]。但是也有可能出现测试问题，导致相位差在90°以上，使得一部分有功分量和电压相反，最终tanδ为负值。对于测试而言，tanδ的负值时没有意义，因此在册似乎中需要找到原因并采取措施消除。

3.2 tanδ负值原因分析

3.2.1 外部电流作用

如果测试过程中有外部电流在电压上投影了和电压相同的方向，δ的角度则会增大，导致tanδ增大，如果干扰电流在电压向量上的投影和电压方向相反，则会导致δ为负值。

3.2.2 测量仪器标准电容器介质损耗过大

试品电流在正常情况下落后于标准电容电流，但如果标准电容也损耗，有可能造成电流角度出现小于90°的情况，此时tanδ相比实际情况更小。在标准电容损耗极为严重甚至超过试品时，就会出现δ为负值的情况。由于标准电容器介质损耗通常都比较小，因此由于标准电容器损耗所导致的tanδ成为负值的可能性相对较小。

3.2.3 测量时测量仪的接地问题

使用正接法此测量电压互感器的一二次绕阻tanδ时，如果一二次绕阻没有损耗，在仪器出现接地不良时，就容易在仪器接地不良电阻的影响下导致tanδ的测试值偏小，甚至出现负值的情况。

3.2.4 电磁式电压互感器接地铁心接触不良

对于铁心直接接地电磁式电压互感器，使用正接法测量一次绕阻对二次绕阻的介质损耗时，如果出现接地不良的情况，就会产生接地电阻。这类测量的问题和测量仪接地问题类似，也会造成tanδ的数值偏小以及，甚至出现负值的问题。

3.2.5 电容式电压互感器电磁单元影响

用正接法进行电容式互感器分压电容的tanδ时，变压器和谐振器所产生的感抗作用，铁心的损耗都会影响测量精确性。在测量tanδ时，在多分布式电容在绕阻上产生的压降和铁心损耗比较小时，如果绝缘介质本身的损耗也比较小，因此较小的铁心损耗一般也会导致比较严重的检测结果影响。如果测量工作中，中间变压器的二次绕组短接，二次绕组路电流就会产生比较强烈的去磁作用，使铁心的磁通量降低到零，支路只剩下部分电流时，获得的结果和正常的测量结果基本一致。

3.2.6 电动行电流互感器阻抗影响

试品会存在一定的杂散阻抗，主要来自电容表面和表面的绝缘电阻，简化后可以等值为如下入所示的电路。

图2中的C1、R1、C2、R2表示试品为多层电容屏串联电阻，C0、R0分别为试品电容层对地的杂散耦合电容和电阻，等值阻抗为Z1、Z2、Z0。根据tanδ=P/Q，其中P为试品的有功损耗，Q为试品的无功损耗。在杂散电阻抗Z0处于纯电阻和纯电容之间时，如果Z0的阻抗角大于Z2的阻抗角，Z0和Z2并联之后的无功损耗增大将会大于有功损耗，而且tanδ会有所减小，对Z0可以按照纯电容进行分析。

在使用反接法测量杂散阻抗时，反接法测量时试品和杂散阻抗相当于在电路中添加了一个电容，Z0为纯电阻时，相当于增加了有功损耗，因此tanδ的值会有所增加，导致tanδ减小。

3.3 消除介质损耗因数偏小的问题部分措施

为了控制外来电流造成的干扰，一般通过电源倒相和变频法控制外部电流影响；在测试工作中，应注意测量仪器的接地直接在被测试品的金属底座上，而且要保证有效接触。测量变压器类设备时，必须短接设备放置电感和铁心的损耗影响测量结果。测试设备、试品都要满足干燥要求，屏蔽外部泄露时，有限选择屏蔽环以外的设备。为了避免出现干扰，被测试品周围应清除脚手架等可能影响电磁场的物体，有效控制分布阻抗。最后，实验试品的引线和被测试品的夹角应该控制在90°，减小阴险和试品间分布电容的作用。

4 系统概况

本文对某铁路牵引供电系统的高压电气设备进行试验检测，牵引供电系统包括变电站和接触网，牵引变电站能进行变换、汇集和分配，接触网的作用在于向机车输送电能，机车采取直接从接触网获得电能的方式。为了保障运输安全，必须确保牵引供电系统的所有电气设备都处于健康运行状态，所以必须按照周期对系统进行检测和检修工作。为了避免对正常运输秩序造成影响，检修和检测工作需要在运输间隔进行，运输间隔在铁路系统中也被称为天窗。天窗期间的工作环境较为复杂，同时时间也较短，为了能控制影响范围，电气设备的停运检测工作也必须遵循最小限制的原则。图3为牵引变电站高压侧电气主接线图。

5 异常状况和处理

5.1 系统异常状况

试验工作中，试验人员要对既有牵引变电站进行周期性试验时，发现某高压电气设备的tanδ数值和历年数据相比差别较大，而且出现负值状况。通过对比预防性试验和交接性试验过程，两种试验的环境比较类似，区别在于干预性试验过程中没有拆除各个电气设备的连接线，交接性试验过程中，各种电器设备都处于独立状态。对牵引变电站进行预防性试验的工作中，测量一台牵引变压器高压侧介质损耗因数时，断路器和另一台牵引变压器在检测回路中。对电流互感器进行检测时，断路器的隔离开关在检测回路中；检测电压互感器时，隔离开关和避雷器都在检测回路中。

5.2 出现异常的原因分析

正常情况下电气设备在运行过程中，绝缘会逐渐老化导致绝缘数值降低，tanδ的数值也会逐渐变化，在后续的预防性试验工作中，如果出现tanδ变小或者达到负数的情况，排除环境因素，主要来自外界的干扰。对于所测tanδ数值偏小的情况，以牵引变压器高压侧的预防性试验为例，在一次引线不拆除，存在相关设备的情况下，并联电气设备的存在导致整体电容量值增加，并造成tanδ降低，同时如果处于恶劣环境中，比如环境存在污染和比较潮湿时，会在绝缘部分形成等效杂散电容，造成相同结果。对于tanδ数值为负值的情况，需要注意现场环境的干扰，仪器是否存在接触不良，同时也要注意标准电容器介质自身是否存在损耗超标的问题，尤其检测设备出现故障，就会导致tanδ出现负值。

5.3 高压电气设备试验介质损耗因数测试建议

为了保障测试结果的精确性，在测试工作中应该严格遵循相关环境条件的规定，尤其要充分分析周围旁路电容的影响，并通过计算进行修正，获得较为精确的结果，由于运行过程中电气设备之间存在电气连接的关系，所以对介质损耗进行测试时，必须对测试设备单独解列，如果不能解列，就需要进行测试结果的综合评价以及修正。测试工作开始前，需要注意对测试设备的检查，并使用标准试品进行状态检测，避免设备内部标准电容存在损坏。

6 结语

对高压电器设备介质损耗因数进行测量时，需要对tanδ形成正确认识，并做好测试过程中的控制工作，保障现场测试结果的精确性。测试人员需要知晓各种对介质损耗因数异常情况产生影响的因素，尤其加强对环境因素对测试数据影响的控制，确保测试结果可以反映数据的真实情况。如果发现数据存在异常，需要分析异常出现原因并采取措施消除干扰，保障测试结果满足规范要求。同时，测量人员也要不断积累经验，寻找解决异常数据的测试技术，提升介质损耗测量数据的精确性。