韦建 潘宝祥 / 江苏省计量科学研究院



绝缘油介电强度测试仪校准装置

韦建 潘宝祥 / 江苏省计量科学研究院

摘 要介绍一种绝缘油介电强度测试仪校准装置，并评定了校准结果的不确定度。该校准装置主要由仪器主机、两个电容分压器、高压分合终端、隔离模块、高压线和采样连接线组成，测量范围0～100 kV，扩展不确定度0.47%（k = 2）。

关键词缘油介电强度测试仪；校准装置；电容分压器

0　引言

绝缘油广泛应用于变压器、互感器、油断路器、充油电缆、电力电容器和油套管等高压电气设备中。绝缘油由于受到氧气、高温度、高湿度、阳光、强电场和杂质的作用，性能会逐渐变坏，致使不能充分发挥绝缘作用。为此，必须定期对绝缘油进行有关试验，以鉴定其性能。绝缘油的质量与击穿电压有密切关系。绝缘油介电强度测试仪（以下简称绝缘油测试仪）是用于检验绝缘油绝缘性能的最常用设备，因此其测试结果准确与否对电力设备的安全运行至关重要。

为了保证绝缘油测试仪的准确可靠，使用这些仪器的单位每年都要将仪器送至法定计量机构或者有资质的第三方检测实验室进行校验和检查。目前，国内校准绝缘油测试仪的方法大部分是单端测量法：打开仪器的保护罩，取下油杯，保留电极的紧固端，将电容分压器的高压端和电极的紧固端相连，分压器和仪器接地端连接实验室接地端。校准时将被检设备电压升至校准点，同时记录分压器上显示的数值。分压器的读数乘以2便是输出电压的标准读数。此方法的缺点是，单边测量的前提是被检设备的中间抽头一定要完全对称，可实际操作过程中这种要求几乎不可能达到；其次一般电容分压器的电容量是100 ～500 pF，而绝缘油测试仪的带负载能力不同，当超出设计容量时，电压会出现跌落。长时间的试验结果表明，一般的电容分压器在测量到50 kV时电压就跌落了。而使用国外的校准装置（如奥地利BAUR生产的DAC100 kV）校准时，直接取下油杯，放置大小相仿的校准装置，合上被检仪器的保护罩，引出采样线。相比较国内的校准装置，优点是保证了测量人员的安全，缺点是局限性很大，因为间隙不可改变，只能校准和校准装置距离相近的仪器。

本文介绍一种双边测量法。采用两台10 pF/50 kV、阻抗Z≈ 318 MΩ的高压标准电容分压器。此阻抗占用绝缘油测试仪的功率很小，满足校准要求。

1　系统的组成与测量原理

本装置主要由仪器主机、两个电容分压器、高压分合终端、隔离模块、高压线和采样连接线组成。结构原理如图1所示。

绝缘油测试仪的高压输出分别接入两个电容分压器的高压端。高压击穿控制箱内安装有一对程控高速分合的小型高压开关。当这对开关同时合上时，放在击穿放电电极两端的样品油就会放电。通过调整样品油的电极距离，可以保证样品油的击穿电压小于设定的击穿电压值。当仪器主机界面显示通信就绪，绝缘油测试仪应该先升压至10 kV，装置检测到电压升至10 kV时会控制高压分合终端，使被校准的绝缘油测试仪检测到击穿后返回。然后依次测试20 kV、30 kV、40 kV、50 kV、60 kV、70 kV、80 kV击穿并返回。设定好流程后检测装置会按照流程自动记录各次检测值。在此过程中，每个流程开始时都必须保证仪器主机显示为通信就绪状态。每次仪器主机控制击穿后高压分合终端和仪器主机的通信恢复大致需要30 s，所以在检测过程中两次击穿过程间隔至少要在30 s以上。最后当仪器主机界面显示通信就绪，绝缘油测试仪从0 kV开始升压至最大电压输出值，装置检测到电压上升至最大值后返回，自动记录最高电压时段的波形，并计算此过程中各段的升压速度和波形畸变。如果被校准的绝缘油测试仪为全自动型，可以将仪器设定为6次自动击穿试验，试验过程中静置时间设定为30 s，搅拌时间设定为0 s。试验开始后整个校准过程都将自动完成。需要注意的是校准过程中一定要保证引出的高压线绝缘安全可靠，高压电缆与地面、其他仪器以及线缆之间要保证足够的安全距离。

图1　绝缘油测试仪校准装置结构

2　关键设备

2.1采样主机

仪器主机用于完成试验过程的控制、试验数据的采集和处理。仪器主机提供一个USB接口用于与计算机进行通信，计算机通过应用软件向采样主机发送试验命令，采样主机负责执行试验流程控制，并将采集到的数据通过USB接口传输至计算机。

2.2隔离模块

当分合终端内发生击穿放电时会产生巨大的干扰信号。该信号通过分压器耦和至采样主机，会对采样主机产生冲击，因此需要通过隔离模块将两个系统进行电气隔离，以达到减少冲击的目的。试验时隔离模块置于分压器和采样主机之间，并且让采样主机与分合终端的物理距离保持在2 m以上。

2.3电容分压器和高压连接线

为了保证足够可靠的绝缘性能，测试过程中被校准的绝缘油测试仪高压端采用绝缘杆支出（或使用环氧树脂制作的绝缘罩引出高压线），然后经过高压电缆和另一对绝缘杆接入高压分合终端。

绝缘油测试仪校准装置提供两个分压器。分压器的参数如下：

1）电容值10 pF；

2）介质损耗值<1×10-5；

3）最高测量电压：100 kV（-50～50 kV）；

4）额定工作频率50/60 Hz，最大允许误差：±0.5%

2.4高压分合终端

高压分合终端用于将输入的高压信号瞬间短接，使放置在分合终端内的油杯间隙发生放电，以模拟绝缘油击穿。在绝缘油测试仪无特殊要求的情况下可以使用空油杯（以空气放电模拟油击穿）作为放电负载。如图2所示，高压分合终端顶部为高压仓，高压仓包含三对电极。三对电极含义如下：

1）右边第一对电极用于控制击穿放电，进行校准操作时，该点放置击穿电压低的油或者直接使用空杯。

2）中间第二对电极为负载杯，试验时该油杯模拟测试仪带负载状态，不使用时直接用绝缘罩盖住。

3）左边的一对电极为高压引入端子，试验时被校准的绝缘油测试仪高压输出由此处引入。

图2　高压分合终端原理

3　不确定度分析

3.1测量模型

式中：fx—— 被校仪器的误差；

fp—— 校准装置所测得被校测试仪的重复性误差；

Δf1—— 校准装置示值误差的影响量；

Δf2—— 环境电磁场干扰的影响量；

Δf3—— 数值修约的影响量

3.2标准不确定度分量的估计

重复测量引入的标准不确定度分量u1，由标准器引入的标准不确定度分量u2，环境电磁场干扰引入的标准不确定度分量u3，数值修约引入的标准不确定度分量u4。

3.3标准不确定度的评定

3.3.1标准不确定度分量u1

标准不确定度u1可以通过连续测量得到测量列进行评定。在实验室标准环境下，可认为供电电网波动、连接点接触电阻变化等因素引起的不确定度影响均已包含在u1的分量中，不再对这些分量进行单独评定。用校准装置对某型号绝缘油测试仪40 kV点的电压输出值进行10次测量，每次均断电重新设定电压值，重复性测量数据如表1所示。

表1　重复性测量数据

日常工作中为单次测量，则：

3.3.2标准不确定度分量u2

3.3.3标准不确定度分量u3

校准时环境电磁场干扰不大于被校准仪器误差的1/10，近似为均匀分布，k =，按B类方式评估，则：

3.3.4标准不确定度分量u4

相关规范规定：误差数值修约单位为被校准仪器误差的1/10。根据四舍五入修约规则，由于修约而引入的误差为修约单位的1/2，其引起的不确定度属B类分量，近似为均匀分布，k =，按B类方式评估，则：

合成标准不确定度为

3.5扩展不确定度的计算

4　结语

上述绝缘油测试仪校准装置可用于100 kV、2级及以下各种国内外绝缘油测试仪的校准工作，基本满足目前计量行业对绝缘油测试仪的计量需求。

参考文献

[1] 中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院.GB/T 507-2002绝缘油击穿电压测定法[S]. 北京:中国标准出版社,2003.

[2] 全国法制计量管理计量技术委员会.JJG 1059-2012 测量不确定度评定与表示[S].北京:中国计量出版社,2012.

[3] 全国高压电气安全标准化技术委员会.DL/T 846.7-2004,高电压测试设备通用技术条件 第7部分：绝缘油介电强度测试仪[S]. 北京:中国标准出版社,2004.

[4] 王斯琪 项琼 雷民.绝缘油介电强度测试仪校验装置的研制[C].全国电工测试技术学术交流会论文集，2008.

A calibration device for insulating oil dielectric strength testers

Wei Jian，Pan Baoxiang
（Jiangsu Institute of Metrology, Nanjing）

Abstract:The paper introduces a calibration device for insulating oil dieletric strength testers, and evaluates the uncertainty of calibration results. The calibration device is composed of the host part, two capacitive voltage dividers, high pressure separation-integration terminal, isolation module, isolation module, high-voltage power lines and sampling connection wire .The measurement range is from 0 to 100 kV and the expanded uncertainty is 0.47% (k = 2).

Key words:insulating oil dielectric strength tester; calibration device; capacitive voltage divider