損耗/功率因數(shù)測(cè)試鮮為人知的事實(shí)

隨著變電站電氣設(shè)備故障率的不斷上升，供電公司和重工業(yè)必須著手進(jìn)行預(yù)防和預(yù)測(cè)性維護(hù)，確保電力系統(tǒng)的完整性和可靠性。電氣絕緣問(wèn)題是電氣設(shè)備故障的一個(gè)常見(jiàn)原因，而介質(zhì)損耗/功率損耗/功率因數(shù)(PF)測(cè)試則經(jīng)常用于診斷和估計(jì)設(shè)備的絕緣老化狀況。然而，一些與PF測(cè)試相關(guān)的問(wèn)題仍然未廣泛被理解。

PF測(cè)試廣泛應(yīng)用于診斷各種電氣設(shè)備如電力變壓器、斷路器、發(fā)電機(jī)和電纜。 隨著時(shí)間推移找出PF值的變化趨勢(shì)，可以幫助發(fā)現(xiàn)一些絕緣問(wèn)題如污染、高水分含量和絕緣中存在的空隙?？膳c PF測(cè)試一同進(jìn)行的勵(lì)磁電流測(cè)試，可以檢測(cè)出電力變壓器繞組的匝間絕緣故障。

損耗/功率因數(shù)vs.電壓損耗因素測(cè)試通常在10 kV進(jìn)行，或?qū)⒆x數(shù)轉(zhuǎn)換為相當(dāng)于10 kV時(shí)的值。進(jìn)行PF測(cè)試的最佳電壓是一個(gè)存在爭(zhēng)議的話題，現(xiàn)在市面上的測(cè)試設(shè)備使測(cè)試可在27 V至12 kV電壓下進(jìn)行。究竟哪個(gè)測(cè)試電壓足以進(jìn)行準(zhǔn)確和可靠的測(cè)量呢?答案取決于測(cè)試樣品的類型和測(cè)試的條件。

大多數(shù)電力變壓器采用油紙絕緣系統(tǒng)，當(dāng)使用不同測(cè)試電壓測(cè)量以電壓為自變量的PF函數(shù)時(shí)，絕緣系統(tǒng)會(huì)表現(xiàn)出平坦的曲線。然而，馬達(dá)和發(fā)電機(jī)通常有干式或固體絕緣，其PF值可能會(huì)隨測(cè)試電壓的改變而改變。PF值會(huì)隨著測(cè)試電壓提高而增加，這是由于固體絕緣中幾乎一定存在的空隙所造成。 以測(cè)試電壓為自變量的PF值上升對(duì)應(yīng)著空隙中電離的增加。

業(yè)界將測(cè)試電壓標(biāo)準(zhǔn)定為10 kV的原因之一是基于抵抗靜電干擾的能力。在高壓變電站操作的電力變壓器會(huì)受到許多電氣噪音和干擾的影響，高壓測(cè)試信號(hào)能提供更佳的信雜比，從而得到更精確的測(cè)量結(jié)果。在高壓變電站的測(cè)量設(shè)備要求有很高的抗干擾能力，因?yàn)榻^緣測(cè)試的測(cè)試電流非常低，而干擾水平可能高達(dá)測(cè)試電流的20倍。

負(fù)功率因數(shù)值

完美的絕緣PF值應(yīng)為零。在現(xiàn)實(shí)中，任何接近零的數(shù)值均被認(rèn)為是預(yù)示了一個(gè)良好的絕緣系統(tǒng)。 PF測(cè)試設(shè)備經(jīng)常用于測(cè)試單個(gè)電容器，但如果被測(cè)的電容有一些雜散電路，測(cè)量結(jié)果會(huì)很奇怪。例如，當(dāng)對(duì)套管、三繞組變壓器或旋轉(zhuǎn)機(jī)械的相間絕緣進(jìn)行測(cè)試時(shí)，PF值有時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。

PF是被測(cè)絕緣的瓦特?fù)p耗，負(fù)PF即絕緣產(chǎn)生瓦特。明顯地，絕緣不能發(fā)電，所以負(fù) PF值不是真的，而是在告訴我們，絕緣沒(méi)有表現(xiàn)為預(yù)期的電容。

一些表面泄漏電流很大的樣品也會(huì)出現(xiàn)負(fù)數(shù)值。如圖 1所示，雜散電路引入的一道電流(IS)，改變了測(cè)量中測(cè)試電流(IT)的相角。表面損耗電流(IS)主要是電阻(RS)性電流，相對(duì)于施加電壓而言有一個(gè)很小的相角。電容耦合(CC)效果可能因與被測(cè)主絕緣并聯(lián)的 RS而存在。

表面損耗電流(Is)的小相角可導(dǎo)致負(fù)PF值。已測(cè)量的測(cè)試電流(IT)是總電流(INET)和表面損耗電流(Is)的矢量差。在UST或GST配置下，這些表面損耗會(huì)令被測(cè)電流(IT)相角大于90 º，導(dǎo)致負(fù) PF值。

了解負(fù) PF值的來(lái)源是很重要的。對(duì)于一些樣品而言，這只是由于設(shè)計(jì)的原因，例如，變壓器繞組間存在靜電接地屏蔽。在其它情況下，遇到負(fù)PF值時(shí)用戶應(yīng)考慮遵循最佳的測(cè)試實(shí)踐去除所有外在影響，如確認(rèn)合適的接地回路，清洗套管表面，避免不利的天氣情況和有效地使用屏蔽電路。假若采取這些預(yù)防措施后仍重復(fù)得到負(fù)數(shù)值，可能是由于受污染或劣質(zhì)的絕緣系統(tǒng)。

勵(lì)磁電流與電壓

勵(lì)磁電流測(cè)試通常會(huì)與PF測(cè)試一同進(jìn)行，它是一種電壓相關(guān)性測(cè)試，通常在UST模式進(jìn)行。 與PF測(cè)試一樣，勵(lì)磁電流讀數(shù)會(huì)采用線性近似的方法歸一至10 kV等效值。高電感的樣品如電力變壓器，電壓和電流之間的關(guān)系不是線性的。以一個(gè)線性關(guān)系計(jì)算出的10 kV的等效值只是一個(gè)近似值，因此，如果要追蹤勵(lì)磁電流的歷史數(shù)據(jù)趨勢(shì)，在相同的電壓執(zhí)行測(cè)試是很重要的。在不同的電壓下進(jìn)行測(cè)試然后修正至10 kV，結(jié)果是不可比較的。當(dāng)評(píng)估匝間絕緣問(wèn)題時(shí)，趨勢(shì)數(shù)據(jù)十分重要。

當(dāng)對(duì)三角形繞組進(jìn)行勵(lì)磁電流測(cè)量時(shí)，將繞組的第三腳接地是很重要的，如圖 3所示。由于勵(lì)磁電流測(cè)試是一個(gè)UST測(cè)試，將第三腳接地可消除測(cè)量電路中另外兩個(gè)繞組中流過(guò)的電流。如果不將第三腳接地，取決于各繞組的電感和電阻，測(cè)量結(jié)果較真實(shí)讀數(shù)高約30%至50%。

鐵芯被磁化的變壓器會(huì)測(cè)量到比正常變壓器更高的勵(lì)磁電流。 IEEE62-1995 6.1.3.4節(jié)指出：「如果在測(cè)試結(jié)果中觀察到一個(gè)顯著的變化，唯一可排除剩磁效應(yīng)的可靠方法是將變壓器的鐵芯消磁?！?/p>

以下所討論的會(huì)影響勵(lì)磁電流測(cè)量的因素，應(yīng)在進(jìn)行測(cè)試前緊記。

PF讀數(shù)的溫度修正系數(shù)

損耗因素值與溫度高度相關(guān)。IEEE C57.12.90 10.10.4節(jié)附注3 (b) 指出：「經(jīng)驗(yàn)證明，功率因素隨溫度的變化是巨大和不穩(wěn)定的，因此，沒(méi)有單一的修正曲線能適合所有情況?！贡M管如此，傳統(tǒng)地，修正系數(shù)表以20°C為基準(zhǔn)校正所有數(shù)據(jù)。同一樣品只有在相近的溫度下采集的PF值，或精確地修正至相同的溫度下的PF值才有比較的意義。對(duì)于不同的樣品，溫度變化對(duì)PF值的影響各有不同，甚至同一個(gè)樣品隨著老化，它的溫度相關(guān)性也會(huì)相應(yīng)地增加。溫度修正系數(shù)與絕緣材料、結(jié)構(gòu)、老化情況、受潮或污染的存在以及其它影響因素高度相關(guān)。然而，溫度修正系數(shù)是基于平均值的修正。由于每個(gè)被測(cè)物體都是獨(dú)一無(wú)二的，使用這些平均修正會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。

新的變壓器相對(duì)來(lái)說(shuō)溫度相關(guān)性較弱，使用標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)表會(huì)過(guò)度補(bǔ)償。隨著測(cè)試對(duì)象的老化，同一個(gè)平均修正系數(shù)會(huì)不足以補(bǔ)償，因而產(chǎn)生錯(cuò)誤。在下半個(gè)壽命周期找出PF值的趨勢(shì)變得更加關(guān)鍵。在這下半個(gè)壽命周期，因?yàn)闇囟葘?duì)絕緣的影響增加了，修正系數(shù)應(yīng)會(huì)更大。使用平均系數(shù)會(huì)導(dǎo)致不正確趨勢(shì)分析和不準(zhǔn)確地估計(jì)對(duì)象的剩余健康壽命。

IEEE標(biāo)準(zhǔn)62-1995指出：「應(yīng)避免在低于冰點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)試，因?yàn)檫@可能會(huì)顯著地影響測(cè)量結(jié)果。執(zhí)行此測(cè)試的首要原因是其檢測(cè)絕緣內(nèi)的水分的能力。冰和水的電氣特性有很大的區(qū)別，探測(cè)冰的存在比探測(cè)水的存在更難，有時(shí)甚至是不可能的?！褂捎谠谶^(guò)高或過(guò)低的溫度下測(cè)量 PF可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤，IEEE建議于接近20 °C進(jìn)行PF測(cè)試，然而，事實(shí)上并不是經(jīng)常能夠?qū)⒃嚇咏禍鼗蚣訜嶂?0° C。

幸運(yùn)的是，新技術(shù)使我們能夠準(zhǔn)確地修正PF值到20 °C，而不需要采用修正系數(shù)表上得出的平均值。利用介電頻率響應(yīng)(DFR)技術(shù)，可以確定每個(gè)測(cè)試對(duì)象唯一的溫度修正系數(shù)，這是因?yàn)樵谝欢ǖ臏囟群皖l率測(cè)量的 PF可與在不同溫度和頻率下測(cè)量的PF相對(duì)應(yīng)。因此，通過(guò)使用不同的頻率測(cè)量PF，可以確定該測(cè)試對(duì)象的溫度相關(guān)性。利用這種技術(shù)，PF可以在任何絕緣溫度進(jìn)行測(cè)量[5°C - 50°C]，然后準(zhǔn)確地修正到20° C。

總結(jié)

電力設(shè)備由于絕緣老化已經(jīng)發(fā)生并且將不斷發(fā)生故障，一個(gè)積極主動(dòng)的方法是監(jiān)測(cè)絕緣系統(tǒng)的完整性的關(guān)鍵，從而防止故障發(fā)生，或至少可預(yù)期這些故障。介質(zhì)損耗/功率因素診斷測(cè)試是確定絕緣質(zhì)量的重要工具，同時(shí)可以估算其剩余的健康壽命。了解耗損因素讀數(shù)取決于各種因素是很重要的。測(cè)試電壓、靜電干擾、溫度、濕度、表面耗損及其它參數(shù)都可以大大地影響 PF測(cè)量。更好地了解這些參數(shù)的影響將有助獲得更精確的測(cè)量，從而在決策過(guò)程時(shí)可以信賴這些測(cè)試。