DELTA4000绝缘诊断系统
使用DELTA4000绝缘诊断系统进行干式变压器状态评估
干式变压器是10kV配电网使用广泛的设备之一。由于干式变压器绝缘系统采用了树脂材料，这类变压器的测试和诊断方法与传统的油纸绝缘的变压器相比存在着一定的差异。DELTA4000-CN高压频域介电谱测试系统集成的多样性测试功能可以预判常规试验难以发现的潜在缺陷，提前采取补救措施，助力用户提高变压器运行可靠性。
测试仪器
DELTA4000-CN系列绝缘介损测试系统坚固耐用，可在高干扰变电站环境下运行。它提供了全自动测试功能，包括介损测试、偏压特性测试、频域介电谱测试和高压励磁电流测试等功能，最高输出电压为12kV。软件也支持全手动控制，可在测试过程中改变测试电压，以满足特殊的测试要求。
被测试品
为了评估DELTA4000-CN设备的测试效果，项目组选取了三台同型号、不同状态的10kV干式变压器进行了测试效果对比。分别是1#全新的变压器、2#返修完工的变压器(12年运行时间)和3#现场在运的变压器（12年运行时间）。
1#和2#变压器位于制造工厂车间， 2#变压器经维修处理后所有出厂指标已达到合格状态。3#变压器位于变电所，为服役中的变压器。
进行测试前三台变压器均处于断电与隔离的状态，并拆除了终端的所有接线，试验环境均在室内。工厂车间环境温度为32℃，变压器绕组温度与环境温度相同；变电站室内环境温度为38℃，变压器由于刚停运，绕组温度较高，约50℃左右。
测试方式
励磁电流测试
励磁电流是一种现场常用的诊断方法，通过测量变压器的空载阻抗（开路阻抗）来评估三相绕组的匝数不平衡、匝间短路缺陷和铁芯故障。如果匝间绝缘存在缺陷或表面污染，施加高压后可将绝缘击穿或产生爬电电流。IEEE C57.2013推荐使用不超过10kV的工频测试电压，分别对三相绕组进行测试。
进行励磁电流测试时，将测试电压加到某相绕组，其它不需要测试的绕组悬空。图3.1所示是单相变压器的励磁电流测试原理图，三相变压器的测试通常使用的也是单相源，需对三相分别进行测试。
图 3.1 励磁电流测试原理图
由于变压器绕组结构的差异性，从单个测试结果直接判断是否正常较为困难，因此测试结果的分析通常基于比较法。比较可在三相之间进行，也可和出厂值进行比较。三柱式铁芯变压器由于B相绕组和AC两相绕组磁路结构的不同，三相励磁电流通常会呈现高-高-低或低-低-高的现象。这与3.2节扫频响应分析B相曲线在低频段与AC两相曲线存在差异的原理是一样的。
介质损耗测试
介损测试是一种评估变压器绝缘状态常用的测试。测试时一般向试品施加10kV工频测试电压，然后通过测量绕组间的泄漏电流或绕组对地的泄漏电流就可计算出电容和损耗值。干式变压器的绝缘健康状况可通过测试以下两个电容来评估：
CHL:高压绕组与低压绕组之间的绝缘。
CH:高压绕组与铁芯和外壳（地）之间的绝缘。
测试时将高压侧和低压侧的终端分别短接，然后连接到测试仪器，如图3.2所示。变压器主体绝缘状态的判断主要参考CHL的测试结果。
图3.2 变压器主体绝缘测试接线图
理想的电容施加电压后会产生一个电容性的电流分量Ic，但不会有任何损耗。而实际的绝缘材料都是存在损耗的，因此其模型可由一个理想电容和一个电阻来表示。介损（DF）和功率因数（PF）的定义如下：
其中IR是泄漏电流的电阻性分量，Ic是泄漏电流的容性分量。绝缘的测试中介损值和功率因数值基本是相同的，因为正常的绝缘通常阻性电流分量IR非常小，仅有容性电流分量的不到1%。
图3.3 绝缘模型及测试电流矢量图
对于环氧树脂材料来说，绕组绝缘材料中气孔的数量和大小、树脂材料的品质、树脂固化的程度、老化都会对介损测量结果产生影响。当电压升高以后，材料中的气孔可能会被击穿而产生局部放电，导致绝缘材料损耗的进一步增加，并反应到介质损耗测试结果中。
偏压特性测试
介损的偏压特性（Tip-up）是指两个不同测试电压得到的介损结果的差值。IEEE 286-2000推荐的测试方法是将0.2倍额定电压（UN）作为介损的起始测量电压，然后以0.2 UN作为步进值，将测试电压逐渐提高至UN。当测试电压增加时，材料本身的特性可能会发生改变从而使介损值增加。一些常见的绝缘缺陷，如树脂固化工艺问题、材料中存在杂质、空间电荷积累，都会导致偏压特性的增加。此外，气孔中的局放、绕组表面的爬电会使介损进一步增加。
图 3.4 偏压特性测试原理
频域介电谱测试
频域介电谱测试是一种无损的、非侵入式的高压电力设备绝缘状态诊断技术。这种技术在现场的应用可追溯到1990年，瑞典ABB公司的测试人员通过这种方法对一台变压器的绝缘纸板水含量和绝缘油的介质损耗进行了定量的分析。近三十年来这项技术在全世界逐渐得到了普及，其在老化评估、缺陷识别和异常原因分析方面具有的优势受到了广泛的认可。国家能源局于2019年和2021年分别颁布了DL/T 1980-2019《变压器绝缘纸（板）平均含水量测定法 —— 频域介电谱法》和DL/T 2231-2021《油纸绝缘电力设备频域介电谱测试导则》两部标准。
IEEE PC57.12.200标准认为环氧树脂绝缘的缺陷可能也会对频域介电谱测试结果产生巨大的影响，虽然这些影响的确认需要进一步的研究工作。
频域介电谱的测试方法与工频介质损耗相似，所不同的是频域介电谱测量的是一个频率范围内的电容和介质损耗，并将其绘制成曲线。频域介电谱技术的主要优势在于低频介损对绝缘缺陷更为灵敏。此外，频域介电谱不仅能够发现介损异常，而且能够分析结果超标的原因。
图 3.5 不同受潮程度的绝缘纸板的频域介电谱曲线
测试结果
高压励磁电流测试
在变电站分别使用了1kV、8kV和10kV的测试电压对现场变压器（3#）进行了励磁电流测试，结果如表4.1所示。对BC相进行10kV励磁电流测试时，励磁电流幅值显著增加，测试设备因超出量程（300mA）而发生跳闸。将测试电压降至9.6kV后，测得的结果是204.45mA。
表4.1 3#变压器励磁电流测试结果
*BC相电压最高只能施加到9.6kV，产生204.45mA励磁电流；10kV测试过程中产生的电流因超过测试设备量程（300mA）而发生跳闸。
介损与偏压特性测试
在工厂测试车间和变电站现场对三台变压器分别进行了介损与偏压特性（Tip-up）测试，介损测试结果如表4.2所示和图4.1所示。从测试结果可以看出随着变压器状态的老化，介损值会降低降低，同时介损受电压的影响（升压介损）增加。
表4.2 三台变压器介损与偏压特性测试结果
表4.1 三台变压器高压绕组-低压绕组偏压特性测试结果
频域介电谱测试
高压绕组对低压绕组绝缘（CHL）的频域介电谱测试结果如表4.2和图4.3所示，测试电压是250V，频率范围是1-500Hz。测试结果表明变压器状态变差会使介损值发生下降，低频越低，状态的改变对介损的影响越大。此外，CHL和CHG的曲线形状与幅值均在合理范围内，说明高压对低压绕组及高压对地之间不存在显著的爬电回路（如果存在爬电现象，曲线会呈现每十倍频介损增加十倍的形状）。
表4.3 三台变压器频域介电谱测试结果
状态变化对1Hz低频介损的影响（0.695%）较工频介损更为显著（0.256%）
a）1#、2#和3#变压器高压绕组-低压绕组
b）3#变压器高压绕组-低压绕组和高压绕组-地
图4.3 频域介电谱测试结果
结论
经过现场试验与分析，使用DELTA4000-CN高压频域介电谱测试系统可实现以下目标：
1)通过高压励磁电流测试可评估绕组和铁芯的健康状况：励磁电流的急剧增大可能预示着存在匝间短路、铁芯故障等状况；
2) 通过介损与偏压特性测试可评估设备的老化状况：随着服役年限的增加，绝缘的介损值会下降，但测试电压幅值对介损的影响会增加，即测试电压越高UN（额定电压）和0.2 UN之间的介损差越大；
3)使用频域介电谱技术可更加灵敏地反映变压器状态的变化，对异常的介损值进行溯源。
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