變壓器油的電氣性能監督中,介質損耗因數與體積電阻率常常出現在同一張檢驗報告上,也常常在同一臺儀器上完成測量。不少運維人員會把兩者當作同一件事的兩種說法:油臟了,兩項都不好;油還行,兩項都合格。這種理解在多數情況下能給出大致正確的判斷,可一旦遇到兩項結果相互矛盾的情形,便會失去解釋力——介質損耗因數已經越限,體積電阻率卻仍在合格區間;或者反過來,電阻率掉得很快,介損讀數變化不大。
要解釋這類現象,得回到兩項指標各自的物理含義。它們測的是同一批雜質與極性物質的兩個不同側面:一項在交流電壓下觀測能量耗散,一項在直流電壓下觀測導電能力。正因為觀測的物理過程不同,兩者對同一種污染的敏感度并不一致,也因此不存在一個可以無條件套用的換算公式。本文沿著“物理含義—為何不能互相替代—純電導模型下的定量關聯—標準體系如何安排—測量條件的影響—組合判讀—量值溯源—儀器配置”這條線索展開,并在末尾給出若干個高頻疑問的回答。
介質損耗因數記作 tanδ,定義為絕緣介質在正弦交流電壓下,有功功率與無功功率之比。把它寫成電路語言:一個理想電容器接入交流回路,電流相位超前電壓 90 度,不消耗任何能量;真實的油樣等效為一個理想電容并聯一個等效電阻,電流相位超前電壓的角度略小于 90 度,這一偏離量即為損耗角 δ,其正切值即 tanδ。
這個定義帶來兩個直接推論。其一,tanδ 是比值,無量綱,與試樣的幾何尺寸無關,因此不同電極結構的儀器測得的 tanδ 應當可以直接比較——當然,前提是測量條件一致。其二,tanδ 測量的是“這一刻在給定頻率下的總損耗”,它并不區分損耗來自哪一種機制。油里的載流離子在電場下遷移做功產生電導損耗,極性分子隨電場轉向產生弛豫損耗,乳化水滴與固體顆粒形成界面產生界面極化損耗,這些統統被記入同一個 tanδ 讀數里。
對油務監督而言,第二點既是優點也是缺點。優點是 tanδ 對多種劣化形態都敏感,是一項覆蓋面很寬的指標;缺點是它給出的只是一個加總后的數,無法反推劣化的性質。這也是為什么后面要討論它與體積電阻率的組合判讀。
體積電阻率記作 ρ,定義為單位體積材料對直流電流的阻礙能力,單位取歐·米。若在兩個電極之間充滿油樣,施加直流電壓 U,測得通過油體內部的穩態電流 I,再結合電極的有效面積與間距換算出的幾何系數,便可得到 ρ。數值越大,說明油中可遷移的帶電粒子越少、遷移越困難。
與 tanδ 相比,體積電阻率有幾點值得留意。它的物理指向更單一:在直流穩態下,極化過程已經完成,不再貢獻電流,測到的電流基本反映離子的定向遷移,因此 ρ 主要度量的是油中離子性雜質的含量與遷移能力。它的量綱帶單位,且數值跨度極大——新油可以高到 10 的 13 次方歐·米量級,劣化后的運行油可以低到 10 的 9 次方量級,前后相差四個數量級,因此對測量儀器的量程覆蓋要求很高。它受溫度的影響非常劇烈,溫度上升使油的黏度下降、離子遷移率提高,電阻率隨之明顯降低,所以方法標準與判據標準對測量溫度都作出了明確規定。
翻閱不同標準時會遇到一個容易困惑的現象:同一類量,有的標準叫“直流電阻率”,有的叫“體積電阻率”。GB/T 5654-2007 的標題為《液體絕緣材料 相對電容率、介質損耗因數和直流電阻率的測量》,用的是“直流電阻率”;DL/T 421-2009 的標題為《電力用油體積電阻率測定法》,GB/T 7595-2017 表 1 中的項目名稱為“體積電阻率”,用的是后者。
兩個術語指向的物理量在量綱與數值上一致,均為歐·米。這一差異主要來自術語體系:絕緣材料領域的標準習慣把“體積電阻率”與“表面電阻率”相對舉,強調測的是通過材料內部而非沿表面的電流;而在以直流電壓為測量條件的方法標準中,“直流”二字起著限定測量條件的作用,用以與交流條件下的等效參數相區別。讀報告時不必糾結名稱,認準單位與測量溫度即可。
GB/T 5654-2007 是一部值得單獨說明的標準,因為它的標題里同時出現了相對電容率、介質損耗因數與直流電阻率三項。這不是隨意的編排:在一臺帶溫控的測量池上,同一份油樣可以在同一個溫度點依次測出這三項,而三項之間恰好構成互相校驗的關系——電容率反映油的整體極化能力,介損反映交流損耗的加總,電阻率反映直流導電能力。三項并列測量,使判讀時多了一個參照維度。
油中若存在可遷移的離子,交流下的遷移做功產生電導損耗,直流下的遷移形成穩態電流。這同一批離子,同時被 tanδ 與 ρ 觀測到。換句話說,兩項指標的交集正是電導損耗,這一部分在物理上是嚴格關聯的,也給后面的定量推算留下了空間。
交流測量中不只有電導損耗。極性分子在交變電場下反復轉向,每一次轉向都存在摩擦與滯后,形成弛豫損耗;油中若混入乳化水或細微固體顆粒,兩相界面上會積累電荷,形成界面極化損耗。這兩類損耗的共同特點是:它們只在電場反復換向時持續消耗能量,而在直流穩態下并不產生持續的電流。
于是得到一個關鍵的判斷:極化損耗進入 tanδ,卻不進入 ρ。這是兩項指標無法互相替代的根本原因,也是“一項越限另一項未必越限”這一現象的物理來源。
情形一,介損越限而電阻率合格。若 tanδ 讀數明顯偏高而 ρ 仍在合格區間,按純電導模型推算出的 tanδ 應當偏低,兩者對不上,缺的那一部分只能由極化損耗來解釋。常見指向是氧化產生的極性老化產物、膠體狀物質,或是乳化水與固體顆粒形成的界面。
情形二,電阻率越限而介損合格。若 ρ 已經掉到限值附近而 tanδ 變化不大,需要留意兩件事:一是電阻率對離子性污染格外敏感,微量離子即可使其顯著下降,而同樣的污染量對 tanδ 的貢獻可能仍在讀數波動范圍內;二是介損測量在較小的數值區間內受儀器分辨力與讀數穩定性的限制,其分辨能力有限。此時不宜據此判定油質無虞,應當結合趨勢判斷。
情形三,兩項同時劣化。此時電導損耗已經占據主導,劣化通常進入較深階段,往往伴隨酸值上升、界面張力下降與水分超標。這種情形下兩項指標相互印證,判讀難度反而較小。
在單一弛豫時間的德拜模型下,若介質僅存在電導損耗,則 tanδ 與電阻率之間存在一個簡潔的關系:
tanδ = 1 / (ω·C·R) = 1 / (2πf·ε?·εr·ρ)
式中 f 為試驗頻率,ε? 為真空介電常數,取 8.854 乘 10 的負 12 次方 法/米,εr 為油的相對電容率,ρ 為體積電阻率。這個式子的含義直觀:頻率越低、電容率越大、電阻率越小,則同樣的幾何條件下電流中的有功分量占比越高,損耗角正切越大。
需要強調的是,這是純電導假設下的理論關系,不是任何標準給出的換算條款。實際油樣中普遍存在極化損耗,實測 tanδ 通常高于該式的推算值。
把 GB/T 7595-2017 表 1 中兩項限值成對代入,可以得到一組值得留意的結果。取試驗頻率 50 赫、相對電容率約 2.2 作估算:
對 500 kV 至 1000 kV 的運行油,體積電阻率限值為不低于 1 乘 10 的 10 次方 歐·米,代入后得到 tanδ 約 0.016,而該檔介損限值為不大于 0.020。
對 330 kV 及以下的運行油,體積電阻率限值為不低于 5 乘 10 的 9 次方 歐·米,代入后得到 tanδ 約 0.033,而該檔介損限值為不大于 0.040。
兩個檔位上的推算值都落在各自限值之內,且都略低于限值。若考慮到 90 攝氏度下油的相對電容率會略低于常溫值,取 2.0 重新計算,推算值分別變為約 0.018 與約 0.036,結論不變。
上述計算說明,GB/T 7595-2017 表 1 中兩項指標的限值在物理上是相互協調的:當電阻率恰好處于限值時,純電導機制所能貢獻的介損尚未觸及介損限值,留出的余量恰好可以容納一定程度的極化損耗。這一點對判讀很有用——它意味著兩項限值并非各自孤立設定,而是共同約束著同一種劣化趨勢的不同側面。
盡管存在上述關系,仍不能把它當作換算公式使用。原因有三。其一,實際油樣幾乎都含極化損耗,實測 tanδ 高于推算值,用 tanδ 反推 ρ 會低估電阻率。其二,相對電容率本身隨油種、溫度與劣化程度變化,取 2.2 只是工程估算。其三,電阻率對溫度極為敏感,兩項測量若溫度條件有細微差異,推算結果便會明顯偏離。因而在報告判讀中,兩項應各自與標準限值比較,不應互相折算。
GB/T 5654-2007《液體絕緣材料 相對電容率、介質損耗因數和直流電阻率的測量》于 2007 年 12 月 3 日發布、2008 年 5 月 20 日實施,現行有效,2021 年 12 月 28 日復審結論為繼續有效,全部代替 GB/T 5654-1985,等同采用 IEC 60247:2004。該標準由全國絕緣材料標準化技術委員會歸口,中國標準分類號 K15,國際標準分類號 29.035.99,起草單位為桂林電器科學研究所。
其適用范圍值得原文引述:標準規定了在試驗溫度下液體絕緣材料的介質損耗因數、相對電容率和直流電阻率的測量方法,“主要是對未使用過的液體做參考性試驗,但也適用于在運行中的變壓器、電纜和其他電工設備中的液體”。同時標準也給出了兩點限定:只適用于單相液體;對于非碳氫化合物絕緣液體,要求采用其他清洗方法。
DL/T 421-2009《電力用油體積電阻率測定法》于 2009 年 7 月發布、2009 年 12 月 1 日實施,現行有效,全部代替 DL 421-1991。該標準由電力行業電廠化學標準化技術委員會歸口,中國標準分類號 E38,國際標準分類號 29.040.10,正文 8 頁,備案號 26315-2009,起草單位為無錫供電公司與西安熱工研究院有限公司。
其適用范圍為“規定了絕緣油、抗燃油體積電阻率的測定方法”,適用于絕緣油與抗燃油的測定,其他油類介質可參照。標準結構為:范圍、規范性引用文件、方法概要、體積電阻率測試儀、試劑和材料、準備工作、試驗步驟、報告、精密度,外加規范性附錄 A 體積電阻率測試電極杯。
與 1991 版相比,2009 版作了幾項值得留意的修訂:標準名稱由《絕緣油體積電阻率測定法》改為《電力用油體積電阻率測定法》,適用范圍中增加了抗燃油,新增了體積電阻率測定儀的技術要求,規范了方法步驟,刪除了獨立的計算部分而把相關內容并入“方法概要”,同時取消了原附錄 A 并新增規范性附錄 A 規定電極杯。一部方法標準專門用規范性附錄去規定電極杯,足見電極結構對這項測量的影響之重。
GB/T 7595-2017《運行中變壓器油質量》于 2017 年 5 月 12 日發布、2017 年 12 月 1 日實施,現行有效,全部代替 GB/T 7595-2008,2024 年 8 月 23 日復審結論為整合修訂。該標準由全國電氣化學標準化技術委員會歸口,主管部門為中國電力企業聯合會,中國標準分類號 F24,國際標準分類號 27.100,正文 7 頁,起草單位包括西安熱工研究院有限公司、中國石油克拉瑪依潤滑油研究所、江蘇省電力公司電力科學研究院、國網天津電力科學研究院與廣東電網有限責任公司電力科學研究院。
其適用范圍有一條常被忽略的邊界:適用于充入電氣設備的礦物變壓器油和斷路器用油在運行中的質量監督,但不適用于在電纜或電容器中用作浸漬劑的礦物絕緣油。做油務監督時若涉及電纜或電容器用油,須另尋判據。
表 1“運行中礦物變壓器油質量標準”中與本文相關的兩項為:
介質損耗因數(90 攝氏度),檢驗方法列為 GB/T 5654——500 kV 至 1000 kV 等級,投入運行前不大于 0.005、運行油不大于 0.020;330 kV 及以下等級,投入運行前不大于 0.010、運行油不大于 0.040。
體積電阻率(90 攝氏度),單位為歐·米,檢驗方法列為 DL/T 421——500 kV 至 1000 kV 等級,投入運行前不低于 6 乘 10 的 10 次方、運行油不低于 1 乘 10 的 10 次方;330 kV 及以下等級,投入運行前不低于 5 乘 10 的 10 次方、運行油不低于 5 乘 10 的 9 次方。
同表中還有若干項與兩項指標存在物理關聯,判讀時宜放在一起看:水分在 330 kV 至 1000 kV 等級投入運行前不大于 10 毫克/升、運行油不大于 15 毫克/升,220 kV 等級為不大于 15 與不大于 25,110 kV 及以下為不大于 20 與不大于 35;酸值投入運行前不大于 0.03 毫克氫氧化鉀/克、運行油不大于 0.10;界面張力(25 攝氏度)投入運行前不小于 35 毫牛/米、運行油大于 25;擊穿電壓按電壓等級分檔,750 kV 至 1000 kV 等級投入運行前不小于 70 千伏、運行油不小于 65 千伏,500 kV 等級為不小于 65 與不小于 55,330 kV 等級為不小于 55 與不小于 50,66 kV 至 220 kV 等級為不小于 45 與不小于 40,35 kV 及以下為不小于 40 與不小于 35。
這是一個值得追問的細節:GB/T 5654 本身已規定了直流電阻率的測量,而 GB/T 7595-2017 表 1 中體積電阻率一欄卻把檢驗方法列為 DL/T 421。
可以從兩條線索理解。一是歸口與適用對象的差異:GB/T 5654 歸口于絕緣材料領域的標準化技術委員會,面向液體絕緣材料這一更大的范疇,其適用表述以“未使用過的液體做參考性試驗”為主,對運行中設備中的液體只是“也適用于”;DL/T 421 則由電力行業電廠化學標準化技術委員會歸口,從標題起即鎖定電力用油,適用范圍還專門納入了抗燃油,與電力現場的實際對象更貼合。二是技術規定的細致程度:DL/T 421-2009 用規范性附錄規定了電極杯,并專門給出體積電阻率測試儀的技術要求,而這在通用方法標準中未必展開到同等程度。
由此也可以看出方法標準與判據標準的分工:方法標準解決“怎么測”,判據標準解決“測到什么程度算合格”,判據標準引用哪一部方法標準,取決于該方法在本行業的可操作性與貼合度。
做判讀與選方法時,有兩條邊界須記住。其一,GB/T 5654-2007 只適用于單相液體,對非碳氫化合物絕緣液體還要求采用其他清洗方法——合成酯絕緣油、硅油等非礦物油的測量不能簡單套用。其二,GB/T 7595-2017 不適用于在電纜或電容器中用作浸漬劑的礦物絕緣油。前者限定的是方法,后者限定的是判據,兩者不可混淆。
溫度對兩項指標都有顯著影響,但作用方式不同。對體積電阻率,溫度升高使油的黏度下降、離子遷移率上升,電阻率隨之明顯下降,這一趨勢在整個測量溫區內是單調的。對介質損耗因數,情況稍復雜:電導損耗部分隨溫度上升而增加,而弛豫損耗部分隨溫度升高其弛豫時間縮短、損耗峰向高頻側移動,在工頻下的貢獻可能先增后減,兩者疊加后的凈效果須視油中主導損耗機制而定。
這正是判據標準把兩項的測量溫度統一規定在 90 攝氏度的原因之一。統一溫度點帶來三重好處:消除了溫度差異造成的數據不可比;在較高溫度下離子活動充分,指標對污染的敏感度提高;與設備運行時的實際熱狀態更為接近。也正因如此,測量前的恒溫是否充分、溫控是否準確,直接決定了兩項數據的可用性。
電極結構對兩項測量的影響方式不同,但都不可忽略。對電阻率測量,電極的關鍵在于幾何系數的確定性與邊緣效應的處理:測量池通常設置保護電極,把沿杯壁與液面的泄漏電流引開,使測得的電流只反映通過油體內部的電流。若保護電極失效或接線錯誤,表面泄漏電流會被計入,測得的電阻率會顯著偏低。DL/T 421-2009 用規范性附錄專門規定體積電阻率測試電極杯,正是出于這一考慮。
對介損測量,電極的影響更多體現在雜散電容與接觸狀態上。電極表面若殘留上一份油樣、清洗劑或纖維,會引入額外的損耗;電極氧化或劃傷會改變有效面積與場分布。兩類測量共同的要求是:清洗徹底、干燥完全、裝配到位。
取樣是整條測量鏈上極易被輕視、也極易引入誤差的環節。電力用油取樣有專門的方法標準作出規定,實際操作中須注意取樣容器的潔凈與干燥、取樣閥死油的排放、容器的沖洗與注滿方式、密封與標識、運輸與存放條件。任何一環出問題——容器殘留水分、取樣時混入空氣、運輸途中日曬——都會在兩項指標上留下痕跡,且往往難以從數據本身反推來源。
注油與靜置同樣有講究。注油過急會產生氣泡與湍流,氣泡的介電常數遠低于油,停留在電極間會改變等效電容并引入虛假損耗;注油后若未充分靜置,油溫與電極溫度尚未平衡,讀數會持續漂移。合理的做法是控制注油速度、注油后靜置至溫度穩定再開始測量,具體時長按所用儀器與規程的要求執行。
兩項測量的試驗電壓都須按所采用的方法標準與規程的規定選取。對介損測量,試驗電壓主要影響讀數的信噪比與是否觸及非線性區;對電阻率測量,電場強度的影響更值得留意:在較低場強下油中電流與電壓近似滿足歐姆關系,電阻率與場強無關,而當場強提高到一定水平后,離子解離與電極注入效應使電流偏離線性,測得的電阻率會隨電壓變化。這提示兩點:一是測量電壓應落在方法與規程規定區間內;二是同一臺設備歷次測量應使用相同的電壓設定,否則數據的縱向可比性會被破壞。
北京康高特(KGT)自主研發的太乙絕緣油介損測試儀,其交流測試電壓范圍為 500 伏至 2000 伏、頻率 50 赫,直流測試電壓范圍為 125 伏至 500 伏,浪涌電壓范圍 100 伏至 300 伏,電壓分辨率為 1 伏,這一覆蓋區間可滿足常規礦物變壓器油按上述兩項方法標準測量的需要。
體積電阻率測量中還有一個容易被忽視的時間因素。施加直流電壓的瞬間,回路中的電流由三部分構成:給電極幾何電容充電的位移電流,衰減很快;油中各種極化過程建立時產生的吸收電流,衰減較慢;由離子定向遷移形成的傳導電流,基本不隨時間變化。隨時間推移,前兩者逐漸消失,回路電流趨于傳導電流。
這一過程的實際影響是:若讀數過早,電流中仍含有吸收分量,測得的電流偏大,換算出的電阻率偏低。因此方法標準會對加壓后的讀數時刻作出規定,操作時須嚴格照此執行,不能憑經驗提前。同一臺設備歷次測量的讀數時刻也應保持一致,否則數據之間不可比。
介損測量中同樣存在時間因素,不過方向不同:它追求的是油溫充分平衡后的穩定讀數,而非某一固定時刻的瞬時值。判據是讀數不再單向漂移。
GB/T 5654-2007 的適用范圍中有兩條限定值得留意:本標準只適用于單相液體;對非碳氫化合物絕緣液體,則要求采用其他清洗方法。后一條對礦物變壓器油之外的油品影響尤為直接——合成酯絕緣油與硅油在極性、黏度、吸濕特性上都與礦物油不同,測量池的清洗方式不能沿用礦物油的溶劑與流程,否則殘留會直接影響兩項讀數。
由此還帶出一個判據上的連鎖問題。GB/T 7595-2017 表 1 針對的是礦物變壓器油與斷路器用油,當設備中使用的是非礦物絕緣油時,兩項指標的限值不能直接套用該表,應以該類油品對應的判據或油品供應商給出的指標為準,并在報告中注明油種與所用判據。
混油是另一類常見情形。不同牌號、不同基礎油的絕緣油混合后,其電氣性能未必是簡單的加權平均,添加劑之間還可能發生相互作用。若混油后兩項指標出現異常,應先確認混油的相容性,再考慮其他劣化原因。
兩項同時超出限值時,電導損耗已占主導,劣化通常進入較深階段。此時的處置思路相對清晰:先排查污染來源——是密封失效導致外界水分與空氣進入,還是內部固體絕緣老化釋放極性產物,或是補錯了油、混入了不同牌號的油;再結合酸值、界面張力與水分數據交叉驗證。這一情形下兩項指標互相印證,判讀難度不大,但往往意味著留給處置的時間已經不多。
這一點足以體現兩項互補的價值。按純電導模型,此時的電阻率水平不足以支撐如此高的介損讀數,缺額部分來自極化損耗。常見的指向有三類:氧化產生的極性老化產物與膠體,其分子具有固有偶極矩,在工頻下產生顯著的弛豫損耗;乳化態水分與細微固體顆粒形成的界面極化;混入的極性污染物,包括不同牌號油的混用、清洗劑殘留。
處置上,介損越限而電阻率尚好,通常提示劣化處于相對早期,污染物的量還不算大,但性質較為活躍。此時追查來源并及時采取再生或換油措施,往往能取得較好的效果。若只測其中一項,這一階段的信號很可能被漏掉。
這一情形相對少見,出現時應先復核測量本身。電阻率對離子性污染極為敏感,微量離子即可使其明顯下降,而同樣程度的污染對介損的貢獻可能仍在讀數波動之內。復核的重點包括:恒溫是否充分、電極與測量池是否潔凈干燥、測試電壓設定是否與歷史數據一致、油樣是否在取樣后放置過久。
若復核后數據確鑿,則提示污染以離子性為主且量尚不大,極化損耗尚不顯著。這類信號的價值在于早發現:它常常出現在明顯劣化之前,是趨勢跟蹤中值得留意的轉折點。
GB/T 7595-2017 表 1 給出的項目并非彼此獨立,幾項之間存在明確的物理聯系。水分與兩項指標的關系極為直接:溶解態水分對介損影響相對有限,一旦出現乳化或游離水,界面極化顯著抬升介損,同時離子性雜質的遷移條件改善,電阻率隨之下降。酸值反映氧化程度,氧化產生的有機酸既直接增加離子濃度、拉低電阻率,也帶來極性分子、抬高介損。界面張力對氧化產物與極性物質極為敏感,其下降通常先于介損的明顯上升,是劣化早期的靈敏指示。
因此判讀時不宜孤立地看某一項。若介損與電阻率雙雙接近限值,而酸值與界面張力尚好,多半指向外來污染或受潮;若酸值上升、界面張力下降與兩項指標劣化同時出現,則更符合氧化老化的圖景。
兩項指標的實測數值都受測量條件影響,單次數據與限值的比較只能給出“合格與否”的二元結論。把歷次數據連成曲線,看變化速率與變化形態,信息量要大得多:緩慢單調的變化通常對應正常的老化進程,突然的階躍多指向外部事件——進水、混油、密封失效、異常過負荷。因此試驗臺賬的價值不在于存下一堆數據,而在于使每一次測量都能與上一次對齊。
DL/T 596-2021《電力設備預防性試驗規程》規定了運行中交流電力設備預防性試驗的項目、周期、判據和方法等要求,適用于 750 kV 及以下的交流電力設備,其中絕緣油的試驗項目與周期按設備電壓等級分級給出。具體周期以現行規程與各網省公司的實施細則為準。規程給出的周期是下限,不是上限;當數據出現劣化趨勢時,縮短周期、加密跟蹤,比等到下一個周期再去復核要穩妥得多。
JJF 1618-2017《絕緣油介質損耗因數及體積電阻率測試儀校準規范》于 2017 年 2 月 28 日發布、2017 年 5 月 28 日實施,現行有效,正文 24 頁,由全國電磁計量技術委員會高壓計量分技術委員會歸口,中國標準分類號 A55,國際標準分類號 17.220,主要起草單位包括河南省計量科學研究院等。
這部規范與本文主題高度契合,因為它一部規范同時覆蓋了介質損耗因數與體積電阻率兩項,為“同一臺儀器測兩項、同一份規范管兩項”提供了量值溯源上的支撐。其適用范圍原文表述為:適用于絕緣油介質損耗因數及體積電阻率測試儀(簡稱油介損儀)的校準,不適用于高壓介質損耗因數測試儀和高壓電容電橋的校準。后半句劃出的邊界同樣重要——現場用于測量高壓設備本體 tanδ 的高壓介損儀與高壓電容電橋,不屬于這部規范的對象。
規范引用的文件包括 GB/T 21216-2007、JJG 690-2003、GB/T 5654-2007、GB/T 16927.2-2013、DL/T 421-2009 與 JJG 1005-2019??梢钥吹剑椒藴剩℅B/T 5654、DL/T 421)與計量檢定規程(JJG 690、JJG 1005)在其中同時出現,構成了一條從測量方法到量值傳遞的完整鏈條。
與校準規范并行存在的還有設備產品標準。DL/T 846.14-2023《高電壓測試設備通用技術條件 第十四部分:絕緣油介質損耗因數及體積電阻率測試儀》于 2023 年 5 月 26 日發布、2023 年 11 月 26 日實施,代替 DL/T 1305-2013,中國標準分類號 F29,國際標準分類號 27.100。
兩者管的是不同環節:產品標準規定的是這類儀器在出廠檢驗與型式試驗中應達到的技術要求,超出即判不合格,屬于合格判據;校準規范規定的是使用中的儀器如何校準、給出哪些計量特性,校準結果連同測量不確定度一并給出,供使用方自行判斷該儀器是否滿足自己的使用要求,屬于校準結果參考。理解這一區分,有助于正確處理“儀器合格”與“數據可用”的關系——出廠合格不等于可以無限期免校準,校準有數據也不等于可以據此判廢。
部分絕緣油介損測試儀配有校準檢查器,即一組內置或外接的標準器件,可在不作完整校準的條件下快速核查儀器讀數是否漂移。太乙絕緣油介損測試儀配有校準檢查器,其指標為:介質損耗因數精度為校準值的正負百分之二,相對電容率精度為校準值的正負百分之一,電阻精度為校準值的正負百分之一,電容精度為校準值的正負百分之一。
校準檢查器的定位是期間核查,不能替代周期校準。合理的用法是:在兩次周期校準之間,用校準檢查器定期核查儀器讀數,若發現漂移趨勢,及時送校;周期校準仍按 JJF 1618-2017 的規定執行,周期長短結合使用頻次與數據重要程度確定。
從原理上看,一臺儀器要同時把 tanδ 與體積電阻率測好,須滿足三方面的條件。測量電路上,須同時具備交流測量通道與直流測量通道,前者用于介損與電容率,后者用于電阻率,兩條通道的量程與分辨率要分別覆蓋兩項指標的跨度量程。溫度控制上,須具備可控的加熱與準確的測溫能力,溫控范圍覆蓋標準規定的測量溫度點,溫度分辨力與控溫準確度足以支撐數據的縱向可比。電極與測量池上,須具備結構明確、可清洗、幾何系數穩定的測量池,并按方法要求設置保護電極。
這三條中,溫度控制常常是決定數據質量的關鍵。兩項指標對溫度都敏感,一臺溫控不穩的儀器,即便電路做得很精細,也難以給出可復現的結果。
太乙絕緣油介損測試儀由北京康高特(KGT)自主研發,可測量絕緣油的損耗因數、電阻率與介電常數三項,按官方產品頁給出的規格,主要參數如下。
測量能力方面,介質損耗因數測量范圍自大于 1 乘 10 的負 6 次方 至 4,分辨率為正負 1 乘 10 的負 6 次方 與正負 1 乘 10 的負 5 次方兩檔;相對電容率測量范圍 1.0 至 30,精度 0.01;電容范圍為標稱值的正負百分之五;官方參數表中與電阻相關的量程標注為 2.5 兆歐 至 100 太歐·米,該行在原表中與電容參數同欄列出、單位寫法未作統一,按其量級判斷應為電阻率量程,其上限對礦物變壓器油留有充分余量。
溫度控制方面,測試溫度范圍 10 攝氏度至 110 攝氏度,溫度分辨率 0.1 攝氏度,控溫精度正負 1 攝氏度,加熱方式為電磁感應加熱或集成加熱,并配直接溫度傳感器實時監測溫度變化。這一溫度范圍完整覆蓋了 GB/T 7595-2017 表 1 規定的 90 攝氏度測量點。
測試電壓方面,交流 500 伏至 2000 伏、50 赫,直流 125 伏至 500 伏,浪涌電壓 100 伏至 300 伏,電壓分辨率 1 伏。
結構與安全方面,整機重量 22 千克,防護等級 IP30,接口為 USB Type B,電磁兼容按 CISPR 11,安全按 IEC 61010;測試單元雷擊浪涌安全 2000 伏、1.2/50 微秒、CAT III 300 伏,絕緣安全 60 千伏歷時 10 秒,絕緣電阻參數標注為 5 吉歐、500 伏直流、5 兆歐,精度正負百分之一,內置電容 200 皮法正負百分之一;配高壓切斷電路、防油鍵盤與透明防護蓋。
使用環境方面,供電 100 伏至 240 伏、50/60 赫、300 伏安,操作環境溫度負 20 攝氏度至正 55 攝氏度,存儲環境溫度負 40 攝氏度至正 70 攝氏度,濕度 90% 無凝結。
數據管理方面,內置預編程的國際標準測試流程并支持用戶自定義測試序列,支持測試結果存儲、打印與通過 USB 接口導出至計算機。
采購與驗收時,建議把下列項目逐條落到書面:介質損耗因數的量程下限與分辨率——下限越低、分辨率越高,越能分辨新油與輕度劣化油;電阻率的量程上限——須覆蓋本企業所用油品的上限,以 100 太歐·米 為上限的量程對礦物變壓器油而言留有充分余量;溫控范圍與控溫精度——是否覆蓋 90 攝氏度測量點及其穩定度;測試電壓的覆蓋范圍與切換方式——能否滿足不同方法與規程的設定;測量池的結構與可維護性——是否設置保護電極、是否便于拆洗、幾何系數是否穩定;校準檢查器的配置與指標;校準依據——能否按 JJF 1618-2017 出具校準證書;數據管理與導出能力——能否滿足臺賬與上報要求。
其中測量池的可維護性在選型時容易被忽略,卻直接影響日常使用:一個拆洗不便、裝配后幾何系數易變的測量池,會顯著增加單次測量的準備時間,也會增加數據離散。
把儀器帶到變電站現場測量,與在實驗室測量相比,差異主要落在環境與流程上。現場的環境溫度跨度大,儀器從車內搬到現場后須有足夠的熱平衡時間;現場供電條件與電磁環境復雜,須確認儀器的供電范圍與電磁兼容等級是否適配;現場的潔凈條件有限,取樣與注油環節更容易引入污染,操作紀律須更嚴格。
從參數上看,太乙絕緣油介損測試儀的操作環境溫度范圍為負 20 攝氏度至正 55 攝氏度,防護等級 IP30,供電范圍 100 伏至 240 伏、50/60 赫,這些指標是判斷其能否適應現場條件的直接依據。需要說明的是,IP30 的兩個特征數字中,3 表示防止直徑不小于 2.5 毫米的固體異物侵入,0 表示未對防水作出專門保護,戶外使用時應避免雨雪與揚塵直接接觸儀器。
從判據的角度看,GB/T 7595-2017 表 1 把兩項同列為質量項目,理應同時測定。從技術的角度看,兩項的互補性決定了只測一項會留下盲區:只測介損會漏掉以離子電導為主的早期污染,只測電阻率會漏掉極化損耗帶來的劣化。若因條件所限只能測一項,則須在報告中注明,并縮短下一次的檢測間隔。
差別主要來自溫度控制、環境潔凈度與操作規范性。實驗室條件下這三項都更容易保證,數據的重復性通常更好;現場條件下只要儀器溫控達標、操作規范,絕大多數情況下可以得到與實驗室一致的結論。關鍵在于不要把現場測量當作簡化流程的借口——取樣、注油、恒溫、清洗這些環節一步都不能省。
周期校準的依據是 JJF 1618-2017。具體周期的長短,規范本身給出的是校準方法而非強制的周期數值,實際確定時應結合使用頻次、數據的重要程度與期間核查的結果:高頻使用或數據用于重要判定的儀器宜縮短周期,使用頻次低且有期間核查記錄的儀器可適當延長,但均須保證不出現超期未校仍在出報告的情形。把校準到期提醒納入設備臺賬,是避免合規風險較為省事的辦法。
不是。GB/T 7595-2017 表 1 對投入運行前的油與運行油分別給出限值,前者嚴于后者,例如 500 kV 至 1000 kV 等級的介質損耗因數,投入運行前不大于 0.005 而運行油不大于 0.020。這反映出一條基本認識:油在服役過程中必然發生一定程度的老化,判據的作用是把它約束在可控范圍內,而不是要求它永遠維持新油的水平。驗收新油與監督運行油,須對照各自欄目的限值。
會。油樣在存放過程中會繼續與容器內的殘余空氣接觸、吸濕,并可能發生進一步氧化;若容器密封不良或存放環境溫度偏高,變化會更快。因此取樣后應盡快完成測量,確有困難時須按規程規定的條件存放并在報告中注明。判讀時若發現某批數據整體偏離,也應把取樣至測量的間隔作為一個排查方向。
方向一致但機理不同。兩項都隨溫度升高而變差——電阻率下降、介損的電導分量上升。但對介損而言,弛豫損耗的貢獻隨溫度變化并非單調,凈效果取決于油中主導的損耗機制。這正是標準把溫度統一定在 90 攝氏度的意義所在:固定溫度后,兩項數據的可比性與可解釋性都能得到保證。
可能有兩方面的原因。一是判據要求:不同設備、不同電壓等級、不同網省的實施細則對油質項目的選取可能作出不同的規定,有的把體積電阻率列為選做項。二是測量條件:體積電阻率對電極潔凈度、恒溫充分程度與儀器量程的要求更高,部分實驗室條件不具備時可能不做此項。無論哪種原因,若需要判斷污染性質,兩項配套的意義都大于單項。
對兩項測量都有影響,表現形式不同。對介損,殘留的極性物質與纖維會引入額外的損耗,讀數偏高;對電阻率,殘留的離子性物質與水分會提供額外的載流子,讀數偏低。兩個方向的偏差疊加,恰好會制造出“介損越限而電阻率合格”的假象,與真實的老化信號難以區分。因此測量池的清洗與干燥,是這類測量中基礎且不能省的步驟。
介質損耗因數與體積電阻率不是同一件事的兩種說法,而是從交流損耗與直流導電兩個方向觀測同一批雜質與極性物質所得到的結果。兩者的交集是電導損耗,這一交集在純電導模型下可由 tanδ 等于 1 除以 2π 乘以頻率、真空介電常數、相對電容率與電阻率的乘積這一關系定量描述;把 GB/T 7595-2017 表 1 的限值成對代入,兩檔所得推算值均落在各自限值之內且趨勢一致,說明兩項限值在物理上是協調設定的。兩者的差異在于極化損耗只進入介損而不進入電阻率,這一差異正是“一項越限另一項未必越限”的成因,也決定了兩項必須配套測量才能覆蓋各自的盲區。
落到執行層面,有三條經驗值得記住。判讀時把兩項與水分、酸值、界面張力放在一起看,污染的性質比單項數值更重要。測量時把溫度、電極潔凈度與測試電壓設定固定下來,數據的縱向可比性比單次合格的結論更有價值。溯源時區分產品標準與校準規范的分工,出廠合格不等于免校準,周期校準配合期間核查才是讓每一份報告都能對外負責的做法。
對北京康高特(KGT)而言,太乙絕緣油介損測試儀的設計目標正是圍繞這兩項指標的配套測量展開:在同一臺儀器上完成損耗因數、電阻率與介電常數的測量,用 10 攝氏度至 110 攝氏度、控溫精度正負 1 攝氏度的溫控覆蓋標準規定的 90 攝氏度測量點,用按官方參數表標注的 2.5 兆歐 至 100 太歐·米 電阻量程與自 1 乘 10 的負 6 次方 起的介損量程應對從新油到深度劣化油的全區間,并配校準檢查器支持期間核查。把儀器能力、方法標準與判據標準串起來看,油務監督這件事的答案會清楚很多。