0 引言
工頻試驗變壓器（以下簡稱試驗變壓器）作為高電壓絕緣試驗系統(tǒng)的核心設備，投資額巨大，屬于重大固定資產(chǎn)，若發(fā)生故障，維修費用高，維修周期長，其安全穩(wěn)定運行直接影響到經(jīng)濟效益。目前利用試驗變壓器進行檢測的產(chǎn)品涉及到各電壓等級高壓交直流輸變電設備[1-8]；相應地，試驗變壓器在試驗過程中不但要承受試品放電產(chǎn)生的電磁沖擊，還可能存在沿試品側(cè)試驗回路傳播過來的高頻電磁能量[9-10]，引起其匝間極不均勻電壓分布、甚至造成匝間絕緣損壞；因此對試驗變壓器實施有效的保護措施至關(guān)重要[11-12]。
測量試驗變壓器的電壓電流參數(shù)可為衡量保護措施有效性提供*直接數(shù)據(jù)。目前常規(guī)的測量原邊電流、副邊電流、原邊電壓和副邊電壓均為穩(wěn)態(tài)工頻參數(shù)[13]，不能反映試驗變壓器的暫態(tài)電磁能量狀況。雖然過流整定保護可以切斷試驗變壓器的電源，但不能消除可能已經(jīng)產(chǎn)生的試驗變壓器要承受的暫態(tài)電磁能量。云南電力試驗研究院研究人員采用沖擊電壓分壓器測量保護電阻工頻電壓輸出端沖擊電壓的數(shù)值，以確定工頻與沖擊合成試驗中工頻試驗變壓器受到?jīng)_擊電壓作用的強度[14]；由于在較高電壓等級下，為了滿足絕緣要求沖擊電壓分壓器尺寸會較大，其響應時間相應會較長[15]，因此該方法用于測量超高壓、特高壓下的高頻暫態(tài)電壓受到限制。華北電力大學馬國明博士研究了在變壓器高壓繞組末端測量 VFTO 后再通過計算反推變壓器入口電壓（即高壓繞組首端電壓）的間接測量方法[16]，該方法雖然不受電壓等級的限制，但變壓器繞組高頻阻抗網(wǎng)絡非常復雜[17- 23]，準確性尚不明確。
本文不再采用電壓參數(shù)測量的方法，而是著眼于電流參數(shù)測量，研制了一套安裝在試驗變壓器出口和保護電阻之間的電流測量系統(tǒng)。本系統(tǒng)基于Rogowski 電流傳感器和光電傳輸技術(shù)[15]，可用于測量工頻穩(wěn)態(tài)電流和暫態(tài)電流波形，可為衡量試驗變壓器保護措施的有效性、改進試驗回路以及試驗變壓器損傷、故障等相關(guān)的研究提供參考數(shù)據(jù)；避免盲目使用造成試驗變壓器絕緣損傷，對保障其安全運行和科研研究具有重要意義。
1 電流測量系統(tǒng)研制
1.1 工作原理
該系統(tǒng)包括高電位電流測量部分和低電位 PC機測量控制和波形還原部分。高低電位部分由光纖連接實現(xiàn)彼此之間的數(shù)據(jù)和控制信號傳輸。
高電位電流測量部分以電流傳感器、數(shù)據(jù)采集單元和光電傳輸為核心。電流傳感器測得的電流信號通過雙屏蔽電纜傳輸至數(shù)據(jù)采集單元，數(shù)據(jù)采集單元接光纖延長器，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號后經(jīng)光纖傳輸至低電位 PC 機還原為電流波形。低電位 PC 機還通過光纖和光纖延長器將控制信號傳送到數(shù)據(jù)采集單元。整個高電位電流測量部分由內(nèi)置的蓄電池供電。
1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖 1，其中高電位電流測量部分實物照片見圖 2。
在圖 1 和圖 2 中，1 為電流傳感器，2 為雙屏蔽電纜，3 為數(shù)據(jù)采集單元，4 為光纖延長器，5 為蓄電池，6 為光纖接頭保護罩，7 為**連接導桿，8 為端部絕緣，9 為屏蔽殼，10 為帶電池艙托盤，11 為有源光纜，12 為低電位 PC 機，13 為帶電池艙門蓋板，14為帶絕緣端蓋板，18 為**連接導桿。電流測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計說明如下：
（1）屏蔽殼為圓柱形殼體，兩端為圓形蓋板；其中一端為帶電池艙門蓋板，另一端為帶絕緣端蓋板；蓋板和屏蔽殼之間采用安裝螺絲連接；兩端圓形蓋板上均設置有屏蔽環(huán)。
（2）帶電池艙門蓋板外側(cè)中心焊接有**連接導桿，并用螺絲固定電池艙門和光纖接頭保護罩；帶電池艙門蓋板內(nèi)側(cè)焊接有帶電池艙托盤和光纖延長器托盤。
（3）帶電池艙托盤是兩端折邊的長方形平板，一邊焊接在帶電池艙門蓋板內(nèi)側(cè)，一邊焊接有**連接導桿，帶電池艙托盤一面焊接電池艙，另一面通過門型架固定數(shù)據(jù)采集單元。
（4）帶絕緣端蓋板中間開有圓形通孔，圓形通孔上安裝端部絕緣件，**連接導桿穿過端部絕緣件從屏蔽殼的帶絕緣端蓋板伸出到外側(cè)；端部絕緣件通過端部絕緣的固定套固定；端部絕緣的固定套通過螺絲固定在帶絕緣端蓋板外側(cè)。
（5）電流傳感器通過絕緣部件套在**連接導桿上，避免其外殼與導桿電氣連接引起外殼內(nèi)流通電流。
（6）光纖接頭保護罩由內(nèi)空的 2 個半圓柱型凸臺拼接而成，凸臺頂端有半圓形通孔用作光纖出口，凸臺底部設置有螺孔用于固定在帶電池艙門蓋板上；凸臺頂部設置有同尺寸圓環(huán)套在凸臺上，用于固定夾緊凸臺、屏蔽拼接縫隙。
（7）蓄電池設置在電池艙內(nèi)，蓄電池顯示和控制面板設置在電池艙門一側(cè)；光纖延長器設置在光纖延長器托盤上，光纖接頭藏于光纖接頭保護罩中與光纖連接。
1.3 技術(shù)參數(shù)
電流測量系統(tǒng)可測量*大沖擊電流峰值 1 000 A，*大工頻電流有效值 6 A，頻率范圍 50 Hz～20 MHz、工頻變比 60.1、沖擊變比 57.0，幅值測量誤差＜±5%，時間測量誤差<±10%。
（1）電流傳感器。選用 6600 型 Pearson 線圈：沖擊電流峰值 2 000 A、*大電流有效值 40 A、可用上升時間 5 ns、低頻截止頻率 40 Hz、高頻截止頻率120 MHz、靈敏度為 0.1 V/A，準確度為±1%。
（2）數(shù)據(jù)采集單元。采用集成式 Pico 示波器進行數(shù)據(jù)采集。Pico 示波器由 USB 供電，200 MHz 模擬帶寬、1 GS/s 實時采樣率、512 MS 緩存。準確測
量輸入電壓-20 V~+20 V，安全輸入電壓-70 V~+70 V。在 Pico 示波器輸入前接 1 個 15 dB30 W 帶寬 2 GHz的衰減器。
（3）光纖傳輸系統(tǒng)。采用光纖延長器和有源光纜，傳輸帶寬高達 5Gbps。光纜兩端的 USB 連接器均內(nèi)含 1 個 V0510 芯片用于實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，中部連接線為高速多模光纖用于傳輸信號。光纖延長器是集成了 SuperTT 技術(shù)的新一代 USB3.0 集線器，該光纖延長器一端接 Pico 示波器，一端接光纜的 USB連接器，可傳輸數(shù)據(jù)，還可給示波器供電。
（4）蓄電池。采用鋰蓄電池供電，供電電壓 5 V，蓄電池充滿電后的工作時間（連續(xù)）≥10 h。
1.4 高電位安裝方式
本裝置高電位部分屏蔽殼外部各邊緣圓滑過渡無棱角，直徑為 330 mm，長度為 380 mm，相對試驗變壓器均壓環(huán)和保護電阻絕緣支柱均壓環(huán)非常小。在較高電壓等級下為保證屏蔽殼自身不發(fā)生局部放電，屏蔽殼可置于兩側(cè)均壓環(huán)的屏蔽范圍內(nèi)，如圖 3（a）高電位部分安裝照片中紅色箭頭所指位置，安裝時可不改變原有保護電阻絕緣支柱與變壓器的距離，只需中心錯位約 200 mm，安裝細節(jié)示意如圖 3（b）所示。
2 性能試驗
由于目前尚無可用于高電位條件下的電流測量系統(tǒng)性能試驗設備，對本電流測量系統(tǒng)的性能試驗在低電位條件下進行。從理論上講，在高電位和低電位 2 種條件下的標定結(jié)果具有等價性。
2.1 頻率響應特性試驗
為了檢測該電流測量系統(tǒng)的頻率響應特性，用信號發(fā)生器進行從低頻到高頻的頻率響應特性試驗。信號發(fā)生器發(fā)出信號，經(jīng)三通一路傳到示波器，一路傳到該電流測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、光電轉(zhuǎn)換傳輸及波形還原部分，比較兩路信號測量數(shù)據(jù)，如表 1 所示。
從表 1 可見：從 50 Hz 到 20 MHz 之間測量誤差小于±5%，波形無失真。校驗結(jié)果說明該系統(tǒng)從50 Hz 到 20 MHz 均具有較好的測量準確度。
2.2 低電位下工頻小電流試驗
采用 HG6501 型多功能標準源輸出工頻電流，由本文研究的電流測量系統(tǒng)進行測量，測得的數(shù)據(jù)如表 2 所示。
由表 2 可見，測量 1~6 A 工頻電流的變比平均值為 60.1，測量均誤差＜±5%，滿足測量要求。
2.3 低電位下沖擊電流試驗
搭建 LC 振蕩回路產(chǎn)生沖擊電流，采用 101 型preason 羅氏線圈和 DPO4054 數(shù)字示波器測量系統(tǒng)（變比 0.01V/A）測得的電流作為源電流；將本文研
究的電流測量系統(tǒng)串聯(lián)在 LC 振蕩回路的接地端，試驗測得 5 組沖擊電流波形數(shù)據(jù)見表 3 和表 4 。
由表 3 和表 4 可見，該電流測量系統(tǒng)測量沖擊電流的變比平均值為 57.0，波形的幅值測量誤差＜5%，時間參數(shù)測量誤差＜10%，滿足測量要求。
3 變壓器高壓繞組首端電流測量
試驗選用串級式工頻試驗變壓器試驗系統(tǒng)，將電流測量系統(tǒng)安裝在變壓器高壓繞組首端和保護電阻之間，測量了支柱絕緣子工頻閃絡電流試驗和GIS 隔離開關(guān)開合小電流試驗中流過變壓器高壓繞組的電流[24]。
3.1 支柱絕緣子工頻閃絡電流試驗
試品選用瓷支柱絕緣子，工頻閃絡電壓為 167 kV。試驗回路如圖 4 所示，測量的絕緣子閃絡時流經(jīng)高壓繞組首端電流如圖 5 所示。
由圖 5 可知，流經(jīng)變壓器高壓繞組首端電流為波頭呈衰減振蕩的沖擊電流，電流測量系統(tǒng)測得值為 1.294 V，換算成電流幅值為 73.8 A，上升時間約為 62.5 ns，*大陡度約為 1.18 kA/μs。
3.2 GIS隔離開關(guān)開合感性小電流試驗
試品選用 550 kV GIS 隔離開關(guān)，工頻耐壓 740 kV，開合感性小電流 1 A。首先進行 GIS 隔離開關(guān)的1 min 工頻耐壓試驗，變壓器輸出電壓 740 kV，電流
測量系統(tǒng)的高電位部分未發(fā)生放電或其他異常，正常工作。試驗回路如圖 6 所示。
測量的工頻電壓 318 kV 時流經(jīng)高壓繞組首端的工頻小電流波形如圖 7 所示。
由圖 7 可見，電流測量系統(tǒng)測得值為 7.832 mV，換算成電流有效值為 0.47 A，與試驗變壓器輸出電流表測量有效值數(shù)值一致，試驗再次說明該電流測量系統(tǒng)可用于測量小工頻電流。
本試驗在工頻分壓器測得電壓為 318 kV 時進行了 3 次開合，筆者捕捉到的典型 GIS 隔離開關(guān)關(guān)合動作時流經(jīng)高壓繞組首端的電流首脈沖波形圖和電流全波形圖（兩圖非在同一次試驗測得）如圖 8 所示。
圖 8（a）中電流首脈沖波形呈衰減振蕩，測得值為 5.0 V，換算成電流峰值為 285 A，上升時間約為25 ns，*大陡度約為 11.4 kA/μs；圖 8（b）中電流全波形是由若干個衰減振蕩脈沖組成，*大脈沖峰值為 6.656 V，換算成電流峰值為 379.4 A，*大陡度約為 15.2 kA/μs。
4 通過電流測量結(jié)果判斷對變壓器損傷的方法
4.1 高陡度暫態(tài)電流對變壓器絕緣的損傷分析
根據(jù)電路基本原理：uL = L didt（其中 L 是電感，i為電流瞬時值，t 為時間），暫態(tài)電流的陡度 didt越大，試驗變壓器繞組匝間的電位差越大，由于電感有降低行波陡度的作用[25]，靠近高壓繞組首端的電位差*大，因此暫態(tài)電流對首端匝間絕緣的考核*為嚴酷。上述支柱絕緣子工頻閃絡電流試驗和 GIS 隔離開關(guān)開合感性小電流試驗中測得的暫態(tài)電流*大陡度分別為 1.18 kA/μs 和 15.2 kA/μs，后者約是前者的 13 倍，則施加在繞組匝間絕緣上的電位差
也是 13 倍關(guān)系，并且后者有若干高陡度振蕩暫態(tài)電流多次作用在變壓器上，造成累積的絕緣損傷；實驗室在隔離開關(guān)開合感性試驗時或之后，變壓器發(fā)生故障的情況常常發(fā)生。因此，測量變壓器高壓繞組首端電流，可以直觀地明確變壓器入端電流狀況，避免盲用使用造成變壓器絕緣損害，進而延長變壓器的使用壽命。
4.2 衡量試驗變壓器保護措施有效性的方法試驗變壓器的絕緣設計能夠耐受驗收試驗時的雷電/截波沖擊電壓試驗、操作沖擊電壓試驗的*大沖擊電流陡度，用（di/dt）max0 表示，那么在驗收試驗時測量高壓繞組首端暫態(tài)電流，得到（di/dt）max0作為變壓器絕緣安全的基準參數(shù)；將變壓器運行在各試驗回路、試驗過程中測得高壓繞組首端暫態(tài)電流的*大陡度（di/dt）max 與（di/dt）max0 對比，衡量變壓器保護措施的效果：若（di/dt）max>（di/dt）max0，則保護措施效果差，變壓器絕緣可能會受到損傷，試驗回路有待完善；若（di/dt）max≤（di/dt）max0，則保護措施能夠確保變壓器安全運行。同理，也可以用該方法，比較判斷試驗回路的改進效果，以便試驗人員掌握規(guī)律，避免摸不清楚變壓器高壓繞組首端電流的狀況就盲目試驗，對變壓器絕緣造成的不可自恢復的損壞。
由于試驗條件限制，對于已投入運行的試驗變壓器可能不便再重復驗收試驗以提取基準參數(shù)，而試驗變壓器絕緣設計要求能夠耐受試品擊穿或閃絡產(chǎn)生的暫態(tài)電流的作用，因此，試驗人員可在其試驗變壓器日常試驗過程中搜集各電壓等級各高壓電器試品發(fā)生擊穿或閃絡時高壓繞組首端暫態(tài)電流的*大陡度，合理選取基準參數(shù)。
