0 引言
工頻試驗(yàn)變壓器（以下簡稱試驗(yàn)變壓器）作為高電壓絕緣試驗(yàn)系統(tǒng)的核心設(shè)備，投資額巨大，屬于重大固定資產(chǎn)，若發(fā)生故障，維修費(fèi)用高，維修周期長，其安全穩(wěn)定運(yùn)行直接影響到經(jīng)濟(jì)效益。目前利用試驗(yàn)變壓器進(jìn)行檢測的產(chǎn)品涉及到各電壓等級高壓交直流輸變電設(shè)備[1-8]；相應(yīng)地，試驗(yàn)變壓器在試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)變壓器實(shí)施有效的保護(hù)措施至關(guān)重要[11-12]。
測量試驗(yàn)變壓器的電壓電流參數(shù)可為衡量保護(hù)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(yàn)變壓器的暫態(tài)電磁能量狀況。雖然過流整定保護(hù)可以切斷試驗(yàn)變壓器的電源，但不能消除可能已經(jīng)產(chǎn)生的試驗(yàn)變壓器要承受的暫態(tài)電磁能量。云南電力試驗(yàn)研究院研究人員采用沖擊電壓分壓器測量保護(hù)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(yàn)中工頻試驗(yàn)變壓器受到?jīng)_擊電壓作用的強(qiáng)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(huì)較大，其響應(yīng)時(shí)間相應(yīng)會(huì)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(xué)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(jì)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(luò)非常復(fù)雜[17- 23]，準(zhǔn)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(yàn)變壓器出口和保護(hù)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(yàn)變壓器保護(hù)措施的有效性、改進(jìn)試驗(yàn)回路以及試驗(yàn)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(yàn)變壓器絕緣損傷，對保障其安全運(yùn)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(jī)測量控制和波形還原部分。高低電位部分由光纖連接實(shí)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(jī)還原為電流波形。低電位 PC 機(jī)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(gè)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(shí)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(hù)罩，7 為**連接導(dǎo)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(jī)，13 為帶電池艙門蓋板，14為帶絕緣端蓋板，18 為**連接導(dǎo)桿。電流測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)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(dǎo)桿，并用螺絲固定電池艙門和光纖接頭保護(hù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)桿上，避免其外殼與導(dǎo)桿電氣連接引起外殼內(nèi)流通電流。
（6）光纖接頭保護(hù)罩由內(nèi)空的 2 個(gè)半圓柱型凸臺(tái)拼接而成，凸臺(tái)頂端有半圓形通孔用作光纖出口，凸臺(tái)底部設(shè)置有螺孔用于固定在帶電池艙門蓋板上；凸臺(tái)頂部設(shè)置有同尺寸圓環(huán)套在凸臺(tái)上，用于固定夾緊凸臺(tái)、屏蔽拼接縫隙。
（7）蓄電池設(shè)置在電池艙內(nèi)，蓄電池顯示和控制面板設(shè)置在電池艙門一側(cè)；光纖延長器設(shè)置在光纖延長器托盤上，光纖接頭藏于光纖接頭保護(hù)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(shí)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(shí)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(zhǔn)確度為±1%。
（2）數(shù)據(jù)采集單元。采用集成式 Pico 示波器進(jìn)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(shí)時(shí)采樣率、512 MS 緩存。準(zhǔn)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(gè) 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(dá) 5Gbps。光纜兩端的 USB 連接器均內(nèi)含 1 個(gè) V0510 芯片用于實(shí)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(shí)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(yàn)變壓器均壓環(huán)和保護(hù)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(shí)可不改變原有保護(hù)電阻絕緣支柱與變壓器的距離，只需中心錯(cuò)位約 200 mm，安裝細(xì)節(jié)示意如圖 3（b）所示。
2 性能試驗(yàn)
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(yàn)設(shè)備，對本電流測量系統(tǒng)的性能試驗(yàn)在低電位條件下進(jìn)行。從理論上講，在高電位和低電位 2 種條件下的標(biāo)定結(jié)果具有等價(jià)性。
2.1 頻率響應(yīng)特性試驗(yàn)
為了檢測該電流測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性，用信號發(fā)生器進(jìn)行從低頻到高頻的頻率響應(yīng)特性試驗(yàn)。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(yàn)結(jié)果說明該系統(tǒng)從50 Hz 到 20 MHz 均具有較好的測量準(zhǔn)確度。
2.2 低電位下工頻小電流試驗(yàn)
采用 HG6501 型多功能標(biāo)準(zhǔn)源輸出工頻電流，由本文研究的電流測量系統(tǒng)進(jìn)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(yàn)
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(yàn)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(shí)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(yàn)選用串級式工頻試驗(yàn)變壓器試驗(yàn)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(hù)電阻之間，測量了支柱絕緣子工頻閃絡(luò)電流試驗(yàn)和GIS 隔離開關(guān)開合小電流試驗(yàn)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(luò)電流試驗(yàn)
試品選用瓷支柱絕緣子，工頻閃絡(luò)電壓為 167 kV。試驗(yàn)回路如圖 4 所示，測量的絕緣子閃絡(luò)時(shí)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(shí)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(yàn)
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(jìn)行 GIS 隔離開關(guān)的1 min 工頻耐壓試驗(yàn)，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(yàn)回路如圖 6 所示。
測量的工頻電壓 318 kV 時(shí)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(yàn)變壓器輸出電流表測量有效值數(shù)值一致，試驗(yàn)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(yàn)在工頻分壓器測得電壓為 318 kV 時(shí)進(jìn)行了 3 次開合，筆者捕捉到的典型 GIS 隔離開關(guān)關(guān)合動(dòng)作時(shí)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(yàn)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(shí)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(gè)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(shí)值，t 為時(shí)間），暫態(tài)電流的陡度 didt越大，試驗(yàn)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(yán)酷。上述支柱絕緣子工頻閃絡(luò)電流試驗(yàn)和 GIS 隔離開關(guān)開合感性小電流試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室在隔離開關(guān)開合感性試驗(yàn)時(shí)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(jìn)而延長變壓器的使用壽命。
4.2 衡量試驗(yàn)變壓器保護(hù)措施有效性的方法試驗(yàn)變壓器的絕緣設(shè)計(jì)能夠耐受驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)的雷電/截波沖擊電壓試驗(yàn)、操作沖擊電壓試驗(yàn)的*大沖擊電流陡度，用（di/dt）max0 表示，那么在驗(yàn)收試驗(yàn)時(shí)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(zhǔn)參數(shù)；將變壓器運(yùn)行在各試驗(yàn)回路、試驗(yàn)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(hù)措施的效果：若（di/dt）max>（di/dt）max0，則保護(hù)措施效果差，變壓器絕緣可能會(huì)受到損傷，試驗(yàn)回路有待完善；若（di/dt）max≤（di/dt）max0，則保護(hù)措施能夠確保變壓器安全運(yùn)行。同理，也可以用該方法，比較判斷試驗(yàn)回路的改進(jìn)效果，以便試驗(yàn)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(yàn)，對變壓器絕緣造成的不可自恢復(fù)的損壞。
由于試驗(yàn)條件限制，對于已投入運(yùn)行的試驗(yàn)變壓器可能不便再重復(fù)驗(yàn)收試驗(yàn)以提取基準(zhǔn)參數(shù)，而試驗(yàn)變壓器絕緣設(shè)計(jì)要求能夠耐受試品擊穿或閃絡(luò)產(chǎn)生的暫態(tài)電流的作用，因此，試驗(yàn)人員可在其試驗(yàn)變壓器日常試驗(yàn)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(luò)時(shí)高壓繞組首端暫態(tài)電流的*大陡度，合理選取基準(zhǔn)參數(shù)。
