对绝缘油耐电压能力的考核通常采用绝缘油介电强度测量仪进行测试。采用普通高压分压器对绝缘油介电强度测试仪进行校准会出现２个问题：首先测试仪的带负载能力较弱，当分压器的输入阻抗小于测试仪的带载能力时，输出电压就会发生跌落；其次校准需要模拟测试时仪器的实际使用状态，校准装置需要具有与装有绝缘油油杯相同的阻抗。本文采用有限元分别对不同结构的圆盘电极、球形电极以及球盖形油杯电极进行建模计算，得到了不同油杯的电容量大小，同时用高精度ＬＣＲ电桥对不同结构电极的电容量进行测量，据此设计了中间接地的双电容分压器的矢量信号测量装置，试验结果表明该校验装置可以有效匹配绝缘油介电强度测试仪的油杯阻抗，并能满足了对于测试仪矢量输出量值的准确溯源。研究了用全绝缘电压互感器对此标准装置进行校准，通过和中国国家高电压计量站的比对证明了用互感器串联加法校准的有效性。

关键词：绝缘油介电强度测试仪；矢量输出；有限元分析；双电容分压器；电压互感器

绝缘油是一种广泛应用于电力变压器、电压互感器等高压电气设备中的绝缘介质。绝缘油在长期运行过程中，会发生品质劣化而造成充油电气设备绝缘性能下降，给电力设备的安全运行带来隐患。击穿电压是衡量绝缘油在高压下介电强度的耐受能力，它反映了油中水分、杂质和导电微粒的含量大小，以及它们对绝缘油性能影响的程度。绝缘油介电强度测试仪（IOT）就是用于绝缘油介电强度的专用测试设备，其工作过程是向置于油杯中的绝缘油试样自动施加电压，根据不同标准的要求可能需要事先静置或在某个电压点处维持一定时间后，再按一定速率连续升压的产生交变电场，直至试样被击穿，IOT会自动记录和保存击穿电压值并可打印输出。

由于IOT的输出容量很低，校准时若采用通用的高压分压器很可能会造成输出端电压跌落的现象，即IOT无法正常输出至额定电压点。因此国标GB/T-《绝缘油击穿电压测定法》中的规定：校准装置需要具有与装有绝缘油油杯相同的阻抗。这表明对其输出电压进行校准时，测量装置带来的附加容量不得高于IOT的实际工作状态。

２　绝缘油介电强度测试仪的工作原理

IOT的工作原理如图1所示，交流V电源给IOT的调压器供电，步进电机控制调压器的输出给两台相同比例的试验变压器，比例相同，2台变压器输出电压也相同，由于采用了中间接地的接线方式，IOT等效输出正负极性的工频高压。中间接地的原理降低了IOT的绝缘要求，因此重量较轻、便于携带，但其缺点在于：

1)2台试验变压器的容量都很小，其负载电流一般仅为2mA左右，而一般常规阻容分压器的输入阻抗为MD，输入电容为40-pF，远远超出了试验变压器的负载能力；

2)由于IOT的测量端在试验变压器的原边，如果高压端的2个部分T1和T2不完全对称，或是虽然幅值相等，但相位不同也会造成2个部分的矢量输出与简单的算术相加数值上的差异，如图2所示。

３　IOT常规校准中存在的问题

国内在对IOT进行校准时存在2种错误的校准方式:

1)单极倍压法

取下IOT的油杯,将单台交流数字高压表的高压端与其中一个电极进行连接，高压表的接地端和仪器面板的接地端子一起可靠连接到实验室接地端。将电压升到校准点处同时记录仪器的读数和高压表的读数如图3所示。将校准得到的电压乘以2便为仪器输出电压的校准值。这种方法错误在于假定了中间接地试验变压器的完全对称输出。

2)双极同时测量法

取下IOT的油杯，将2台交流数字高压表的高压端分别与IOT的正负输出电极进行连接，2个高压表的接地端和仪器接地端一起可靠连接到实验室的接地端。将电压升到校准点处同时记录仪器的读数和两台高压表的读数如图4所示。校准读数为两台数字高压表的读数相加值。双极同时校准法的错误之处在于得到的是IOT的算术输出，同样只有在2台试验变压器完全对称下才能得到与矢量和相同的结果。

单极倍压法和双极同路输出法二者错误的根本之处在于均未考虑IOT的输出方式是中间接地的矢量输出方式，校准结果用代数和计算而非矢量测量，必然会给校准数据带来附加误差。国外在对IOT进行校准时采用替代法，将校准装置大小设计与油杯体积相似，校准时取下油杯，将校准装置恰好嵌入电极的紧固端，读数通过模拟指针表示，这种校准装置设计时考虑了负载效应，但限于体积其准确度仅为3%。因此对于IOT的校准需同时满足阻抗匹配和矢量测量两方面的功能。

4油杯阻抗和电极电场的有限元分析

IOT油杯大小、电极结构不同其等效阻抗就不相同，虽然可以通过解析的方式得到其电容量，但计算复杂甚至很难得到精确的解析解。因此可以对静电场进行求解通过有限元分析精确确定油杯阻抗，实现变分问题的离散解。

在计算2个电极的电容时，可令两电极间的电势差为某一常数，令其他激励源为零。用有限元求解出电势分布后，利用高斯电通定律计算一个导体上的电荷量：

式中：S代表包围电极的闭合曲面，“n”表示闭合曲面的法线方向。据此可以根据公式：

C＝Q/U

即可计算得到不同电极的电容量值。

国家标准和电力标准分别规定了用于绝缘油介电强度试验用的4种电极，分别为DL.9—《绝缘油介电强度测定法》中规定的两种圆盘型电极以及GB/T－?绝缘油击穿电压测定法?中推荐的球形电极和球盖型电极。

对于验收到货的新绝缘油和电压在kV以下的电力设备内用油，DL.9-《绝缘油介电强度测定法》规定使用直径25mm，厚4mm的圆盘形黄铜或不锈钢电极，两极间的距离为2.5mm。其电场分布如图5所示。另外一种圆盘电极适用于测定电气设备的运行油及其过滤和添加油后的介电强度，又称为小间隙绝缘油介电强度测定法。电极用黄铜或不锈钢制成，电极间隙为1.20mm，直径17.3mm、厚3mm。其电场分布如图6所示。

对于经过滤处理、脱气和干燥后的油及电压高于kV以上的电力设备，GB/T-《绝缘油击穿电压测定法》规定采用球形电极进行试验，电极由磨光的铜、黄铜或不锈钢材料制成，球直径12.5mm，球间隙2.5mm。其电场结构和电场分布如图7所示。另外一种电极为球盖型电极，电极高度13mm，电极半径25mm，倒角半径3mm，电极间隙2.5mm。其电极结构和电场分布如图8所示。

为了辅助验证测量结果，采用准确度为±0.5%的LCR测量仪分别对这4种电极进行测量，测量频率为1kHz，由于被测电极的电容量极小，外界电磁场的轻微扰动均会给测量结果带来较大误差，因此电极电容量大小仍以计算结果为准。计算和测量结果分别如如表1所示。

表1不同电极结构计算得到的电容量大小

５　IOT校准装置的设计及其量值溯源

从不同电极的计算结果来看，25mm圆盘电极的电容量最大，球形电极的电容量最小，因此对于IOT的校准装置来说，其带来的负载效应不应大于5.48pF。实践中采用了10pF/50kV的高压标准电容作为主分压电容，并结合高稳定的低压电容作为低压臂，组成一个高稳定的双高压电容分压器。两台分压器高压臂串联后的电容量仅为5pF，满足了IOT对于负载的要求，其结构原理如图9所示。

由于校准装置采用的是中间接地的全绝缘正负高压输出方式，传统的高压分压器或高压表是低端接地的，无法对其进行校准，只能采用全绝缘的电压互感器进行校准，但检定规程JJG-《测量用电压互感器》使用的电压标准均为半绝缘电压互感器，即其低端也是接地的，因此需采用电压互感器串联加法来确定全绝缘电压互感器的误差。

电压互感器串联加法是一种测量电压互感器电压系数的方法。实行串联加法需要使用三台变比相同的互感器，其中两台是半绝缘型，另一台是全绝缘屏蔽型，为了提供屏蔽电位，还需要有一台有中心抽头的全绝缘升压器。

电压互感器串联加法的原理线路见图10，其中T4是带中心抽头的升压器，T1是变比为K的全绝缘屏蔽型互感器，T2、T3是变比为K的半绝缘互器，HEG5为比较仪式互感器校验仪。设T1误差为α，T2误差为β，T3误差为γ，根据互感器误差定义有：

将所得到的全绝缘电压互感器的误差数据用于校准绝缘油介电强度测试仪，并将所研制的绝缘油标准装置送武汉国家高电压计量站比对，比对数据如表2所示。

表２　全绝缘电压互感器和国家高电压计量站校准结果比较

6结论

传统的单端测量法和双路输出法均未考虑10T中间接地的矢量电压输出方式，校准结果用代数和计算而非矢量测量，会给校准数据带来附加误差。由于大多数IOT的功率很小，采用普通高压分压器在校准过程中还会发生电压跌落现象。国外采用替代法虽然考虑了负载效应，操作也比较安全，但限于体积其准确度仅为3%，只可用于10级10T校准。

本文建立了油耐压试验中标准推荐的4种不同结构油杯电极的物理模型，采用有限元分析得到了这4种结构油杯的电容量数值，并用LCR测量仪加以验证，计算表明25mm圆盘电极的油杯电容量最大为5.48pE，球型电极的电容量最小为1.53pF，据此设计了基于双电容高压分压器的校准装置，其高压臂电容均为10pF，满足了国标中对于校准装置的阻抗匹配要求，试验结果表明该装置可以实现对IOT输出电压值的可靠溯源，可对2级及以下等级的IOT完成校准。