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变压器油介损与体积电阻率:两项指标的区别与关联分析

来源:北京康高特仪器设备有限公司 发布时间:2026-09-03 11:47:30 作者: 浏览次数:4377次 分类:技术文章

文章概述: 变压器油的检验报告上,介质损耗因数与体积电阻率常常并列出现,也常常在同一台仪器上完成测量。不少人把两者当成同一件事的两种说法,可一旦遇到两项结果相互矛盾——介损已经越限而电阻率仍在合格区间,或者电阻率掉得很快而介损变化不大——这种理解便会失去解释力。本文从两项指标各自的物理含义讲起:前者测的是交流电压下的总损耗,后者测的是直流电压下的导电能力,两者的交集是电导损耗,差异在于弛豫损耗与界面极化损耗只进入介损而不进入电阻率。在此基础上给出纯电导模型下 tanδ 与电阻率的定量关系,并把 GB/T 7595-2017 表 1 的分级限值成对代入,检验两项限值的物理协调性。随后梳理方法标准 GB/T 5654-2007、DL/T 421-2009,判据标准 GB/T 7595-2017,产品标准 DL/T 846.14-2023 与校准规范 JJF 1618-2017 各自的分工,说明温度、电极、取样、测试电压与读数时刻对结果的影响,给出三种脱钩情形的判读思路,并介绍北京康高特(KGT)自主研发的太乙绝缘油介损测试仪在两项配套测量上的实测参数与选型时应逐项核实的项目。

变压器油的电气性能监督中,介质损耗因数与体积电阻率常常出现在同一张检验报告上,也常常在同一台仪器上完成测量。不少运维人员会把两者当作同一件事的两种说法:油脏了,两项都不好;油还行,两项都合格。这种理解在多数情况下能给出大致正确的判断,可一旦遇到两项结果相互矛盾的情形,便会失去解释力——介质损耗因数已经越限,体积电阻率却仍在合格区间;或者反过来,电阻率掉得很快,介损读数变化不大。

要解释这类现象,得回到两项指标各自的物理含义。它们测的是同一批杂质与极性物质的两个不同侧面:一项在交流电压下观测能量耗散,一项在直流电压下观测导电能力。正因为观测的物理过程不同,两者对同一种污染的敏感度并不一致,也因此不存在一个可以无条件套用的换算公式。本文沿着“物理含义—为何不能互相替代—纯电导模型下的定量关联—标准体系如何安排—测量条件的影响—组合判读—量值溯源—仪器配置”这条线索展开,并在末尾给出若干个高频疑问的回答。

一、两项指标各自测的是什么

1、介质损耗因数:交流下的能量耗散比例

介质损耗因数记作 tanδ,定义为绝缘介质在正弦交流电压下,有功功率与无功功率之比。把它写成电路语言:一个理想电容器接入交流回路,电流相位超前电压 90 度,不消耗任何能量;真实的油样等效为一个理想电容并联一个等效电阻,电流相位超前电压的角度略小于 90 度,这一偏离量即为损耗角 δ,其正切值即 tanδ。

这个定义带来两个直接推论。其一,tanδ 是比值,无量纲,与试样的几何尺寸无关,因此不同电极结构的仪器测得的 tanδ 应当可以直接比较——当然,前提是测量条件一致。其二,tanδ 测量的是“这一刻在给定频率下的总损耗”,它并不区分损耗来自哪一种机制。油里的载流离子在电场下迁移做功产生电导损耗,极性分子随电场转向产生弛豫损耗,乳化水滴与固体颗粒形成界面产生界面极化损耗,这些统统被记入同一个 tanδ 读数里。

对油务监督而言,第二点既是优点也是缺点。优点是 tanδ 对多种劣化形态都敏感,是一项覆盖面很宽的指标;缺点是它给出的只是一个加总后的数,无法反推劣化的性质。这也是为什么后面要讨论它与体积电阻率的组合判读。

2、体积电阻率:直流下的导电能力度量

体积电阻率记作 ρ,定义为单位体积材料对直流电流的阻碍能力,单位取欧·米。若在两个电极之间充满油样,施加直流电压 U,测得通过油体内部的稳态电流 I,再结合电极的有效面积与间距换算出的几何系数,便可得到 ρ。数值越大,说明油中可迁移的带电粒子越少、迁移越困难。

与 tanδ 相比,体积电阻率有几点值得留意。它的物理指向更单一:在直流稳态下,极化过程已经完成,不再贡献电流,测到的电流基本反映离子的定向迁移,因此 ρ 主要度量的是油中离子性杂质的含量与迁移能力。它的量纲带单位,且数值跨度极大——新油可以高到 10 的 13 次方欧·米量级,劣化后的运行油可以低到 10 的 9 次方量级,前后相差四个数量级,因此对测量仪器的量程覆盖要求很高。它受温度的影响非常剧烈,温度上升使油的黏度下降、离子迁移率提高,电阻率随之明显降低,所以方法标准与判据标准对测量温度都作出了明确规定。

3、术语上的一处差异:直流电阻率与体积电阻率

翻阅不同标准时会遇到一个容易困惑的现象:同一类量,有的标准叫“直流电阻率”,有的叫“体积电阻率”。GB/T 5654-2007 的标题为《液体绝缘材料 相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》,用的是“直流电阻率”;DL/T 421-2009 的标题为《电力用油体积电阻率测定法》,GB/T 7595-2017 表 1 中的项目名称为“体积电阻率”,用的是后者。

两个术语指向的物理量在量纲与数值上一致,均为欧·米。这一差异主要来自术语体系:绝缘材料领域的标准习惯把“体积电阻率”与“表面电阻率”相对举,强调测的是通过材料内部而非沿表面的电流;而在以直流电压为测量条件的方法标准中,“直流”二字起着限定测量条件的作用,用以与交流条件下的等效参数相区别。读报告时不必纠结名称,认准单位与测量温度即可。

4、方法标准为何把三项并列

GB/T 5654-2007 是一部值得单独说明的标准,因为它的标题里同时出现了相对电容率、介质损耗因数与直流电阻率三项。这不是随意的编排:在一台带温控的测量池上,同一份油样可以在同一个温度点依次测出这三项,而三项之间恰好构成互相校验的关系——电容率反映油的整体极化能力,介损反映交流损耗的加总,电阻率反映直流导电能力。三项并列测量,使判读时多了一个参照维度。

二、两项为何不能互相替代:损耗里有两种成分

1、电导损耗:两项共同覆盖的部分

油中若存在可迁移的离子,交流下的迁移做功产生电导损耗,直流下的迁移形成稳态电流。这同一批离子,同时被 tanδ 与 ρ 观测到。换句话说,两项指标的交集正是电导损耗,这一部分在物理上是严格关联的,也给后面的定量推算留下了空间。

2、极化损耗:只有介损能反映的部分

交流测量中不只有电导损耗。极性分子在交变电场下反复转向,每一次转向都存在摩擦与滞后,形成弛豫损耗;油中若混入乳化水或细微固体颗粒,两相界面上会积累电荷,形成界面极化损耗。这两类损耗的共同特点是:它们只在电场反复换向时持续消耗能量,而在直流稳态下并不产生持续的电流。

于是得到一个关键的判断:极化损耗进入 tanδ,却不进入 ρ。这是两项指标无法互相替代的根本原因,也是“一项越限另一项未必越限”这一现象的物理来源。

3、由此产生的三种脱钩情形

情形一,介损越限而电阻率合格。若 tanδ 读数明显偏高而 ρ 仍在合格区间,按纯电导模型推算出的 tanδ 应当偏低,两者对不上,缺的那一部分只能由极化损耗来解释。常见指向是氧化产生的极性老化产物、胶体状物质,或是乳化水与固体颗粒形成的界面。

情形二,电阻率越限而介损合格。若 ρ 已经掉到限值附近而 tanδ 变化不大,需要留意两件事:一是电阻率对离子性污染格外敏感,微量离子即可使其显著下降,而同样的污染量对 tanδ 的贡献可能仍在读数波动范围内;二是介损测量在较小的数值区间内受仪器分辨力与读数稳定性的限制,其分辨能力有限。此时不宜据此判定油质无虞,应当结合趋势判断。

情形三,两项同时劣化。此时电导损耗已经占据主导,劣化通常进入较深阶段,往往伴随酸值上升、界面张力下降与水分超标。这种情形下两项指标相互印证,判读难度反而较小。

三、纯电导模型下的定量关联

1、德拜模型给出的换算关系

在单一弛豫时间的德拜模型下,若介质仅存在电导损耗,则 tanδ 与电阻率之间存在一个简洁的关系:

tanδ = 1 / (ω·C·R) = 1 / (2πf·ε₀·εr·ρ)

式中 f 为试验频率,ε₀ 为真空介电常数,取 8.854 乘 10 的负 12 次方 法/米,εr 为油的相对电容率,ρ 为体积电阻率。这个式子的含义直观:频率越低、电容率越大、电阻率越小,则同样的几何条件下电流中的有功分量占比越高,损耗角正切越大。

需要强调的是,这是纯电导假设下的理论关系,不是任何标准给出的换算条款。实际油样中普遍存在极化损耗,实测 tanδ 通常高于该式的推算值。

2、把限值代入会得到什么

把 GB/T 7595-2017 表 1 中两项限值成对代入,可以得到一组值得留意的结果。取试验频率 50 赫、相对电容率约 2.2 作估算:

对 500 kV 至 1000 kV 的运行油,体积电阻率限值为不低于 1 乘 10 的 10 次方 欧·米,代入后得到 tanδ 约 0.016,而该档介损限值为不大于 0.020。

对 330 kV 及以下的运行油,体积电阻率限值为不低于 5 乘 10 的 9 次方 欧·米,代入后得到 tanδ 约 0.033,而该档介损限值为不大于 0.040。

两个档位上的推算值都落在各自限值之内,且都略低于限值。若考虑到 90 摄氏度下油的相对电容率会略低于常温值,取 2.0 重新计算,推算值分别变为约 0.018 与约 0.036,结论不变。

3、推算值与限值的吻合说明了什么

上述计算说明,GB/T 7595-2017 表 1 中两项指标的限值在物理上是相互协调的:当电阻率恰好处于限值时,纯电导机制所能贡献的介损尚未触及介损限值,留出的余量恰好可以容纳一定程度的极化损耗。这一点对判读很有用——它意味着两项限值并非各自孤立设定,而是共同约束着同一种劣化趋势的不同侧面。

4、这个推算不能反过来用

尽管存在上述关系,仍不能把它当作换算公式使用。原因有三。其一,实际油样几乎都含极化损耗,实测 tanδ 高于推算值,用 tanδ 反推 ρ 会低估电阻率。其二,相对电容率本身随油种、温度与劣化程度变化,取 2.2 只是工程估算。其三,电阻率对温度极为敏感,两项测量若温度条件有细微差异,推算结果便会明显偏离。因而在报告判读中,两项应各自与标准限值比较,不应互相折算。

四、标准体系如何安排这两项

1、GB/T 5654-2007:一部标准同时规定三项测量

GB/T 5654-2007《液体绝缘材料 相对电容率、介质损耗因数和直流电阻率的测量》于 2007 年 12 月 3 日发布、2008 年 5 月 20 日实施,现行有效,2021 年 12 月 28 日复审结论为继续有效,全部代替 GB/T 5654-1985,等同采用 IEC 60247:2004。该标准由全国绝缘材料标准化技术委员会归口,中国标准分类号 K15,国际标准分类号 29.035.99,起草单位为桂林电器科学研究所。

其适用范围值得原文引述:标准规定了在试验温度下液体绝缘材料的介质损耗因数、相对电容率和直流电阻率的测量方法,“主要是对未使用过的液体做参考性试验,但也适用于在运行中的变压器、电缆和其他电工设备中的液体”。同时标准也给出了两点限定:只适用于单相液体;对于非碳氢化合物绝缘液体,要求采用其他清洗方法。

2、DL/T 421-2009:电力行业的体积电阻率专用方法

DL/T 421-2009《电力用油体积电阻率测定法》于 2009 年 7 月发布、2009 年 12 月 1 日实施,现行有效,全部代替 DL 421-1991。该标准由电力行业电厂化学标准化技术委员会归口,中国标准分类号 E38,国际标准分类号 29.040.10,正文 8 页,备案号 26315-2009,起草单位为无锡供电公司与西安热工研究院有限公司。

其适用范围为“规定了绝缘油、抗燃油体积电阻率的测定方法”,适用于绝缘油与抗燃油的测定,其他油类介质可参照。标准结构为:范围、规范性引用文件、方法概要、体积电阻率测试仪、试剂和材料、准备工作、试验步骤、报告、精密度,外加规范性附录 A 体积电阻率测试电极杯。

与 1991 版相比,2009 版作了几项值得留意的修订:标准名称由《绝缘油体积电阻率测定法》改为《电力用油体积电阻率测定法》,适用范围中增加了抗燃油,新增了体积电阻率测定仪的技术要求,规范了方法步骤,删除了独立的计算部分而把相关内容并入“方法概要”,同时取消了原附录 A 并新增规范性附录 A 规定电极杯。一部方法标准专门用规范性附录去规定电极杯,足见电极结构对这项测量的影响之重。

3、GB/T 7595-2017 表 1:两项的分级限值

GB/T 7595-2017《运行中变压器油质量》于 2017 年 5 月 12 日发布、2017 年 12 月 1 日实施,现行有效,全部代替 GB/T 7595-2008,2024 年 8 月 23 日复审结论为整合修订。该标准由全国电气化学标准化技术委员会归口,主管部门为中国电力企业联合会,中国标准分类号 F24,国际标准分类号 27.100,正文 7 页,起草单位包括西安热工研究院有限公司、中国石油克拉玛依润滑油研究所、江苏省电力公司电力科学研究院、国网天津电力科学研究院与广东电网有限责任公司电力科学研究院。

其适用范围有一条常被忽略的边界:适用于充入电气设备的矿物变压器油和断路器用油在运行中的质量监督,但不适用于在电缆或电容器中用作浸渍剂的矿物绝缘油。做油务监督时若涉及电缆或电容器用油,须另寻判据。

表 1“运行中矿物变压器油质量标准”中与本文相关的两项为:

介质损耗因数(90 摄氏度),检验方法列为 GB/T 5654——500 kV 至 1000 kV 等级,投入运行前不大于 0.005、运行油不大于 0.020;330 kV 及以下等级,投入运行前不大于 0.010、运行油不大于 0.040。

体积电阻率(90 摄氏度),单位为欧·米,检验方法列为 DL/T 421——500 kV 至 1000 kV 等级,投入运行前不低于 6 乘 10 的 10 次方、运行油不低于 1 乘 10 的 10 次方;330 kV 及以下等级,投入运行前不低于 5 乘 10 的 10 次方、运行油不低于 5 乘 10 的 9 次方。

同表中还有若干项与两项指标存在物理关联,判读时宜放在一起看:水分在 330 kV 至 1000 kV 等级投入运行前不大于 10 毫克/升、运行油不大于 15 毫克/升,220 kV 等级为不大于 15 与不大于 25,110 kV 及以下为不大于 20 与不大于 35;酸值投入运行前不大于 0.03 毫克氢氧化钾/克、运行油不大于 0.10;界面张力(25 摄氏度)投入运行前不小于 35 毫牛/米、运行油大于 25;击穿电压按电压等级分档,750 kV 至 1000 kV 等级投入运行前不小于 70 千伏、运行油不小于 65 千伏,500 kV 等级为不小于 65 与不小于 55,330 kV 等级为不小于 55 与不小于 50,66 kV 至 220 kV 等级为不小于 45 与不小于 40,35 kV 及以下为不小于 40 与不小于 35。

4、为什么电阻率的判据引 DL/T 421 而不是 GB/T 5654

这是一个值得追问的细节:GB/T 5654 本身已规定了直流电阻率的测量,而 GB/T 7595-2017 表 1 中体积电阻率一栏却把检验方法列为 DL/T 421。

可以从两条线索理解。一是归口与适用对象的差异:GB/T 5654 归口于绝缘材料领域的标准化技术委员会,面向液体绝缘材料这一更大的范畴,其适用表述以“未使用过的液体做参考性试验”为主,对运行中设备中的液体只是“也适用于”;DL/T 421 则由电力行业电厂化学标准化技术委员会归口,从标题起即锁定电力用油,适用范围还专门纳入了抗燃油,与电力现场的实际对象更贴合。二是技术规定的细致程度:DL/T 421-2009 用规范性附录规定了电极杯,并专门给出体积电阻率测试仪的技术要求,而这在通用方法标准中未必展开到同等程度。

由此也可以看出方法标准与判据标准的分工:方法标准解决“怎么测”,判据标准解决“测到什么程度算合格”,判据标准引用哪一部方法标准,取决于该方法在本行业的可操作性与贴合度。

5、两部方法标准的适用范围边界

做判读与选方法时,有两条边界须记住。其一,GB/T 5654-2007 只适用于单相液体,对非碳氢化合物绝缘液体还要求采用其他清洗方法——合成酯绝缘油、硅油等非矿物油的测量不能简单套用。其二,GB/T 7595-2017 不适用于在电缆或电容器中用作浸渍剂的矿物绝缘油。前者限定的是方法,后者限定的是判据,两者不可混淆。

五、测量条件对两项结果的影响

1、温度:两项共同的首要变量

温度对两项指标都有显著影响,但作用方式不同。对体积电阻率,温度升高使油的黏度下降、离子迁移率上升,电阻率随之明显下降,这一趋势在整个测量温区内是单调的。对介质损耗因数,情况稍复杂:电导损耗部分随温度上升而增加,而弛豫损耗部分随温度升高其弛豫时间缩短、损耗峰向高频侧移动,在工频下的贡献可能先增后减,两者叠加后的净效果须视油中主导损耗机制而定。

这正是判据标准把两项的测量温度统一规定在 90 摄氏度的原因之一。统一温度点带来三重好处:消除了温度差异造成的数据不可比;在较高温度下离子活动充分,指标对污染的敏感度提高;与设备运行时的实际热状态更为接近。也正因如此,测量前的恒温是否充分、温控是否准确,直接决定了两项数据的可用性。

2、电极与测量池:被低估的误差来源

电极结构对两项测量的影响方式不同,但都不可忽略。对电阻率测量,电极的关键在于几何系数的确定性与边缘效应的处理:测量池通常设置保护电极,把沿杯壁与液面的泄漏电流引开,使测得的电流只反映通过油体内部的电流。若保护电极失效或接线错误,表面泄漏电流会被计入,测得的电阻率会显著偏低。DL/T 421-2009 用规范性附录专门规定体积电阻率测试电极杯,正是出于这一考虑。

对介损测量,电极的影响更多体现在杂散电容与接触状态上。电极表面若残留上一份油样、清洗剂或纤维,会引入额外的损耗;电极氧化或划伤会改变有效面积与场分布。两类测量共同的要求是:清洗彻底、干燥完全、装配到位。

3、取样、注油与静置

取样是整条测量链上极易被轻视、也极易引入误差的环节。电力用油取样有专门的方法标准作出规定,实际操作中须注意取样容器的洁净与干燥、取样阀死油的排放、容器的冲洗与注满方式、密封与标识、运输与存放条件。任何一环出问题——容器残留水分、取样时混入空气、运输途中日晒——都会在两项指标上留下痕迹,且往往难以从数据本身反推来源。

注油与静置同样有讲究。注油过急会产生气泡与湍流,气泡的介电常数远低于油,停留在电极间会改变等效电容并引入虚假损耗;注油后若未充分静置,油温与电极温度尚未平衡,读数会持续漂移。合理的做法是控制注油速度、注油后静置至温度稳定再开始测量,具体时长按所用仪器与规程的要求执行。

4、测试电压与电场强度

两项测量的试验电压都须按所采用的方法标准与规程的规定选取。对介损测量,试验电压主要影响读数的信噪比与是否触及非线性区;对电阻率测量,电场强度的影响更值得留意:在较低场强下油中电流与电压近似满足欧姆关系,电阻率与场强无关,而当场强提高到一定水平后,离子解离与电极注入效应使电流偏离线性,测得的电阻率会随电压变化。这提示两点:一是测量电压应落在方法与规程规定区间内;二是同一台设备历次测量应使用相同的电压设定,否则数据的纵向可比性会被破坏。

北京康高特(KGT)自主研发的太乙绝缘油介损测试仪,其交流测试电压范围为 500 伏至 2000 伏、频率 50 赫,直流测试电压范围为 125 伏至 500 伏,浪涌电压范围 100 伏至 300 伏,电压分辨率为 1 伏,这一覆盖区间可满足常规矿物变压器油按上述两项方法标准测量的需要。

5、充电时间与读数时刻

体积电阻率测量中还有一个容易被忽视的时间因素。施加直流电压的瞬间,回路中的电流由三部分构成:给电极几何电容充电的位移电流,衰减很快;油中各种极化过程建立时产生的吸收电流,衰减较慢;由离子定向迁移形成的传导电流,基本不随时间变化。随时间推移,前两者逐渐消失,回路电流趋于传导电流。

这一过程的实际影响是:若读数过早,电流中仍含有吸收分量,测得的电流偏大,换算出的电阻率偏低。因此方法标准会对加压后的读数时刻作出规定,操作时须严格照此执行,不能凭经验提前。同一台设备历次测量的读数时刻也应保持一致,否则数据之间不可比。

介损测量中同样存在时间因素,不过方向不同:它追求的是油温充分平衡后的稳定读数,而非某一固定时刻的瞬时值。判据是读数不再单向漂移。

6、油种差异带来的方法限制

GB/T 5654-2007 的适用范围中有两条限定值得留意:本标准只适用于单相液体;对非碳氢化合物绝缘液体,则要求采用其他清洗方法。后一条对矿物变压器油之外的油品影响尤为直接——合成酯绝缘油与硅油在极性、黏度、吸湿特性上都与矿物油不同,测量池的清洗方式不能沿用矿物油的溶剂与流程,否则残留会直接影响两项读数。

由此还带出一个判据上的连锁问题。GB/T 7595-2017 表 1 针对的是矿物变压器油与断路器用油,当设备中使用的是非矿物绝缘油时,两项指标的限值不能直接套用该表,应以该类油品对应的判据或油品供应商给出的指标为准,并在报告中注明油种与所用判据。

混油是另一类常见情形。不同牌号、不同基础油的绝缘油混合后,其电气性能未必是简单的加权平均,添加剂之间还可能发生相互作用。若混油后两项指标出现异常,应先确认混油的相容性,再考虑其他劣化原因。

六、两项指标的组合判读

1、两项同时劣化

两项同时超出限值时,电导损耗已占主导,劣化通常进入较深阶段。此时的处置思路相对清晰:先排查污染来源——是密封失效导致外界水分与空气进入,还是内部固体绝缘老化释放极性产物,或是补错了油、混入了不同牌号的油;再结合酸值、界面张力与水分数据交叉验证。这一情形下两项指标互相印证,判读难度不大,但往往意味着留给处置的时间已经不多。

2、介损越限而电阻率合格

这一点足以体现两项互补的价值。按纯电导模型,此时的电阻率水平不足以支撑如此高的介损读数,缺额部分来自极化损耗。常见的指向有三类:氧化产生的极性老化产物与胶体,其分子具有固有偶极矩,在工频下产生显著的弛豫损耗;乳化态水分与细微固体颗粒形成的界面极化;混入的极性污染物,包括不同牌号油的混用、清洗剂残留。

处置上,介损越限而电阻率尚好,通常提示劣化处于相对早期,污染物的量还不算大,但性质较为活跃。此时追查来源并及时采取再生或换油措施,往往能取得较好的效果。若只测其中一项,这一阶段的信号很可能被漏掉。

3、电阻率越限而介损合格

这一情形相对少见,出现时应先复核测量本身。电阻率对离子性污染极为敏感,微量离子即可使其明显下降,而同样程度的污染对介损的贡献可能仍在读数波动之内。复核的重点包括:恒温是否充分、电极与测量池是否洁净干燥、测试电压设定是否与历史数据一致、油样是否在取样后放置过久。

若复核后数据确凿,则提示污染以离子性为主且量尚不大,极化损耗尚不显著。这类信号的价值在于早发现:它常常出现在明显劣化之前,是趋势跟踪中值得留意的转折点。

4、与水分、酸值、界面张力的联动

GB/T 7595-2017 表 1 给出的项目并非彼此独立,几项之间存在明确的物理联系。水分与两项指标的关系极为直接:溶解态水分对介损影响相对有限,一旦出现乳化或游离水,界面极化显著抬升介损,同时离子性杂质的迁移条件改善,电阻率随之下降。酸值反映氧化程度,氧化产生的有机酸既直接增加离子浓度、拉低电阻率,也带来极性分子、抬高介损。界面张力对氧化产物与极性物质极为敏感,其下降通常先于介损的明显上升,是劣化早期的灵敏指示。

因此判读时不宜孤立地看某一项。若介损与电阻率双双接近限值,而酸值与界面张力尚好,多半指向外来污染或受潮;若酸值上升、界面张力下降与两项指标劣化同时出现,则更符合氧化老化的图景。

5、趋势比单点更有意义

两项指标的实测数值都受测量条件影响,单次数据与限值的比较只能给出“合格与否”的二元结论。把历次数据连成曲线,看变化速率与变化形态,信息量要大得多:缓慢单调的变化通常对应正常的老化进程,突然的阶跃多指向外部事件——进水、混油、密封失效、异常过负荷。因此试验台账的价值不在于存下一堆数据,而在于使每一次测量都能与上一次对齐。

DL/T 596-2021《电力设备预防性试验规程》规定了运行中交流电力设备预防性试验的项目、周期、判据和方法等要求,适用于 750 kV 及以下的交流电力设备,其中绝缘油的试验项目与周期按设备电压等级分级给出。具体周期以现行规程与各网省公司的实施细则为准。规程给出的周期是下限,不是上限;当数据出现劣化趋势时,缩短周期、加密跟踪,比等到下一个周期再去复核要稳妥得多。

七、量值溯源:一部校准规范管两项

1、JJF 1618-2017 的适用范围与边界

JJF 1618-2017《绝缘油介质损耗因数及体积电阻率测试仪校准规范》于 2017 年 2 月 28 日发布、2017 年 5 月 28 日实施,现行有效,正文 24 页,由全国电磁计量技术委员会高压计量分技术委员会归口,中国标准分类号 A55,国际标准分类号 17.220,主要起草单位包括河南省计量科学研究院等。

这部规范与本文主题高度契合,因为它一部规范同时覆盖了介质损耗因数与体积电阻率两项,为“同一台仪器测两项、同一份规范管两项”提供了量值溯源上的支撑。其适用范围原文表述为:适用于绝缘油介质损耗因数及体积电阻率测试仪(简称油介损仪)的校准,不适用于高压介质损耗因数测试仪和高压电容电桥的校准。后半句划出的边界同样重要——现场用于测量高压设备本体 tanδ 的高压介损仪与高压电容电桥,不属于这部规范的对象。

规范引用的文件包括 GB/T 21216-2007、JJG 690-2003、GB/T 5654-2007、GB/T 16927.2-2013、DL/T 421-2009 与 JJG 1005-2005。可以看到,方法标准(GB/T 5654、DL/T 421)与计量检定规程(JJG 690、JJG 1005)在其中同时出现,构成了一条从测量方法到量值传递的完整链条。

2、出厂检验依据与校准依据的分工

与校准规范并行存在的还有设备产品标准。DL/T 846.14-2023《高电压测试设备通用技术条件 第十四部分:绝缘油介质损耗因数及体积电阻率测试仪》于 2023 年 5 月 26 日发布、2023 年 11 月 26 日实施,代替 DL/T 1305-2013,中国标准分类号 F29,国际标准分类号 27.100。

两者管的是不同环节:产品标准规定的是这类仪器在出厂检验与型式试验中应达到的技术要求,超出即判不合格,属于合格判据;校准规范规定的是使用中的仪器如何校准、给出哪些计量特性,校准结果连同测量不确定度一并给出,供使用方自行判断该仪器是否满足自己的使用要求,属于校准结果参考。理解这一区分,有助于正确处理“仪器合格”与“数据可用”的关系——出厂合格不等于可以无限期免校准,校准有数据也不等于可以据此判废。

3、仪器自带校准检查器的作用

部分绝缘油介损测试仪配有校准检查器,即一组内置或外接的标准器件,可在不作完整校准的条件下快速核查仪器读数是否漂移。太乙绝缘油介损测试仪配有校准检查器,其指标为:介质损耗因数精度为校准值的正负百分之二,相对电容率精度为校准值的正负百分之一,电阻精度为校准值的正负百分之一,电容精度为校准值的正负百分之一。

校准检查器的定位是期间核查,不能替代周期校准。合理的用法是:在两次周期校准之间,用校准检查器定期核查仪器读数,若发现漂移趋势,及时送校;周期校准仍按 JJF 1618-2017 的规定执行,周期长短结合使用频次与数据重要程度确定。

八、仪器配置要点

1、一台仪器同时测两项的前提条件

从原理上看,一台仪器要同时把 tanδ 与体积电阻率测好,须满足三方面的条件。测量电路上,须同时具备交流测量通道与直流测量通道,前者用于介损与电容率,后者用于电阻率,两条通道的量程与分辨率要分别覆盖两项指标的跨度量程。温度控制上,须具备可控的加热与准确的测温能力,温控范围覆盖标准规定的测量温度点,温度分辨力与控温准确度足以支撑数据的纵向可比。电极与测量池上,须具备结构明确、可清洗、几何系数稳定的测量池,并按方法要求设置保护电极。

这三条中,温度控制常常是决定数据质量的关键。两项指标对温度都敏感,一台温控不稳的仪器,即便电路做得很精细,也难以给出可复现的结果。

2、北京康高特(KGT)太乙绝缘油介损测试仪的实测参数

太乙绝缘油介损测试仪由北京康高特(KGT)自主研发,可测量绝缘油的损耗因数、电阻率与介电常数三项,按官方产品页给出的规格,主要参数如下。

测量能力方面,介质损耗因数测量范围自大于 1 乘 10 的负 6 次方 至 4,分辨率为正负 1 乘 10 的负 6 次方 与正负 1 乘 10 的负 5 次方两档;相对电容率测量范围 1.0 至 30,精度 0.01;电容范围为标称值的正负百分之五;官方参数表中与电阻相关的量程标注为 2.5 兆欧 至 100 太欧·米,该行在原表中与电容参数同栏列出、单位写法未作统一,按其量级判断应为电阻率量程,其上限对矿物变压器油留有充分余量。

温度控制方面,测试温度范围 10 摄氏度至 110 摄氏度,温度分辨率 0.1 摄氏度,控温精度正负 1 摄氏度,加热方式为电磁感应加热或集成加热,并配直接温度传感器实时监测温度变化。这一温度范围完整覆盖了 GB/T 7595-2017 表 1 规定的 90 摄氏度测量点。

测试电压方面,交流 500 伏至 2000 伏、50 赫,直流 125 伏至 500 伏,浪涌电压 100 伏至 300 伏,电压分辨率 1 伏。

结构与安全方面,整机重量 22 千克,防护等级 IP30,接口为 USB Type B,电磁兼容按 CISPR 11,安全按 IEC 61010;测试单元雷击浪涌安全 2000 伏、1.2/50 微秒、CAT III 300 伏,绝缘安全 60 千伏历时 10 秒,绝缘电阻参数标注为 5 吉欧、500 伏直流、5 兆欧,精度正负百分之一,内置电容 200 皮法正负百分之一;配高压切断电路、防油键盘与透明防护盖。

使用环境方面,供电 100 伏至 240 伏、50/60 赫、300 伏安,操作环境温度负 20 摄氏度至正 55 摄氏度,存储环境温度负 40 摄氏度至正 70 摄氏度,湿度 90% 无凝结。

数据管理方面,内置预编程的国际标准测试流程并支持用户自定义测试序列,支持测试结果存储、打印与通过 USB 接口导出至计算机。

3、选型时应逐项核实的参数

采购与验收时,建议把下列项目逐条落到书面:介质损耗因数的量程下限与分辨率——下限越低、分辨率越高,越能分辨新油与轻度劣化油;电阻率的量程上限——须覆盖本企业所用油品的上限,以 100 太欧·米 为上限的量程对矿物变压器油而言留有充分余量;温控范围与控温精度——是否覆盖 90 摄氏度测量点及其稳定度;测试电压的覆盖范围与切换方式——能否满足不同方法与规程的设定;测量池的结构与可维护性——是否设置保护电极、是否便于拆洗、几何系数是否稳定;校准检查器的配置与指标;校准依据——能否按 JJF 1618-2017 出具校准证书;数据管理与导出能力——能否满足台账与上报要求。

其中测量池的可维护性在选型时容易被忽略,却直接影响日常使用:一个拆洗不便、装配后几何系数易变的测量池,会显著增加单次测量的准备时间,也会增加数据离散。

4、现场使用与实验室使用的差别

把仪器带到变电站现场测量,与在实验室测量相比,差异主要落在环境与流程上。现场的环境温度跨度大,仪器从车内搬到现场后须有足够的热平衡时间;现场供电条件与电磁环境复杂,须确认仪器的供电范围与电磁兼容等级是否适配;现场的洁净条件有限,取样与注油环节更容易引入污染,操作纪律须更严格。

从参数上看,太乙绝缘油介损测试仪的操作环境温度范围为负 20 摄氏度至正 55 摄氏度,防护等级 IP30,供电范围 100 伏至 240 伏、50/60 赫,这些指标是判断其能否适应现场条件的直接依据。需要说明的是,IP30 的两个特征数字中,3 表示防止直径不小于 2.5 毫米的固体异物侵入,0 表示未对防水作出专门保护,户外使用时应避免雨雪与扬尘直接接触仪器。

九、常见问题

1、两项指标必须同时测吗

从判据的角度看,GB/T 7595-2017 表 1 把两项同列为质量项目,理应同时测定。从技术的角度看,两项的互补性决定了只测一项会留下盲区:只测介损会漏掉以离子电导为主的早期污染,只测电阻率会漏掉极化损耗带来的劣化。若因条件所限只能测一项,则须在报告中注明,并缩短下一次的检测间隔。

2、现场测与实验室测的差别有多大

差别主要来自温度控制、环境洁净度与操作规范性。实验室条件下这三项都更容易保证,数据的重复性通常更好;现场条件下只要仪器温控达标、操作规范,绝大多数情况下可以得到与实验室一致的结论。关键在于不要把现场测量当作简化流程的借口——取样、注油、恒温、清洗这些环节一步都不能省。

3、校准周期该怎么定

周期校准的依据是 JJF 1618-2017。具体周期的长短,规范本身给出的是校准方法而非强制的周期数值,实际确定时应结合使用频次、数据的重要程度与期间核查的结果:高频使用或数据用于重要判定的仪器宜缩短周期,使用频次低且有期间核查记录的仪器可适当延长,但均须保证不出现超期未校仍在出报告的情形。把校准到期提醒纳入设备台账,是避免合规风险较为省事的办法。

4、新油和运行油的判据是同一套吗

不是。GB/T 7595-2017 表 1 对投入运行前的油与运行油分别给出限值,前者严于后者,例如 500 kV 至 1000 kV 等级的介质损耗因数,投入运行前不大于 0.005 而运行油不大于 0.020。这反映出一条基本认识:油在服役过程中必然发生一定程度的老化,判据的作用是把它约束在可控范围内,而不是要求它永远维持新油的水平。验收新油与监督运行油,须对照各自栏目的限值。

5、油样放置时间会影响结果吗

会。油样在存放过程中会继续与容器内的残余空气接触、吸湿,并可能发生进一步氧化;若容器密封不良或存放环境温度偏高,变化会更快。因此取样后应尽快完成测量,确有困难时须按规程规定的条件存放并在报告中注明。判读时若发现某批数据整体偏离,也应把取样至测量的间隔作为一个排查方向。

6、温度升高对两项的影响方向一致吗

方向一致但机理不同。两项都随温度升高而变差——电阻率下降、介损的电导分量上升。但对介损而言,弛豫损耗的贡献随温度变化并非单调,净效果取决于油中主导的损耗机制。这正是标准把温度统一定在 90 摄氏度的意义所在:固定温度后,两项数据的可比性与可解释性都能得到保证。

7、为什么有的报告只有介损没有电阻率

可能有两方面的原因。一是判据要求:不同设备、不同电压等级、不同网省的实施细则对油质项目的选取可能作出不同的规定,有的把体积电阻率列为选做项。二是测量条件:体积电阻率对电极洁净度、恒温充分程度与仪器量程的要求更高,部分实验室条件不具备时可能不做此项。无论哪种原因,若需要判断污染性质,两项配套的意义都大于单项。

8、测量池清洗不干净会怎样

对两项测量都有影响,表现形式不同。对介损,残留的极性物质与纤维会引入额外的损耗,读数偏高;对电阻率,残留的离子性物质与水分会提供额外的载流子,读数偏低。两个方向的偏差叠加,恰好会制造出“介损越限而电阻率合格”的假象,与真实的老化信号难以区分。因此测量池的清洗与干燥,是这类测量中基础且不能省的步骤。

十、结语

介质损耗因数与体积电阻率不是同一件事的两种说法,而是从交流损耗与直流导电两个方向观测同一批杂质与极性物质所得到的结果。两者的交集是电导损耗,这一交集在纯电导模型下可由 tanδ 等于 1 除以 2π 乘以频率、真空介电常数、相对电容率与电阻率的乘积这一关系定量描述;把 GB/T 7595-2017 表 1 的限值成对代入,两档所得推算值均落在各自限值之内且趋势一致,说明两项限值在物理上是协调设定的。两者的差异在于极化损耗只进入介损而不进入电阻率,这一差异正是“一项越限另一项未必越限”的成因,也决定了两项必须配套测量才能覆盖各自的盲区。

落到执行层面,有三条经验值得记住。判读时把两项与水分、酸值、界面张力放在一起看,污染的性质比单项数值更重要。测量时把温度、电极洁净度与测试电压设定固定下来,数据的纵向可比性比单次合格的结论更有价值。溯源时区分产品标准与校准规范的分工,出厂合格不等于免校准,周期校准配合期间核查才是让每一份报告都能对外负责的做法。

对北京康高特(KGT)而言,太乙绝缘油介损测试仪的设计目标正是围绕这两项指标的配套测量展开:在同一台仪器上完成损耗因数、电阻率与介电常数的测量,用 10 摄氏度至 110 摄氏度、控温精度正负 1 摄氏度的温控覆盖标准规定的 90 摄氏度测量点,用按官方参数表标注的 2.5 兆欧 至 100 太欧·米 电阻量程与自 1 乘 10 的负 6 次方 起的介损量程应对从新油到深度劣化油的全区间,并配校准检查器支持期间核查。把仪器能力、方法标准与判据标准串起来看,油务监督这件事的答案会清楚很多。

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