0 引言
工频试验变压器（以下简称试验变压器）作为高电压绝缘试验系统的核心设备，投资额巨大，属于重大固定资产，若发生故障，维修费用高，维修周期长，其安全稳定运行直接影响到经济效益。目前利用试验变压器进行检测的产品涉及到各电压等级高压交直流输变电设备[1-8]；相应地，试验变压器在试验过程中不但要承受试品放电产生的电磁冲击，还可能存在沿试品侧试验回路传播过来的高频电磁能量[9-10]，引起其匝间极不均匀电压分布、甚至造成匝间绝缘损坏；因此对试验变压器实施有效的保护措施至关重要[11-12]。
测量试验变压器的电压电流参数可为衡量保护措施有效性提供*直接数据。目前常规的测量原边电流、副边电流、原边电压和副边电压均为稳态工频参数[13]，不能反映试验变压器的暂态电磁能量状况。虽然过流整定保护可以切断试验变压器的电源，但不能消除可能已经产生的试验变压器要承受的暂态电磁能量。云南电力试验研究院研究人员采用冲击电压分压器测量保护电阻工频电压输出端冲击电压的数值，以确定工频与冲击合成试验中工频试验变压器受到冲击电压作用的强度[14]；由于在较高电压等级下，为了满足绝缘要求冲击电压分压器尺寸会较大，其响应时间相应会较长[15]，因此该方法用于测量超高压、特高压下的高频暂态电压受到限制。华北电力大学马国明博士研究了在变压器高压绕组末端测量 VFTO 后再通过计算反推变压器入口电压（即高压绕组首端电压）的间接测量方法[16]，该方法虽然不受电压等级的限制，但变压器绕组高频阻抗网络非常复杂[17- 23]，准确性尚不明确。
本文不再采用电压参数测量的方法，而是着眼于电流参数测量，研制了一套安装在试验变压器出口和保护电阻之间的电流测量系统。本系统基于Rogowski 电流传感器和光电传输技术[15]，可用于测量工频稳态电流和暂态电流波形，可为衡量试验变压器保护措施的有效性、改进试验回路以及试验变压器损伤、故障等相关的研究提供参考数据；避免盲目使用造成试验变压器绝缘损伤，对保障其安全运行和科研研究具有重要意义。
1 电流测量系统研制
1.1 工作原理
该系统包括高电位电流测量部分和低电位 PC机测量控制和波形还原部分。高低电位部分由光纤连接实现彼此之间的数据和控制信号传输。
高电位电流测量部分以电流传感器、数据采集单元和光电传输为核心。电流传感器测得的电流信号通过双屏蔽电缆传输至数据采集单元，数据采集单元接光纤延长器，将电信号转换为光信号后经光纤传输至低电位 PC 机还原为电流波形。低电位 PC 机还通过光纤和光纤延长器将控制信号传送到数据采集单元。整个高电位电流测量部分由内置的蓄电池供电。
1.2 系统结构
测量系统结构示意图见图 1，其中高电位电流测量部分实物照片见图 2。
在图 1 和图 2 中，1 为电流传感器，2 为双屏蔽电缆，3 为数据采集单元，4 为光纤延长器，5 为蓄电池，6 为光纤接头保护罩，7 为**连接导杆，8 为端部绝缘，9 为屏蔽壳，10 为带电池舱托盘，11 为有源光缆，12 为低电位 PC 机，13 为带电池舱门盖板，14为带绝缘端盖板，18 为**连接导杆。电流测量系统的结构设计说明如下：
（1）屏蔽壳为圆柱形壳体，两端为圆形盖板；其中一端为带电池舱门盖板，另一端为带绝缘端盖板；盖板和屏蔽壳之间采用安装螺丝连接；两端圆形盖板上均设置有屏蔽环。
（2）带电池舱门盖板外侧中心焊接有**连接导杆，并用螺丝固定电池舱门和光纤接头保护罩；带电池舱门盖板内侧焊接有带电池舱托盘和光纤延长器托盘。
（3）带电池舱托盘是两端折边的长方形平板，一边焊接在带电池舱门盖板内侧，一边焊接有**连接导杆，带电池舱托盘一面焊接电池舱，另一面通过门型架固定数据采集单元。
（4）带绝缘端盖板中间开有圆形通孔，圆形通孔上安装端部绝缘件，**连接导杆穿过端部绝缘件从屏蔽壳的带绝缘端盖板伸出到外侧；端部绝缘件通过端部绝缘的固定套固定；端部绝缘的固定套通过螺丝固定在带绝缘端盖板外侧。
（5）电流传感器通过绝缘部件套在**连接导杆上，避免其外壳与导杆电气连接引起外壳内流通电流。
（6）光纤接头保护罩由内空的 2 个半圆柱型凸台拼接而成，凸台顶端有半圆形通孔用作光纤出口，凸台底部设置有螺孔用于固定在带电池舱门盖板上；凸台顶部设置有同尺寸圆环套在凸台上，用于固定夹紧凸台、屏蔽拼接缝隙。
（7）蓄电池设置在电池舱内，蓄电池显示和控制面板设置在电池舱门一侧；光纤延长器设置在光纤延长器托盘上，光纤接头藏于光纤接头保护罩中与光纤连接。
1.3 技术参数
电流测量系统可测量*大冲击电流峰值 1 000 A，*大工频电流有效值 6 A，频率范围 50 Hz～20 MHz、工频变比 60.1、冲击变比 57.0，幅值测量误差＜±5%，时间测量误差<±10%。
（1）电流传感器。选用 6600 型 Pearson 线圈：冲击电流峰值 2 000 A、*大电流有效值 40 A、可用上升时间 5 ns、低频截止频率 40 Hz、高频截止频率120 MHz、灵敏度为 0.1 V/A，准确度为±1%。
（2）数据采集单元。采用集成式 Pico 示波器进行数据采集。Pico 示波器由 USB 供电，200 MHz 模拟带宽、1 GS/s 实时采样率、512 MS 缓存。准确测
量输入电压-20 V~+20 V，安全输入电压-70 V~+70 V。在 Pico 示波器输入前接 1 个 15 dB30 W 带宽 2 GHz的衰减器。
（3）光纤传输系统。采用光纤延长器和有源光缆，传输带宽高达 5Gbps。光缆两端的 USB 连接器均内含 1 个 V0510 芯片用于实现光电转换，中部连接线为高速多模光纤用于传输信号。光纤延长器是集成了 SuperTT 技术的新一代 USB3.0 集线器，该光纤延长器一端接 Pico 示波器，一端接光缆的 USB连接器，可传输数据，还可给示波器供电。
（4）蓄电池。采用锂蓄电池供电，供电电压 5 V，蓄电池充满电后的工作时间（连续）≥10 h。
1.4 高电位安装方式
本装置高电位部分屏蔽壳外部各边缘圆滑过渡无棱角，直径为 330 mm，长度为 380 mm，相对试验变压器均压环和保护电阻绝缘支柱均压环非常小。在较高电压等级下为保证屏蔽壳自身不发生局部放电，屏蔽壳可置于两侧均压环的屏蔽范围内，如图 3（a）高电位部分安装照片中红色箭头所指位置，安装时可不改变原有保护电阻绝缘支柱与变压器的距离，只需中心错位约 200 mm，安装细节示意如图 3（b）所示。
2 性能试验
由于目前尚无可用于高电位条件下的电流测量系统性能试验设备，对本电流测量系统的性能试验在低电位条件下进行。从理论上讲，在高电位和低电位 2 种条件下的标定结果具有等价性。
2.1 频率响应特性试验
为了检测该电流测量系统的频率响应特性，用信号发生器进行从低频到高频的频率响应特性试验。信号发生器发出信号，经三通一路传到示波器，一路传到该电流测量系统的数据采集、光电转换传输及波形还原部分，比较两路信号测量数据，如表 1 所示。
从表 1 可见：从 50 Hz 到 20 MHz 之间测量误差小于±5%，波形无失真。校验结果说明该系统从50 Hz 到 20 MHz 均具有较好的测量准确度。
2.2 低电位下工频小电流试验
采用 HG6501 型多功能标准源输出工频电流，由本文研究的电流测量系统进行测量，测得的数据如表 2 所示。
由表 2 可见，测量 1~6 A 工频电流的变比平均值为 60.1，测量均误差＜±5%，满足测量要求。
2.3 低电位下冲击电流试验
搭建 LC 振荡回路产生冲击电流，采用 101 型preason 罗氏线圈和 DPO4054 数字示波器测量系统（变比 0.01V/A）测得的电流作为源电流；将本文研
究的电流测量系统串联在 LC 振荡回路的接地端，试验测得 5 组冲击电流波形数据见表 3 和表 4 。
由表 3 和表 4 可见，该电流测量系统测量冲击电流的变比平均值为 57.0，波形的幅值测量误差＜5%，时间参数测量误差＜10%，满足测量要求。
3 变压器高压绕组首端电流测量
试验选用串级式工频试验变压器试验系统，将电流测量系统安装在变压器高压绕组首端和保护电阻之间，测量了支柱绝缘子工频闪络电流试验和GIS 隔离开关开合小电流试验中流过变压器高压绕组的电流[24]。
3.1 支柱绝缘子工频闪络电流试验
试品选用瓷支柱绝缘子，工频闪络电压为 167 kV。试验回路如图 4 所示，测量的绝缘子闪络时流经高压绕组首端电流如图 5 所示。
由图 5 可知，流经变压器高压绕组首端电流为波头呈衰减振荡的冲击电流，电流测量系统测得值为 1.294 V，换算成电流幅值为 73.8 A，上升时间约为 62.5 ns，*大陡度约为 1.18 kA/μs。
3.2 GIS隔离开关开合感性小电流试验
试品选用 550 kV GIS 隔离开关，工频耐压 740 kV，开合感性小电流 1 A。首先进行 GIS 隔离开关的1 min 工频耐压试验，变压器输出电压 740 kV，电流
测量系统的高电位部分未发生放电或其他异常，正常工作。试验回路如图 6 所示。
测量的工频电压 318 kV 时流经高压绕组首端的工频小电流波形如图 7 所示。
由图 7 可见，电流测量系统测得值为 7.832 mV，换算成电流有效值为 0.47 A，与试验变压器输出电流表测量有效值数值一致，试验再次说明该电流测量系统可用于测量小工频电流。
本试验在工频分压器测得电压为 318 kV 时进行了 3 次开合，笔者捕捉到的典型 GIS 隔离开关关合动作时流经高压绕组首端的电流首脉冲波形图和电流全波形图（两图非在同一次试验测得）如图 8 所示。
图 8（a）中电流首脉冲波形呈衰减振荡，测得值为 5.0 V，换算成电流峰值为 285 A，上升时间约为25 ns，*大陡度约为 11.4 kA/μs；图 8（b）中电流全波形是由若干个衰减振荡脉冲组成，*大脉冲峰值为 6.656 V，换算成电流峰值为 379.4 A，*大陡度约为 15.2 kA/μs。
4 通过电流测量结果判断对变压器损伤的方法
4.1 高陡度暂态电流对变压器绝缘的损伤分析
根据电路基本原理：uL = L didt（其中 L 是电感，i为电流瞬时值，t 为时间），暂态电流的陡度 didt越大，试验变压器绕组匝间的电位差越大，由于电感有降低行波陡度的作用[25]，靠近高压绕组首端的电位差*大，因此暂态电流对首端匝间绝缘的考核*为严酷。上述支柱绝缘子工频闪络电流试验和 GIS 隔离开关开合感性小电流试验中测得的暂态电流*大陡度分别为 1.18 kA/μs 和 15.2 kA/μs，后者约是前者的 13 倍，则施加在绕组匝间绝缘上的电位差
也是 13 倍关系，并且后者有若干高陡度振荡暂态电流多次作用在变压器上，造成累积的绝缘损伤；实验室在隔离开关开合感性试验时或之后，变压器发生故障的情况常常发生。因此，测量变压器高压绕组首端电流，可以直观地明确变压器入端电流状况，避免盲用使用造成变压器绝缘损害，进而延长变压器的使用寿命。
4.2 衡量试验变压器保护措施有效性的方法试验变压器的绝缘设计能够耐受验收试验时的雷电/截波冲击电压试验、操作冲击电压试验的*大冲击电流陡度，用（di/dt）max0 表示，那么在验收试验时测量高压绕组首端暂态电流，得到（di/dt）max0作为变压器绝缘安全的基准参数；将变压器运行在各试验回路、试验过程中测得高压绕组首端暂态电流的*大陡度（di/dt）max 与（di/dt）max0 对比，衡量变压器保护措施的效果：若（di/dt）max>（di/dt）max0，则保护措施效果差，变压器绝缘可能会受到损伤，试验回路有待完善；若（di/dt）max≤（di/dt）max0，则保护措施能够确保变压器安全运行。同理，也可以用该方法，比较判断试验回路的改进效果，以便试验人员掌握规律，避免摸不清楚变压器高压绕组首端电流的状况就盲目试验，对变压器绝缘造成的不可自恢复的损坏。
由于试验条件限制，对于已投入运行的试验变压器可能不便再重复验收试验以提取基准参数，而试验变压器绝缘设计要求能够耐受试品击穿或闪络产生的暂态电流的作用，因此，试验人员可在其试验变压器日常试验过程中搜集各电压等级各高压电器试品发生击穿或闪络时高压绕组首端暂态电流的*大陡度，合理选取基准参数。
