輸電線路絕緣核相測(cè)試抗干擾方法的研究

趙壽生，徐 健，吳尊東，陳欣華

（金華電業(yè)局，浙江 金華 321000）

高壓輸電線路的絕緣核相測(cè)試數(shù)據(jù)是電網(wǎng)運(yùn)行必須掌握的基本數(shù)據(jù)，隨著電力系統(tǒng)快速發(fā)展，輸電線路的走廊越來越窄，平行架設(shè)雙回、四回輸電線路和線路交叉跨越架設(shè)的情況也越來越多[1]。對(duì)其中一條線路進(jìn)行絕緣核相測(cè)試時(shí)，其他線路出于供電可靠性考慮，往往不能進(jìn)行陪停。被試線路中感應(yīng)電壓有的達(dá)到幾千伏甚至上萬(wàn)伏，對(duì)試驗(yàn)人員和試驗(yàn)設(shè)備的安全造成了極大的威脅[2]。現(xiàn)有的儀器設(shè)備在高感應(yīng)電壓下無(wú)法進(jìn)行絕緣核相測(cè)試，試驗(yàn)中曾多次出現(xiàn)試驗(yàn)設(shè)備損壞的現(xiàn)象，急需尋求新的測(cè)試方法或?qū)で笮碌目垢蓴_措施，以確保安全準(zhǔn)確地進(jìn)行輸電線路絕緣核相測(cè)試。在此介紹一種新的抗干擾測(cè)試方法——串聯(lián)諧振法，且對(duì)串聯(lián)諧振法的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析研究。

1 輸電線路感應(yīng)電壓的形成

輸電線路中感應(yīng)電壓的組成部分主要是靜電分量、高頻分量和工頻分量[3]。

靜電分量主要是雷云、空間帶點(diǎn)粒子等在輸電線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，測(cè)試時(shí)應(yīng)選擇在較好的天氣條件下進(jìn)行，此部分電勢(shì)對(duì)測(cè)試的影響不大。

高頻分量主要來自線路上的載波信號(hào)及能產(chǎn)生較大諧波的整流負(fù)荷。當(dāng)載波機(jī)工作時(shí)即有一個(gè)高頻電源作用于線路上，其容量比外界高頻干擾源大得多。在測(cè)試時(shí)由于被測(cè)試輸電線路停電，該分量也可以忽略。

工頻分量主要來自于磁感應(yīng)電勢(shì)和電感電勢(shì)，線路平行走向或同桿架設(shè)時(shí)，運(yùn)行線路通過的交流電流將在輸電線路上產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)。因此在被測(cè)試線路上產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)，且正比于輸電線路之間的互感及運(yùn)行線路的電流，其作用相當(dāng)于在線路導(dǎo)線上沿縱向串接1個(gè)感應(yīng)電勢(shì)[4]。同時(shí)在運(yùn)行線路的電場(chǎng)通過線路間的電容耦合，也會(huì)在試驗(yàn)線路上產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，這可以看作是線路導(dǎo)線對(duì)地電容之路中串接了感應(yīng)電勢(shì)，此兩部分電勢(shì)之和構(gòu)成了輸電線路的工頻感應(yīng)電壓。

在絕緣核相測(cè)試中，被測(cè)試輸電線路試驗(yàn)相首末端開路不接地，加在試驗(yàn)設(shè)備上的電壓主要是輸電線路對(duì)地感應(yīng)電壓[5]。

式中：C1為線路間的耦合電容；C2為線路對(duì)地耦合電容；U1為運(yùn)行線路電壓；U2為線路上的感應(yīng)電壓。

2 應(yīng)用串聯(lián)諧振法降低工頻干擾

從上分析可知影響輸電線路絕緣核相測(cè)試的主要因素是工頻干擾，干擾來源于輸電線路的感應(yīng)電壓U2。目前使用的絕緣核相測(cè)試設(shè)備的輸出電壓一般為2 500 V或者5 000 V，當(dāng)輸電線路的感應(yīng)電勢(shì)超過試驗(yàn)設(shè)備輸出電壓時(shí)，電流將逆流向試驗(yàn)設(shè)備，從而導(dǎo)致試驗(yàn)設(shè)備的損壞。試驗(yàn)設(shè)備輸出電壓為整流直流電壓，感應(yīng)電壓為工頻交流電壓。

目前輸電線路絕緣核相測(cè)試時(shí)，降低工頻干擾的方法是在被測(cè)試線路上并聯(lián)1個(gè)電容器，通過增大輸電線路的對(duì)地電容來降低輸電線路感應(yīng)電壓的大小，如圖1所示。

圖1 并聯(lián)電容器法的原理

假設(shè)被測(cè)試輸電線路鄰近110 kV輸電線路，則將在輸電線路上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。設(shè)U2500 V為安全試驗(yàn)電壓，則有：

取U1=110 000，則U2=500 V；計(jì)算得C3≈127C1。即當(dāng)并聯(lián)上的電容器是線路間耦合電容的127倍及以上時(shí)，才能將感應(yīng)電壓降至500 V以下。當(dāng)遇到長(zhǎng)線路或電纜線路，被測(cè)線路的對(duì)地電容C2很大，并聯(lián)電容器C3的電容量需要更大才能降低感應(yīng)電壓，而大電容較笨重，成本很高，充電后又不安全，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用性不高。

串聯(lián)諧振法就是并聯(lián)1個(gè)電感和電容組成的串聯(lián)諧振回路。將電感L與電容器C3的參數(shù)匹配好，使串聯(lián)回路在電源頻率為50 Hz時(shí)處于諧振狀態(tài)，如圖2所示。

圖2 諧振法的原理

當(dāng)wL=1/wc3時(shí)，被測(cè)線路感應(yīng)電源U對(duì)地間的電阻為電感線圈的電阻R，此時(shí)被測(cè)線路相當(dāng)于通過一個(gè)很小的對(duì)地電阻R接地。如果忽略電感線圈的電阻R，被測(cè)線路感應(yīng)電源U2對(duì)地電阻為0 Ω，此時(shí)被測(cè)線路的狀態(tài)與直接接地時(shí)的狀態(tài)相同，線路感應(yīng)電壓為0 V。因此從理論上講，無(wú)論被測(cè)線路感應(yīng)電壓有多高，只要接上電感和電容的串聯(lián)諧振回路，且電感和電容的絕緣強(qiáng)度和額定容量滿足要求，可以將線路感應(yīng)電壓降為0 V。試驗(yàn)設(shè)備輸出電壓為直流，電容器C3起到了隔直流的作用，因此不影響絕緣核相測(cè)試，這就是串聯(lián)諧振法降低工頻干擾的基本原理。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試分析

為了分析串聯(lián)諧振法的抗感應(yīng)電壓性能和測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在輸電線路感應(yīng)電壓低、較高和高的3種情況下，分別用直接測(cè)試法、并聯(lián)電容器法和串聯(lián)諧振法進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。在串聯(lián)諧振法中使用了額定電壓為20 kV，電容量為1.6 μF電容器和額定電壓為20 kV，電感量為6.369 H的電抗器。

由于在絕緣核相測(cè)試中，非測(cè)試相直接接地，感應(yīng)電壓和絕緣電阻值很低，接近于0，因此只給出測(cè)試相的絕緣電阻值與感應(yīng)電壓值。

3.1 在輸電線路感應(yīng)電壓低時(shí)的測(cè)試分析

以110 kV大田1503長(zhǎng)島支線的絕緣核相測(cè)試為例。大田1503長(zhǎng)島支線全長(zhǎng)5.2 km，試驗(yàn)時(shí)相鄰線路在停電狀態(tài)，直接試驗(yàn)方法、并聯(lián)電容器法與串聯(lián)諧振法測(cè)試結(jié)果的比較分析見表1、表2。因直接測(cè)量的數(shù)據(jù)更接近于真實(shí)值，故選取該值作為基準(zhǔn)值進(jìn)行分析比較。

表1 大田1503長(zhǎng)島支線的感應(yīng)電壓對(duì)比

表2 大田1503長(zhǎng)島支線的絕緣電阻對(duì)比

由表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，在感應(yīng)電壓較低的情況下，并聯(lián)電容器法和串聯(lián)諧振法都具有良好的降低感應(yīng)電壓能力，串聯(lián)諧振法效果更好，同時(shí)輸電線路的絕緣電阻測(cè)試值也非常接近，有著良好的一致性，說明并聯(lián)電容法和串聯(lián)諧振法的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)可靠。

3.2 在輸電線路感應(yīng)電壓較高時(shí)的測(cè)試分析

以110 kV鶴東1346線路的絕緣核相測(cè)試為例。鶴東1346線路全長(zhǎng)25.2 km，相鄰線路在運(yùn)行狀態(tài)。直接試驗(yàn)方法、并聯(lián)電容器法、串聯(lián)諧振法測(cè)試結(jié)果的比較分析，見表3、表4。以直接測(cè)量的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值進(jìn)行分析比較。

由表3和表4可以明顯看出，當(dāng)輸電線路的感應(yīng)電壓增大時(shí)，并聯(lián)電容器法降低的電壓倍數(shù)與串聯(lián)諧振法相比明顯偏小，串聯(lián)諧振法使感應(yīng)電壓下降100倍。同時(shí)絕緣電阻值與直接測(cè)量值保持一致，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

表3 鶴東1346線的感應(yīng)電壓對(duì)比

表4 鶴東1346線的絕緣電阻對(duì)比

3.3 在輸電線路感應(yīng)電壓高時(shí)的測(cè)試分析

以110 kV仙羅1549線路的絕緣核相測(cè)試為例。由于仙羅1549線路四回路同塔架設(shè)，其他3條相鄰輸電線路在運(yùn)行狀態(tài)，感應(yīng)電壓很高。線路全長(zhǎng)16.5 km。直接試驗(yàn)方法、并聯(lián)電容器法與串聯(lián)諧振法測(cè)試結(jié)果的比較分析見表5、表6。以直接測(cè)量的數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)值進(jìn)行分析比較，絕緣電阻值由于線路感應(yīng)電壓超過2 500 V，無(wú)法直接測(cè)量。

表5 仙羅1549線的感應(yīng)電壓對(duì)比

表6 仙羅1549線的絕緣電阻對(duì)比

從表5和表6的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，線路上并聯(lián)電容器和電抗器串聯(lián)諧振回路后有非常明顯的降壓效果，從16 300 V可以降至300 V，降低電壓可達(dá)到54.3倍，而并聯(lián)電容器法只能將電壓降低至2 800 V左右，這仍有較高的安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在測(cè)試絕緣電阻時(shí)，諧振法解決了線路感應(yīng)電壓過高問題，試驗(yàn)人員在利用串聯(lián)諧振法測(cè)試過程中非常安全。

從實(shí)際檢測(cè)的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，使用串聯(lián)諧振法無(wú)法將感應(yīng)電壓完全下降到0 V，其主要原因有：

（1）電抗器有直流損耗，流過的交流電流在電抗器上產(chǎn)生壓降，同時(shí)電容器的泄漏電流也能產(chǎn)生部分壓降。

（2）電抗器與電容器的參數(shù)不完全匹配，導(dǎo)致諧振回路上阻抗不為0，產(chǎn)生壓降。

（3）輸電線路感應(yīng)電壓不完全是50 Hz工頻分量，其中有多次諧波分量及高頻分量。

4 結(jié)論

在被測(cè)線路不同的感應(yīng)電壓情況下，通過對(duì)直接測(cè)試法、并聯(lián)電容器法和諧振法測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析比較，可以得出以下結(jié)論：

（1）利用串聯(lián)諧振法進(jìn)行絕緣核相測(cè)試時(shí)，感應(yīng)電壓可以由16 300 V下降到300 V，試驗(yàn)人員及試驗(yàn)設(shè)備安全風(fēng)險(xiǎn)大為下降。

（2）利用串聯(lián)諧振法可以解決由于感應(yīng)電壓很高而不能進(jìn)行絕緣測(cè)試的問題，測(cè)試結(jié)果能反映線路的真實(shí)絕緣情況。

（3）減少了鄰近帶電輸電線路由于絕緣核相測(cè)試的陪停時(shí)間，降低了停電損失，提高了電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

（4）諧振法避免了試驗(yàn)設(shè)備的損壞，具有良好的實(shí)用價(jià)值。

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