基于高頻脈沖振蕩法的電抗器匝間絕緣檢測方法研究

杜金鐘

（云南電網(wǎng)有限責任公司麗江供電局，云南麗江674100）

電抗器線圈匝間絕緣的損壞，嚴重影響了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[1-2]。尤其是近年來真空開關(guān)的普遍使用，使得電抗器承受的操作過電壓的幅值大幅度增加，嚴重威脅了電抗器的穩(wěn)定運行[3-4]。為了對電抗器的匝間絕緣水平進行有效監(jiān)測，預防事故的發(fā)生，并做好防范，國家出臺了相應的電抗器匝間絕緣檢測的相關(guān)標準。2011年開始，電力系統(tǒng)檢測單位相繼采用GB1094.6中建議的高頻脈沖振蕩法對干式空氣電抗器進行匝間過電壓試驗[5-6]。

基于實際工作的需求，本文通過對電抗器匝間絕緣檢測的電路分析，利用高頻脈沖振蕩法設計了一種電抗器匝間絕緣檢測電路。該設備能夠按照GB1094.6中的要求，完成對電抗器匝間絕緣水平的檢測。

1 系統(tǒng)電路設計

如圖1所示為利用高頻脈沖振蕩法測量電抗器匝間絕緣的電路原理圖。

圖1 電路原理圖

在一個工頻周期內(nèi)，電容Cc先由整流電源充電。當被充電至試驗電壓值時，可控放電球隙S放電，電容Cc與被試線圈L形成阻尼振蕩[7-9]。振蕩放電電壓衰減到足夠小時電弧熄滅，下一工頻周期重復以上過程。每周期完成1次充放電，1分鐘完成3 000次放電，工頻電壓波形和主電容Cc上的電壓波形如圖2所示。

圖2 工頻電壓波形與電容C上的電壓波形

按照測量要求電路原理圖可以分為3部分，分別為充電回路、放電回路和測量回路。

電抗器匝間絕緣檢測過程中，充電回路通過調(diào)壓器、試驗變壓器、高壓硅堆、限流電阻等電路元件，將電網(wǎng)中的電能送到充電電容器中進行存儲。充電回路示意圖，如圖3所示。

圖3 充電回路示意圖

放電回路是在一定時間內(nèi)釋放電容器中所存儲的電能，從而給試品電抗器加壓，起到對電抗器匝間絕緣檢測的目的。放電回路通過球隙開關(guān)產(chǎn)生高頻脈沖，當球隙開關(guān)接受到脈沖信號時，球隙發(fā)生放電，電路形成通路。此時，R2、Cc和L形成一個典型的RLC振蕩回路[10-11]。如圖4所示為系統(tǒng)放電回路示意圖。

圖4 放電回路示意圖

為了對電容上的充電電壓和被測電抗器上的放電電壓進行監(jiān)測，確定電抗器的匝間絕緣水平是否滿足要求。因此，有必要選擇合適的分壓器對其進行測量。由于測試過程中的試驗電壓較高，采用電阻分壓器時會產(chǎn)生明顯的熱效應，誤差較大。故本文在檢測過程中，選用電容分壓器進行測量。

2 電路參數(shù)分析

為了合理的確定試驗電路的參數(shù)，本文對圖1電路進行了分析。由電感L和電容Cc組成的阻尼振蕩回路，振蕩頻率為[12-13]：

其阻尼振蕩過程中電流i為：

式中，Uc為電容Cc兩端的電壓。

試驗電抗器兩端的電壓UL為[14-15]：

式（2）和式（3）中的參數(shù)分別為：

由上式可得，電容Cc的值為[16]：

充電過程中電容兩端的電壓為[17]：

為了消除誤差，?。?/p>

3 主要元件設計

3.1 放電球隙

放電球隙開關(guān)在放電回路中主要用于控制高壓脈沖的產(chǎn)生，是獲得高頻脈沖放電的關(guān)鍵部件，在電抗器絕緣檢測設備中起到?jīng)Q定性作用。本文設計的放電球隙開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

為了降低放電球隙整體高度，設計的球隙開關(guān)采用上下兩個半球電極。同時，通過改進觸發(fā)電極結(jié)構(gòu)方式增加新型球隙電極的觸發(fā)深度、提高工作電壓和頻率。圖中，1為高壓球電極；2為觸發(fā)球電極；3為瓷管；4為瓷管套；5為觸發(fā)針電極；6為壓縮空氣腔；7為針電極安裝件；8為壓縮空氣腔進氣孔；9為絕緣支撐；10為觸發(fā)信號高壓線螺紋連接孔；11為觸發(fā)信號地線螺紋連接孔；12為觸發(fā)球電極的鋁座；13為觸發(fā)信號導線管；14為壓縮空氣導管；15為控制觸發(fā)球電極上下移動的傳動軸。

圖5 球隙開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

觸發(fā)球電極的結(jié)構(gòu)為觸發(fā)針電極的外部做成一個絕緣的密閉腔體，其可以放入到觸發(fā)半球電極的內(nèi)部。該腔體只有兩個孔，分別是位于腔體中部高度處的壓縮空氣進氣孔和平行于觸發(fā)針電極圓筒裝的出氣孔。圓柱的外徑等于觸發(fā)球電極上開孔的直徑，進氣孔可以連接有觸發(fā)球連入的壓縮空氣導管，出氣孔安裝于觸發(fā)球電極的小孔內(nèi)。針電極的端面與觸發(fā)球電極球面平行。

在球隙開關(guān)的工作過程中向腔體內(nèi)通入壓縮空氣，由此在觸發(fā)球電極安裝觸發(fā)針電極的圓孔位置將有空氣吹出。無電弧時，由于針電的球面平行，極間電場為稍不均勻場，自然擊穿電壓較高?？刂崎_關(guān)導通（間隙空氣擊穿）的過程中，空氣將針電極與觸發(fā)球電極間形成的電弧吹起形成類似于針—球的電極結(jié)構(gòu)，球間電場變?yōu)闃O不均勻場，擊穿電壓大幅度降低，從而大幅增加了可控深度。當球隙直徑一定時，可以控制更高的電壓。在放電結(jié)束控制球隙關(guān)斷的過程中，從下球觸發(fā)電極安裝孔吹向上球的空氣可最大限度的帶走間隙中上次間隙擊穿過程中所殘留的帶電粒子，加速空氣絕緣的恢復速度。即快速關(guān)斷球隙開關(guān)，從而大幅度提高了開關(guān)的工作頻率。

3.2 試驗變壓器

變壓器的選擇首先要考慮到磁飽和現(xiàn)象與電路的容升效應，因試驗電路采用的是半波整流電路。在該種情況下，試驗變壓器易出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象而導致電流畸變。同時，由于磁飽和顯現(xiàn)的出現(xiàn)，會降低變壓器的工作效率[16-17]。

變壓器的容升效應是指變壓器在充電過程試驗回路的電容電流會在變壓器的漏抗上引起反向壓降，導致電容器的電壓高于電源電壓。容升效應可用如圖6所示等效電路圖進行分析。

圖6 變壓器等效電路圖

由變壓器等值電路圖可知，當變壓器的繞組阻值可以忽略不計時，容升電壓值為：

式中：UC為充電電容電壓值；U為變壓器高壓側(cè)輸出電壓；xc為電容器容抗；R為變壓器等效電阻值；xl為變壓器等效電抗。

通過上式確定變壓器的額定電壓之后，由式（11）可以估算得到變壓器的容量。

根據(jù)式（10）可計算得到，電容器的充電電壓為變壓器輸出電壓峰值的1.2倍。當變壓器的有效值為143 kV時，應選用額定容量為28 kVA的實驗變壓器。

3.3 電容分壓器

電容分壓器主要有兩種形式，一種是分布式電容分壓器，一種是集中式電容分壓器。分布式電容分壓器由多個電容元件串聯(lián)而成，造價便宜且測量精度高，故本文選用其對試驗電壓進行測量。

理想條件下，分布式電容分壓器的分壓比為：

其中，C1為高壓臂電容，C2為低壓臂電容。

但實際使用過程中，實驗室周圍的物體和電容分壓器之間的等效電容會對分壓器的測量產(chǎn)生影響，故分壓比為：

式中，Ce為高壓臂的等效電容值。

一般情況下，為了減小雜散電容的影響，分壓器的高壓臂電容值應取一個較大值。但同時考慮到設備的制造成本，文中選擇C為150～250 pF的分壓器進行試驗。

考慮到過電壓試驗是破壞性試驗，且被試驗的干式空心電抗器已經(jīng)運行一定的年限。因此，初步確定采用國家標準規(guī)定試驗電壓的80%作為現(xiàn)場試驗電壓?，F(xiàn)場試驗結(jié)果表明，文中所設計的電抗器匝間絕緣檢測設備能夠滿足現(xiàn)場測量要求。

4 結(jié)束語

根據(jù)電力系統(tǒng)電抗器匝間絕緣檢測的要求，本文研究了基于高頻脈沖振蕩法的電抗器匝間絕緣檢測方法，并對電力原理圖進行了理論分析。同時，詳細介紹了檢測裝置的球隙結(jié)構(gòu)、試驗變壓器和電容分壓器的選型。文中設計的裝置能夠滿足現(xiàn)場測試的要求，對于電抗器匝間絕緣現(xiàn)場測量具有重要意義。