電壓-電流雙施加試驗(yàn)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

馮躍

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司文山供電局，云南文山663000）

電力系統(tǒng)中高壓電氣設(shè)備的絕緣水平，是直接影響電網(wǎng)是否能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。通常情況下，電氣設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到電壓和電流的相互作用而引起絕緣的下降。例如，電氣設(shè)備的局部放電[1]、電暈放電[2]、電流的熱效應(yīng)等[3-4]。所以，對(duì)電氣設(shè)備的絕緣狀況進(jìn)行評(píng)估具有重要意義。

目前，對(duì)于電氣設(shè)備的絕緣水平檢測(cè)和通流檢測(cè)一般是分開(kāi)進(jìn)行的[5-6]。但在試驗(yàn)研究工作中發(fā)現(xiàn)，短時(shí)、顯性缺陷的模擬試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在一定的出入。絕緣類的缺陷均有一定的發(fā)展過(guò)程，短時(shí)間的過(guò)高電壓施加與較低電壓下的長(zhǎng)時(shí)間作用有一定的差異[7-8]；對(duì)于SF6氣體等的分解產(chǎn)物研究，其需要的時(shí)間周期以天、周或者月計(jì)；因大電流而導(dǎo)致的“熱效應(yīng)”對(duì)絕緣材料的影響與高電壓作用下的“電效應(yīng)”影響有一定的關(guān)聯(lián)性，全面、深層次的絕緣缺陷診斷研究工作在此兩方面不可偏廢[9-10]。

同樣由于設(shè)計(jì)及絕緣缺陷原因，近來(lái)南方電網(wǎng)公司范圍內(nèi)的500 kV-SF6電流互感器的爆炸事故頻發(fā)[11-12]。而有關(guān)各電壓等級(jí)隔離開(kāi)關(guān)接觸不良熱缺陷、變電及配電用電力電纜運(yùn)行事故等更是高發(fā)不下，嚴(yán)重影響了系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

綜合上述提到的有關(guān)GIS、電流互感器、隔離開(kāi)關(guān)、電力電纜等事故缺陷總是與電壓致絕緣缺陷、電流致熱缺陷有關(guān)[13-14]。串入電力系統(tǒng)主回路的電氣設(shè)備，如開(kāi)關(guān)、導(dǎo)線、電流互感器、電纜等在運(yùn)行中會(huì)承受電壓、電流的雙重作用[15-16]。電流的致熱效應(yīng)、電壓對(duì)絕緣材料的電破壞以及電壓與電流導(dǎo)致的振動(dòng)等因素，均會(huì)從各方面促使電氣設(shè)備的運(yùn)行性能老化，影響系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定[17]。

針對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)以及試驗(yàn)研究的特點(diǎn)，文中考慮了電壓、電流雙重作用下對(duì)于設(shè)備絕緣性能的影響。通過(guò)將大電流產(chǎn)生方式與電壓施加方式組合，設(shè)計(jì)了一種電壓-電流雙施加試驗(yàn)系統(tǒng)。高壓試驗(yàn)設(shè)備能實(shí)現(xiàn)輕負(fù)載被試電氣設(shè)備的電壓、電流施加，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備絕緣水平的準(zhǔn)確檢測(cè)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

文中開(kāi)發(fā)電壓、電流雙施加電源系統(tǒng)，主要基于穿墻套管或電纜插入升流器感應(yīng)線圈腔體，實(shí)現(xiàn)短路金屬導(dǎo)體電流的順利感應(yīng)，以及短路導(dǎo)體施加的電壓通過(guò)套管與處于地電位的升流器隔離，進(jìn)而達(dá)到電壓、電流雙施加的目的；電源系統(tǒng)具備通流（kA級(jí)）和電壓（50 kV級(jí)以上）疊加，且擁有連續(xù)運(yùn)行不小于24小時(shí)的工作能力；控制、測(cè)量及保護(hù)一體化；并結(jié)合GIS、電纜或?qū)Ь€進(jìn)行電源系統(tǒng)的試應(yīng)用。

同時(shí)考慮到《GBT 16927.2-2013高電壓技術(shù)—測(cè)量系統(tǒng)》中對(duì)于高壓測(cè)量設(shè)備在使用之前應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的校驗(yàn)。其中，性能試驗(yàn)和性能校驗(yàn)是為了證明測(cè)量系統(tǒng)可對(duì)擬測(cè)量的試驗(yàn)電壓和電流進(jìn)行測(cè)量，且應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不確定度的要求，而且該測(cè)量可溯源到相應(yīng)的國(guó)家或國(guó)際測(cè)量基準(zhǔn)，只有在其性能記錄中包含系統(tǒng)布置和工作條件的情況下，測(cè)量系統(tǒng)才能被認(rèn)可。

針對(duì)上述測(cè)試需求，電壓-電流雙施加試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)滿足如下技術(shù)性能指標(biāo)：1）70 kV對(duì)地電壓，負(fù)載≤15 mA；2）3.15 kA回路通流，阻抗≤13 mΩ；3）系統(tǒng) 70 kV/3.15 kA雙施加作用時(shí)間≥8 h；4）0～130°溫度監(jiān)控（無(wú)線測(cè)溫）；5）電壓電流選擇電纜或套管隔離方式，一次系統(tǒng)空間尺寸3 m（長(zhǎng)）0.8 m（寬）1.5 m（高）。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 一次裝置布設(shè)方案

1）電流源的電壓隔離方式

要實(shí)現(xiàn)電壓、電流雙施加，其核心在于對(duì)電流源的電壓隔離。由于本基于感應(yīng)升流方式，電壓隔離裝置與升流器感應(yīng)孔的配合又是關(guān)鍵因素。

①電纜段試驗(yàn)平臺(tái)。如圖1所示為電纜段隔離方案。圖中采用一段電纜加電纜終端的方式構(gòu)成一全絕緣電纜段，將電纜段穿入升流器感應(yīng)孔，電纜段兩端用支柱絕緣子支撐。調(diào)節(jié)調(diào)壓器可以給電纜段升壓，同時(shí)升流器中可感應(yīng)產(chǎn)生大電流，達(dá)到電壓-電流雙施加的效果。

圖1 電纜段試驗(yàn)平臺(tái)

②高壓套管試驗(yàn)平臺(tái)。套管隔離系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)采用穿墻套管穿入升流器感應(yīng)孔，支架將套管連同升流器支撐，套管兩端懸空。調(diào)節(jié)調(diào)壓器可以給高壓套管加壓，同時(shí)升流器可產(chǎn)生電流，達(dá)到電壓-電流雙施加的目的。

圖2 套管隔離試驗(yàn)平臺(tái)

③雙出線GIS段試驗(yàn)平臺(tái)（如圖3所示）。GIS試驗(yàn)段采用GIS母線段加雙出線套管方式構(gòu)成一全絕緣GIS段，升流器在GIS段組裝前預(yù)先固定好，GIS母線段穿入升流器感應(yīng)孔，在完成套管的安裝。兩出線端子靠套管挑高，調(diào)節(jié)調(diào)壓器可以給GIS段加壓，同時(shí)升流器可產(chǎn)生電流，達(dá)到電壓-電流雙施加的目的。

圖3 雙出線GIS段試驗(yàn)平臺(tái)

2）電壓源

由于要開(kāi)展閉合金屬回路的對(duì)地局放監(jiān)測(cè)，要求電壓源應(yīng)無(wú)暈[18]；同時(shí)考慮到電流的溫升試驗(yàn)一般會(huì)持續(xù)數(shù)小時(shí)，配套電壓源要求具備長(zhǎng)期運(yùn)行能力。本文設(shè)計(jì)的電壓-電流雙施加系統(tǒng)采用了無(wú)暈電壓源，電源連接調(diào)壓器，調(diào)壓器和升壓變壓器相連，升壓變壓器支柱絕緣子端采用較大半徑的均壓環(huán)防止起暈。升壓變壓器和電容分壓器以及試驗(yàn)品連接示意圖，如圖4所示。

圖4 無(wú)暈電壓源

2.2 測(cè)控保護(hù)的布設(shè)方案

1）單獨(dú)的電壓源測(cè)控保護(hù)預(yù)設(shè)方案。電壓源的測(cè)量參數(shù)包含了電源電壓、變壓器輸入電壓、變壓器輸入電流、變壓器輸出電壓、變壓器輸出電流。其中，以變壓器的輸入電流、變壓器的輸出電壓作為保護(hù)參數(shù)[19]。在電源與調(diào)壓器輸入之間設(shè)置一組交流接觸器；在調(diào)壓器輸出與升流器輸入之間設(shè)置一組交流接觸器；共兩組交流接觸器控制回路的通斷。調(diào)壓器采用電機(jī)電動(dòng)調(diào)壓，電機(jī)供電需經(jīng)隔離變。

電源電壓的測(cè)量采用電壓表，量程在0～400 V；變壓器的輸入電壓測(cè)量采用電壓表，量程在0～450 V；變壓器的輸入電流采用CT測(cè)量，量程在0～800 A，0.2 S/10 VA，可設(shè)置以每10 A檔為階梯的過(guò)流保護(hù)定值；變壓器的輸出電壓采用電容分壓器，量程在0～150 kV，可設(shè)置以5 kV檔為階梯的過(guò)壓保護(hù)定值，并具備暫態(tài)過(guò)電壓信號(hào)提取及跳閘保護(hù)功能；變壓器的輸出電流采用分流器，量程在0～1.5 A。

2）單獨(dú)的電流源測(cè)控保護(hù)預(yù)設(shè)方案。電流源的測(cè)量參數(shù)包含了電源電壓、升流器輸入電壓、升流器輸入電流、升流器輸出電流以升流器的輸入、輸出電流作為保護(hù)參數(shù)。在電源與調(diào)壓器輸入之間設(shè)置一組交流接觸器；在調(diào)壓器輸出與升流器輸入之間設(shè)置一組交流接觸器；共兩組交流接觸器控制回路的通斷。調(diào)壓器采用電機(jī)電動(dòng)調(diào)壓，電機(jī)供電需經(jīng)隔離變。電源電壓的測(cè)量采用電壓表，量程在0～400 V；升流器的輸入電壓測(cè)量采用電壓表，量程在0～450 V；升流器的輸入電流采用小CT測(cè)量，量程在0～200 A，0.2 S/10 VA，可設(shè)置以每10 A檔為階梯的過(guò)流保護(hù)定值；升流器的輸出電流采用與升流器本體一體化的CT測(cè)量，量程在0～2 500 A，0.5 S/5 VA，可設(shè)置以每100 A檔為階梯的過(guò)流保護(hù)定值。

2.3 一體化的顯示控制平臺(tái)

電壓源和電流源在實(shí)際的操作應(yīng)用中，是可以單獨(dú)進(jìn)行的。但作為電壓-電流雙施加的監(jiān)控平臺(tái)，一體化是其應(yīng)用便捷化的一個(gè)重要特征。在預(yù)設(shè)方案中，將電壓源、電流源、溫度監(jiān)控后臺(tái)安裝在一起。一體化的電壓、電流操控及溫度監(jiān)控平臺(tái)設(shè)置有三束連接：平臺(tái)的電源連接，設(shè)置有2 kVA的隔離變，主供平臺(tái)的供電；電壓源操控連接，用于電壓源開(kāi)關(guān)、測(cè)控信號(hào)的傳遞；電流源操控連接（無(wú)線方式），用于電流源開(kāi)關(guān)、測(cè)控信號(hào)的傳遞。電壓-電流操控及溫度控制平臺(tái)示意圖，如圖5所示。

圖5 監(jiān)控平臺(tái)示意圖

圖5中監(jiān)控平臺(tái)可分五個(gè)區(qū)域，平臺(tái)的電源分合區(qū)域、電流源控制區(qū)域、電壓源控制區(qū)域、溫度監(jiān)控區(qū)域以及電壓、電流信號(hào)及220 V電源端口區(qū)域。平臺(tái)的電源分合區(qū)域，設(shè)置有分合按鈕以及電壓、電流指示儀表，用來(lái)監(jiān)控平臺(tái)的供電與用電情況；電流源控制區(qū)域和電壓源的控制區(qū)域，均設(shè)置有合分按鈕、緊急停止按鈕、調(diào)壓器調(diào)節(jié)手柄和各類電壓、電流監(jiān)測(cè)儀表；溫度監(jiān)控區(qū)域，設(shè)置有溫度監(jiān)控儀，其上的開(kāi)關(guān)按鈕可實(shí)現(xiàn)儀器開(kāi)關(guān)，溫度自動(dòng)搜索，無(wú)需人工操作；電壓、電流信號(hào)及220 V電源端口區(qū)域，設(shè)置有標(biāo)準(zhǔn)的電壓波形監(jiān)控端口、電流波形監(jiān)控端口以及供220 V電源的從插線板。

2.4 測(cè)量不確定度評(píng)定

對(duì)于測(cè)試類設(shè)備，需要對(duì)其測(cè)量的不確定度進(jìn)行評(píng)估。按照GB16927.2提出的要求，本文對(duì)電壓-電流雙施加系統(tǒng)進(jìn)行了A類不確定度評(píng)價(jià)。

A類評(píng)估方法適用于在相同的測(cè)量條件下獲得n個(gè)電壓，電流的測(cè)量值構(gòu)成的隨機(jī)變量。通常，可以假定測(cè)量值服從正態(tài)分布。以電壓為例n個(gè)測(cè)量值的算數(shù)平均值如式（1）：

其中，A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度等于實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差平均值，見(jiàn)式（2）

按照上述方法，文中對(duì)電壓-電流雙施加系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)量不確定度的評(píng)定，使其滿足高電壓技術(shù)的測(cè)量要求。

3 應(yīng)用的主要技術(shù)領(lǐng)域

針對(duì)電氣設(shè)備的運(yùn)行特點(diǎn)與試驗(yàn)研究的特點(diǎn)[20]，以及上文提到的有關(guān)GIS、電流互感器、隔離開(kāi)關(guān)、電力電纜等事故缺陷總是與電壓致絕緣缺陷、電流致熱缺陷之間關(guān)。本文設(shè)計(jì)的電壓-電流雙施加試驗(yàn)系統(tǒng)，使得小容量電源開(kāi)展電氣設(shè)備額定工況考核成為可能。該系統(tǒng)適應(yīng)電氣設(shè)備生產(chǎn)、試驗(yàn)、運(yùn)行單位，可完善其試驗(yàn)檢測(cè)手段，拓展其電壓、電流施加測(cè)試項(xiàng)目。針對(duì)TA、開(kāi)關(guān)柜、GIS段、架空導(dǎo)線、電纜等一次回路為低阻抗的電氣設(shè)備，進(jìn)行了雙施加試驗(yàn)應(yīng)用，并取得了良好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)目前高壓試驗(yàn)中耐壓和通流試驗(yàn)分開(kāi)進(jìn)行，而不能模擬現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)這一缺陷，設(shè)計(jì)了一套電壓-電流雙施加系統(tǒng)，為上述問(wèn)題的解決提供了一個(gè)良好的思路。該系統(tǒng)利用小容量電源完成了高壓電器設(shè)備額定工況的考核，對(duì)于完善電氣設(shè)備的檢測(cè)試驗(yàn)手段具有重要意義。