0.1Hz-30kV 超低頻高壓發(fā)生器的研制及工程應(yīng)用

趙麗惠,姜 幸,錢 偉,張 勇

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司曲靖麒麟供電局,云南 曲靖 655000)

引言

進(jìn)入二十一世紀(jì),城市建設(shè)不斷發(fā)展,架空線路逐漸被電纜所替代,城區(qū)的電纜化率不斷地提高。交聯(lián)聚乙烯電纜由于自身具有敷設(shè)簡單、運行維護(hù)較為容易、線芯的允許溫度高、介質(zhì)的損耗小等電氣優(yōu)點,目前已經(jīng)在我國各地10～220kV 的電壓等級都得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而,交聯(lián)聚乙烯電纜的長時間使用,會受到周圍各種環(huán)境因素的影響,例如發(fā)熱、化學(xué)、濕氣等的影響。由于這些因素的綜合作用,使得交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣介質(zhì)發(fā)生物理以及化學(xué)變化,導(dǎo)致電纜的絕緣性能降低,造成電纜擊穿等影響,嚴(yán)重時會造成停電情況增加,影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[2,3]。為了保證電纜的使用穩(wěn)定,以及對電纜做出正確的壽命預(yù)測已經(jīng)成為了及時了解電纜的運況和穩(wěn)定工作的重要環(huán)節(jié)[4],用合適的方法進(jìn)行交聯(lián)聚乙烯電纜的試驗是對傳統(tǒng)的電纜試驗方法的挑戰(zhàn)。

由上可知,對交聯(lián)聚乙烯電纜定時進(jìn)行檢測是檢查電力電纜絕緣狀況的一個主要試驗項目。首先,直流耐壓試驗方法就已不適用于這類電纜[5,6]。用直流耐壓試驗,會由于產(chǎn)生的不易中和的空間電荷而引起電場的畸變,從而導(dǎo)致之后施加運行電壓時電纜被擊穿,或者造成嚴(yán)重的絕緣損傷。其次,如若采用頻率為50Hz 的工頻電壓進(jìn)行耐壓試驗時,為了有效處理交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣層處的大電容,不僅需要采用費用高、體積大的試驗變壓器或諧振變壓器,更重要的是在使用的時候,也會帶來諸多的不便[7]。為了解決這個問題,一種新型的檢測方式——0.1Hz 超低頻試驗技術(shù)被提出[8,9]。采用這種方法,不僅能準(zhǔn)確的對電纜做出正確的壽命預(yù)測,而且0.1Hz 超低頻電壓試驗還有試驗電源容量小、設(shè)備輕等特點,在該領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[10]。

1 0.1Hz-30kV 超低頻高壓發(fā)生器的整體情況

在設(shè)計本儀器的過程當(dāng)中,嚴(yán)格按照武漢高壓研究所所發(fā)布的行業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計,并且在此基礎(chǔ)上,結(jié)合了先進(jìn)的現(xiàn)代數(shù)字變頻技術(shù),在設(shè)計的過程中,將自動化貫穿于整個設(shè)計之中。為了實現(xiàn)升降壓的測量和保護(hù)自動化的目的,在設(shè)計中采用了微機控制技術(shù),并且在需要人工干預(yù)的地方也設(shè)置了相應(yīng)的措施。設(shè)施的全電子化使得儀器重量輕體積小,結(jié)果的輸出也比較直觀。設(shè)計出的儀器的技術(shù)指標(biāo)完全符合電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),在各種電力場合下均適用,實物如圖1 所示。

由于現(xiàn)在國內(nèi)的超低頻高壓發(fā)生器大多采用機械式的方法進(jìn)行調(diào)制,所以會使得測量波形存在較大的測量誤差,波形也與實際有所差異。在電壓較高的場合,設(shè)備會顯得比較笨重且有火花放電等現(xiàn)象,而且在放電整形時,還需要大功率高壓電阻的作用,所以也會使得設(shè)備的功耗大大增加,本產(chǎn)品采用先進(jìn)的技術(shù),上述不足均可克服,因此可以在電纜、電力電容器以及大型高壓旋轉(zhuǎn)電機等場合廣泛應(yīng)用。

2 超低頻高壓發(fā)生器的基本原理

上世紀(jì)70 年代,作為世界上首個致力于研究低頻電纜檢測方法的公司,美國高電壓公司所設(shè)計的電纜檢測設(shè)備不僅設(shè)備輕,而且成本也低于別的檢測設(shè)備,最重要的是它可以產(chǎn)生真正的高壓正弦波。經(jīng)過多年的實踐使用證明,固體絕緣電纜的擊穿電壓在超低頻高壓以及在交流工頻下的電壓值是相當(dāng)?shù)腫8]。此外該項設(shè)計還可擴展到頻率更低的情況中使用,且它的測量效果是非常顯著的。

該設(shè)計所采用的基本設(shè)計思路是非常簡單的,用超低頻率、低充電電流和相對長的時間間隔將樣品充電到高電壓,是一種類似于產(chǎn)生像正弦波那樣的超低頻波形的方法。在該設(shè)計當(dāng)中,超低頻的波形是極其關(guān)鍵的,特別適合的波形是正弦波,因為它在使用過程當(dāng)中不會產(chǎn)生高頻諧波,由圖2,從結(jié)構(gòu)圖中,可以直觀的觀察該設(shè)計的基本原理。系統(tǒng)的輸入從電壓為120V、頻率為60Hz或者220V,頻率為50Hz 的電源獲得,輸出的電壓由可以自動調(diào)節(jié)的變壓器來進(jìn)行控制,在圖2 中,用T1 來表示這一過程。T2 的頻率比輸出頻率大一倍,輸出以正弦波的形式周期性的增加或減少,通過這一過程,便可以產(chǎn)生一個60Hz(或50Hz)電壓。通過升壓變壓器,電壓的等級逐步提高,在圖2 中,T3 可以用來表示這一過程。之后,再通過整流器整流。最終,再經(jīng)過一個極性開關(guān),每半個周期顛倒一次電壓極性。需要一提的是,本世紀(jì)并不需要濾波裝置,輸出電纜將充當(dāng)這一角色,以使波形諧波較小,到達(dá)可以接受的范圍。經(jīng)過上述的過程,便可以最終產(chǎn)生一個高壓超低頻正弦波[11]。

圖2 VLF 系統(tǒng)原理圖

3 超低頻高壓發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)

(1)通過高壓的采樣,可以直接獲得所需的電流電壓值的大小,所以測量得到的數(shù)據(jù)真實可靠。(2)過壓保護(hù)：當(dāng)所輸出的電壓值低于認(rèn)為設(shè)定的限幅值的時候,該儀器就會自動停機,進(jìn)行自我保護(hù),該過程的反應(yīng)時間不超過20ms。(3)過流保護(hù)：本設(shè)計采用了高壓與低壓都可以進(jìn)行保護(hù)的雙重保護(hù)。在低壓側(cè),當(dāng)設(shè)備中流過的電流值大于額定電流時,設(shè)備自行停機保護(hù)；在高壓側(cè),則是設(shè)備根據(jù)所設(shè)定的設(shè)定值來精確停機保護(hù)。以上的動作時間均不超過20ms。(4)在升壓體的內(nèi)側(cè)裝有保護(hù)電阻,可以防止輸出過高壓。因此,不需要外接保護(hù)電阻。(5)為了避免輸出時會產(chǎn)生的無容升效應(yīng),本設(shè)計獨特性的采用了高低壓閉環(huán)負(fù)反饋控制。

4 主要技術(shù)參數(shù)

額定電壓：30kV(峰值)

帶載能力：頻率為 0.1Hz 時,≤1.1μF

頻率為 0.05Hz 時,≤2.2μF

頻率為 0.02Hz 時,≤5.5μF

頻率為 0.01Hz 時,≤11.0μF

電源保險管：10A

電壓波形失真度：≤5%

重量：控制器6kg,升壓體39kg

使用條件：戶內(nèi)、戶外；溫度：-10℃～+40℃；濕度：≤85%RH

測量精度：±(3%滿量程+0.5kV)

5 儀器結(jié)構(gòu)

5.1 控制器面板示意圖

根據(jù)圖3 所示的控制器面板,一一進(jìn)行功能說明：(1)“地”：接地,相當(dāng)于接地端。(2)“控制輸出”：輸出多芯插座,使用時與升壓體的輸入多芯插座相連。(3)“對比度”：調(diào)節(jié)液晶顯示器。(4)“功能鍵”：其功能由顯示屏提示欄的相應(yīng)位置提示。(5)“AC220V”：電源輸入,內(nèi)部有安全保護(hù)裝置。(6)“開關(guān)”：電源開關(guān)。(7)“打印機”：在得到試驗結(jié)果后,用來打印報告。(8)“液晶顯示器”：顯示數(shù)據(jù)。

圖3 控制器面板

5.2 升壓器結(jié)構(gòu)示意圖

升壓器的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 升壓器結(jié)構(gòu)

6 超低頻高壓發(fā)生器在實際工程中的應(yīng)用

6.1 電纜的超低頻耐壓試驗方法

在開始試驗之前,將被測試品電纜脫離所有電器設(shè)備,對所測試品的每一相進(jìn)行絕緣電阻的測量,這一過程可用10kV 的兆歐表完成,并且記錄相應(yīng)的數(shù)值。試驗所采取的電壓的峰值應(yīng)該取試品額定工作的電壓的3 倍,試驗的時間一般設(shè)定為3 分鐘。也可以對試品的每一相進(jìn)行分相測試。若想進(jìn)行并聯(lián)耐壓的試驗,需要保證試品電纜的電容值在實驗設(shè)備負(fù)載容量的范圍內(nèi)。

按照圖5 所示的方法將試品電纜與試驗設(shè)備相連接。給設(shè)備通電,設(shè)置好相應(yīng)的頻率值、時間以及電壓等級和過流、過壓保護(hù)數(shù)值,確保無誤后,便可開始試驗。在升壓的過程當(dāng)中,對高壓回路應(yīng)當(dāng)時刻進(jìn)行監(jiān)聽關(guān)注,是否有異響聲發(fā)出是最值得注意的一個變化。當(dāng)電壓等級達(dá)到所設(shè)定電壓等級時,開始進(jìn)行試驗數(shù)據(jù)的記錄,試驗數(shù)據(jù)應(yīng)包括試驗的時間和試驗電壓值。在試驗設(shè)定的時間到后,若電纜保持正常狀態(tài),無破壞性放電,電纜即可通過試驗。相反,若有異況發(fā)生,如電流異常增大,電壓不穩(wěn)定,試品電纜產(chǎn)生異味以及煙霧等,應(yīng)當(dāng)立即停止試驗,關(guān)掉設(shè)備并查明原因。經(jīng)檢查后,如果這些現(xiàn)象是由試品電纜絕緣薄弱所引起的,則認(rèn)為該試驗樣品不合格,不能通過絕緣耐壓試驗。若經(jīng)查明是由于環(huán)境問題以及電纜表面有臟污所引起的,應(yīng)當(dāng)將試品電纜進(jìn)行清潔并經(jīng)過干燥之后,再次進(jìn)行絕緣耐壓試驗。在實驗的過程當(dāng)中,有時也會出現(xiàn)非試品電纜絕緣缺陷從而使得儀器出現(xiàn)過流保護(hù),這時應(yīng)當(dāng)停機查明原因并且排除,在確保不存在上述問題后,重新設(shè)置試驗時間,不得僅僅進(jìn)行“補足時間”試驗。

6.2 大型高壓發(fā)電機的超低頻耐壓試驗方法

進(jìn)行該項試驗時,與上述的對電纜的操作方式類似,下文不再過多贅述,僅在要進(jìn)行不同操作的地方進(jìn)行說明。

圖5 單相測量連線圖

該項試驗一般在發(fā)電機進(jìn)行交接、大修等情景下進(jìn)行,并且經(jīng)過多次的試驗可以證明,在采用0.1Hz 超低頻電壓時,比在工頻電壓下更容易發(fā)現(xiàn)電機端部絕緣的問題。其原因是由于在采用超低頻電壓之后,會使從線棒流出的電容電流大大減小,使得在防暈層上的壓降與在工頻電壓情況下相比大大減小,從而使得端部絕緣上的電壓較高,便于發(fā)現(xiàn)缺陷。在進(jìn)行試驗時,應(yīng)同測試電纜一樣,采用分相測試的方法,被試相加壓,非被試相短接接地,采用的連線方法如圖6 所示。試驗時間的確定,應(yīng)參照有關(guān)規(guī)程。在耐壓的過程中,無異樣發(fā)生,即認(rèn)為絕緣耐受住了試驗的考驗。

圖6 測量定子的某相連線圖

6.3 電力電容器的超低頻耐壓試驗方法

進(jìn)行該項試驗時,需要進(jìn)行的操作與上述兩種試驗方法大體相似,試驗設(shè)備與試驗電纜的連接方式如圖7所示。試驗電壓以及時間的設(shè)定,需要嚴(yán)格按照有關(guān)的規(guī)程來進(jìn)行設(shè)定。

圖7 測量電容器的連線圖

6.4 工程使用時注意事項

(1)本儀器只可用來做超低頻高壓測試實驗,不得作其他用途。

(2)本裝置內(nèi)帶電,若儀器設(shè)備無法正常使用,為了避免由于不熟悉設(shè)備而發(fā)生意外,切忌自行修理,應(yīng)與我公司聯(lián)系,派專業(yè)人士進(jìn)行修理。

(3)關(guān)機后應(yīng)對儀器進(jìn)行充分放電,待放電充分時,再進(jìn)行拆線操作。

(4)在開機前也應(yīng)對儀器進(jìn)行充分放電,待確保安全后,再開機。

(5)在每次升壓前,都應(yīng)對試品進(jìn)行充分放電,再進(jìn)行實驗。

7 結(jié)束語

根據(jù)交聯(lián)聚乙烯超低頻耐壓測試的需要,我公司嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計出了如本文所陳述的0.1Hz-30kV超低頻高壓發(fā)生器,它不僅結(jié)合了先進(jìn)的現(xiàn)代數(shù)字變頻技術(shù),更實現(xiàn)了儀器的自動化控制。此外,本產(chǎn)品還具有重量輕,使用方便等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于多種超低頻耐壓試驗場合。它的研制成功,大大提高了行業(yè)超低頻耐壓測試的技術(shù)水平,具有廣闊的市場應(yīng)用前景。