便攜式特高壓零值絕緣子檢測裝置設(shè)計(jì)與研究

周學(xué)明，闞 毅，李籽劍，胡丹暉，黃澤琦，馮志強(qiáng)，張耀東

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077；2.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

高壓絕緣子是電力系統(tǒng)中廣泛使用的設(shè)備之一，其優(yōu)劣程度直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全，穩(wěn)定運(yùn)行［1-3］。絕緣電阻是表征絕緣子優(yōu)劣程度的一個(gè)重要參數(shù)，良好的絕緣電阻是保證其正常運(yùn)行的重要前提，近幾年新投運(yùn)及掛網(wǎng)運(yùn)行特高壓瓷絕緣子零值問題日漸頻繁，給跨區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行安全帶來隱患［4-6］。根據(jù)《GB/T 50832-2013 1 000 kV系統(tǒng)電氣裝置安裝工程設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，懸式絕緣子交接試驗(yàn)應(yīng)滿足兩方面要求：安裝前應(yīng)采用5 000 V兆歐表測量每片懸式絕緣子絕緣電阻，不應(yīng)低于500 MΩ；應(yīng)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓值應(yīng)為60 kV。在安裝前或者必要時(shí)檢測絕緣子的絕緣性能，確定其滿足規(guī)定的使用要求對電網(wǎng)安全運(yùn)行有重要的意義［7-9］。

目前，對于特高壓線路絕緣子零值檢測手段最主要的還是采用高壓兆歐表，輸出電壓為2 500 V 和5 000 V 檔位，但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對于大噸位特高壓絕緣子的絕緣電阻值，由于傳統(tǒng)高壓兆歐表測試電壓過低，不能有效測試出低零值絕緣子［10-12］?，F(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)供電電源不易獲取，60 kV 交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備笨重，不易搬運(yùn)［13-15］。為了實(shí)現(xiàn)大噸位零值或者低值高壓絕緣子現(xiàn)場快速、準(zhǔn)確檢出，急需開展特高壓輸電線路大噸位瓷絕緣子零值測試方法研究，研制便攜有效的測試裝置［16-18］。

1 特高壓零值絕緣子檢測方法試驗(yàn)研究

目前，針對現(xiàn)場絕緣子零值檢測的技術(shù)方式有限，并且存在一定的誤判，造成絕緣電阻表檢出低零值絕緣子的準(zhǔn)確率較低，按照規(guī)程進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，在野外不容易獲取試驗(yàn)電源且耐壓裝置笨重不易運(yùn)輸，考慮采用脈沖高壓下進(jìn)行大噸位絕緣子的絕緣性能檢測［19-21］。脈沖高壓電源體積小，可采用電池供電，能有效解決交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備笨重，不易搬運(yùn)的問題［22-24］。

為驗(yàn)證脈沖高壓法零值絕緣子檢測方法的有效性，選取高值和低值絕緣子，分別采用絕緣電阻表法、高壓脈沖法和交流耐壓試驗(yàn)法進(jìn)行檢測，對比測量結(jié)果。特高壓零值絕緣子絕緣電阻表測試接線圖如圖1所示。

圖1 特高壓零值絕緣子絕緣電阻表法測試接線圖Fig.1 UHV zero-value insulator insulation resistance meter test wiring diagram

按照圖1 接線，采用5 000 V 兆歐表（WHDY-4000），在2 500 V、5 000 V 電壓下測量各個(gè)時(shí)刻的絕緣電阻值。讀取1 s、5 s、15 s、60 s 等時(shí)刻的絕緣電阻值，測試結(jié)果如表1所示。

表1 特高壓零值絕緣子絕緣電阻表法試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test results of insulation resistance meter method for UHV zero-value insulators

特高壓零值絕緣子脈沖高壓法測試接線如圖2所示。

圖2 特高壓零值絕緣子脈沖高壓法測試接線圖Fig.2 Test wiring diagram of UHV zero-value insulator pulse high voltage method

采用直流高壓發(fā)生器對脈沖電容器（5 μF/50 kV）充電至試驗(yàn)電壓，高壓開關(guān)GK進(jìn)行合/分操作，通過電阻R 將高壓試驗(yàn)脈沖施加到被試絕緣子上端，高壓脈沖寬度由高壓開關(guān)合/分閘間隔決定，試驗(yàn)脈沖電壓采用分壓器（1 250∶1）取樣，在高壓尾串接200 K/2 W 電阻取樣脈沖電流，信號(hào)接入示波器［25-27］。

檢測到如圖3 的脈沖電壓和脈沖電流，求取兩個(gè)信號(hào)的平均值，相除后，得到高壓脈沖下的電阻。設(shè)定高壓脈沖寬度分別為60 ms、100 ms、500 ms、1 s進(jìn)行測量計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

圖3 脈沖電壓和脈沖電流Fig.3 Pulse voltage and pulse current

表2 特高壓零值絕緣子脈沖電壓法試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test results of UHV zero-value insulator pulse voltage method

特高壓零值絕緣子交流耐壓試驗(yàn)接線圖如圖4所示。

圖4 特高壓零值絕緣子交流耐壓試驗(yàn)測試接線圖Fig.4 UHV zero value insulator AC withstand voltage test test wiring diagram

用50 kV 交流試驗(yàn)變壓器升壓，在10 kV、20 kV、30 kV、40 kV、50 kV電壓下進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，記錄是否通過耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 特高壓零值絕緣子交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果Table 3 AC withstand voltage test results of UHV zero-value insulators

比較表3中數(shù)據(jù)，絕緣電阻表在2 500 V和5 000 V試驗(yàn)電壓下測量的高值和低值特高壓絕緣子，絕緣電阻都遠(yuǎn)大于500 M，不能正確地反映特高壓絕緣子的絕緣特性；脈沖高壓法在電壓幅值10 kV條件下，測量結(jié)果也遠(yuǎn)大于500 M，檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，脈沖電壓幅值50 kV 條件，低值絕緣子測量結(jié)果小于250 M，高值絕緣子大于1 G，能夠準(zhǔn)確檢出低值特高壓絕緣子；交流耐壓試驗(yàn)電壓低于40 kV 時(shí)，低值絕緣子也不會(huì)發(fā)生擊穿，不能有效檢出缺陷絕緣子，試驗(yàn)電壓44 kV 時(shí)，低值絕緣子擊穿，高值絕緣子通過耐壓試驗(yàn)，有效檢出缺陷絕緣子［28-30］。

較低的交流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓和脈沖法試驗(yàn)電壓檢出缺陷絕緣子的準(zhǔn)確度低，10 kV 脈沖高壓和40 kV的交流高壓下，絕緣子的缺陷也未被擊穿，表明試驗(yàn)電壓的幅值需要達(dá)到一定的水平，才能有效激發(fā)特高壓低值絕緣子缺陷，實(shí)現(xiàn)正確可靠的檢測。

不同的高壓脈沖寬度下，測量的特高壓絕緣子電阻值有一定的變化，需要對高壓脈沖寬度與絕緣電阻測試結(jié)果的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)分析，選取合適的試驗(yàn)脈沖寬度，達(dá)到準(zhǔn)確檢測的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明，選取適當(dāng)幅值和寬度的脈沖高壓對特高壓絕緣子進(jìn)行測試，可以有效檢出低（零）值絕緣子，代替交流耐壓試驗(yàn)，解決交流耐壓試驗(yàn)現(xiàn)場供電電源不易獲取和運(yùn)輸不便的問題。

2 便攜式特高壓零值絕緣子檢測裝置總體設(shè)計(jì)

2.1 總體要求

1）裝置功能要求

輸出寬度和幅值可調(diào)整的高壓脈沖，對特高壓絕緣子電阻進(jìn)行測量；為確保測試安全，采用藍(lán)牙無線通訊方式控制裝置工作狀態(tài)，啟動(dòng)高壓脈沖輸出和信號(hào)采集；試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通訊傳輸至手持式控制設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和分析判斷。

2）裝置關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)要求

最大輸出電壓：DC 60 kV；高壓脈沖寬度：50 ms、100 ms、200 ms，可設(shè)置；電壓測量分辨率：0.1 kV；電壓測量精度：±（5%+1 個(gè)讀數(shù)）；電流測量分辨率：0.05 μA；電流測量精度：±（5%+1個(gè)讀數(shù)）；高值絕緣子測試次數(shù)：5 000次；供電電源：DC24V。

2.2 裝置總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)零值絕緣子高壓脈沖法檢測的要求設(shè)計(jì)測試裝置樣機(jī)，整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 高壓脈沖零值絕緣子檢測裝置框架Fig.5 The frame of the high-voltage pulse zero-value insulator detection device

高壓脈沖零值絕緣子檢測裝置分為兩部分，一部分為藍(lán)牙手持設(shè)備，一部分為高壓脈沖試驗(yàn)裝置。藍(lán)牙手持設(shè)備完成無線設(shè)置高壓脈沖寬度、無線啟動(dòng)控制高壓脈沖輸出、無線收集測量數(shù)據(jù)和測量結(jié)果顯示和分析等功能。高壓脈沖試驗(yàn)裝置采用工業(yè)級(jí)微處理器為核心，包括供電電池和電源管理模塊、藍(lán)牙無線通訊接口模塊、信號(hào)脈寬控制和脈沖發(fā)生器模塊、信號(hào)變換和采集模塊，藍(lán)牙手持裝置按照接收的高壓脈沖設(shè)置寬度，完成高壓脈沖輸出和信號(hào)變換及采集，并將結(jié)果上傳。

3 便攜式特高壓零值絕緣子檢測裝置設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)框架

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步細(xì)化，詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。直流電源鋰電池經(jīng)推挽電路逆變整流到第一級(jí)中間直流母線，再將中間直流母線電壓經(jīng)半橋電路逆變成中頻方波電壓，經(jīng)中頻高壓變壓器升壓到中頻高壓，再經(jīng)6倍壓整流，最后輸出直流高壓。處理器通過RELAY1 控制電源導(dǎo)通，控制RELAY_GROUP 切換輸出電壓檔位，控制RELAY2 接通高壓脈沖輸出，控制導(dǎo)通時(shí)間從而控制高壓脈沖周期。通過電壓反饋電路1號(hào)來調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制控制器使第一級(jí)直流母線輸出維持恒定。AD 采集部分采集鋰電池電壓檢測電量變化；采集中間反饋電壓監(jiān)測第一級(jí)升壓大??；采集高壓反饋電壓檢測高壓輸；采集采樣電阻電壓監(jiān)測負(fù)載電流大小。處理器通過藍(lán)牙模塊和手持終端通過藍(lán)牙通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，手持終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

圖6 詳細(xì)設(shè)計(jì)信號(hào)流程Fig.6 Detailed design signal flow

3.2 脈沖高壓模塊

第一級(jí)升壓電路采用推挽將直流低電壓升壓到所需第一級(jí)直流母線電壓，將直流低壓電源產(chǎn)生的直流低壓通過變壓器升壓到設(shè)定的第一級(jí)電壓，第一級(jí)升壓電路如圖7所示。

圖7 第一級(jí)升壓電路Fig.7 The first stage boost circuit

在第一級(jí)升壓電路中，通過反饋和高壓輸出程控?fù)Q擋部分，用于調(diào)節(jié)第一級(jí)直流母線電壓輸出。第一級(jí)升壓電路通過帶隔離的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓可控可調(diào)，處理模塊控制第一級(jí)升壓的幅值大小，反饋調(diào)壓電路如圖8所示。

圖8 反饋調(diào)壓電路Fig.8 Feedback voltage regulator circuit

中頻電壓通過高壓包把電壓升壓為中頻高壓，通過6倍壓整流成為直流高壓。此中頻電壓經(jīng)高壓包升壓電路升壓到設(shè)定的第二級(jí)中頻電壓，處理模板控制第二級(jí)升壓輸出的周期，倍壓整流電路如圖9所示。

圖9 倍壓整流電路Fig.9 Voltage doubler rectifier circuit

第二級(jí)升壓部分，采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直流母線電壓逆變成中頻的方波電壓，第二級(jí)升壓電路將第一級(jí)升壓電路輸出的直流母線電壓通過半橋逆變電路，逆變成中頻電壓，逆變電路如圖10所示。

該整流電路提供了一種基于高壓脈沖法的絕緣子測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

圖10 逆變電路Fig.10 Inverter circuit

（1）直流低壓經(jīng)過升壓逆變和倍壓整流處理，并控制升壓幅值和周期產(chǎn)生設(shè)定周期的直流脈沖高壓輸出；

（2）將直流脈沖高壓分壓處理成低壓脈沖；

（3）采集絕緣子兩端的脈沖低壓信號(hào)和與絕緣子串聯(lián)的采樣電阻兩端電壓信號(hào)；

（4）通過采集的脈沖低壓信號(hào)計(jì)算出絕緣子兩端的實(shí)際電壓；通過采集的采樣電阻兩端電壓信號(hào)，計(jì)算出絕緣子兩端的實(shí)際電流，并通過絕緣子兩端的實(shí)際電壓和實(shí)際電流得到絕緣子絕緣性的測試結(jié)果。

步驟（4）中的測試結(jié)果通過通訊模塊發(fā)送至顯示及操控終端進(jìn)行結(jié)果顯示；顯示及操控終端通過通訊模塊控制步驟（1）中的升壓幅值和周期。

3.3 裝置本體

本裝置可輸出幅值和寬度可調(diào)的脈沖高壓，對絕緣子電阻進(jìn)行測量，并能將試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通訊傳輸至手持式設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，分析判斷和圖像處理，同時(shí)也可等效交流耐壓試驗(yàn)。此測試儀體積較小、質(zhì)量較輕、使用簡便等特點(diǎn)，同時(shí)采用可充電鋰電池供電方式攜帶方便，便于野外測量，可以實(shí)現(xiàn)快捷、廉價(jià)、有效地檢測劣化瓷絕緣子。檢測裝置樣機(jī)外觀如圖11所示，檢測裝置樣機(jī)重量約為2.4 kg，直徑35 mm，高3 800 mm，通過手持平板進(jìn)行操作。

圖11 裝置本體Fig.11 Device body

4 結(jié)語

絕緣電阻表不能有效檢出特高壓低值和零值絕緣子，大噸位特高壓絕緣子交流耐壓檢測方法在工程現(xiàn)場受到條件限制，檢測工作效率低且不易實(shí)施。高壓脈沖檢測特高壓低值或者零值絕緣子有較高的準(zhǔn)確率，采用高壓脈沖檢測特高壓零值絕緣子的方法研究和便攜式檢測裝置研制具有重要的意義。

1）完成的便攜式絕緣子檢測裝置采用小型化的高壓脈沖試驗(yàn)電源，進(jìn)行了試驗(yàn)電壓幅值和寬度對測量結(jié)果影響的研究，確定輸出的脈沖電壓大于60 kV，脈沖寬度100 ms。檢測裝置質(zhì)量不大于3 kg，設(shè)備小巧便攜。電壓測量偏差小于±5%；絕緣電阻測試范圍0～5 000 M，測量偏差小于±10%；單次充電可連續(xù)使用5 000次。

2）通過對比絕緣電阻表和交流耐壓測試的結(jié)果，研制的便攜式特高壓零值絕緣子檢測裝置能夠有效判斷零值、低值和高值特高壓絕緣子。檢測速度快，單片絕緣子檢測時(shí)間10 s，適應(yīng)大批量特高壓絕緣子現(xiàn)場準(zhǔn)確、高效檢測的要求。