一體化電網(wǎng)主設(shè)備交流耐壓及局放試驗(yàn)裝置研發(fā)

李連時(shí)　王志敏　王理麗　李吉存　包正紅　石徑　馬永?！×秩f(wàn)德　陳堯

摘要：本文設(shè)計(jì)了一款一體化電網(wǎng)主設(shè)備交流耐壓及局放試驗(yàn)裝置，由試驗(yàn)車體、控制臺(tái)、測(cè)試設(shè)備、系統(tǒng)保護(hù)裝置等部分組成。其中測(cè)試設(shè)備可以根據(jù)具體測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行調(diào)整，解決了以往繁瑣的操作問題。另外，該試驗(yàn)裝置滿足了目前最高電壓等級(jí)、不同海拔、復(fù)雜自然環(huán)境條件下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)需求，可以讓整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程更加安全快捷。真正實(shí)現(xiàn)了車載一體化，做到了單車集成全部試驗(yàn)所需設(shè)備和附件，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)便利化。

關(guān)鍵詞：一體化;交流耐壓;安全快捷;單車試驗(yàn)

Research and Development of AC Withstand Voltage and Partial Discharge Test Equipment for Integrated Power Grid Main Equipment

LI Lianshi1 WANG Zhiming1 WANG Lili2 LI Jicun1 BAO Zhenghong2

SHI Jingi1 MA Yongfu2 LINWande2 CHEN Yao2

（1.Qinghai Electric Power Research Technology Co.， Ltd.， Xining， Qinhai Province， 810008 China;

2.Electric Power Research Institute of State Grid Qinghai Electric Power Company， Xining， Qinhai Province， 810008 China?）

Abstract： An integrated power grid main equipment AC withstand voltage and partial discharge test device is designed， which is composed of test car body， console， test equipment， system protection device， etc. The test equipment can be adjusted according to the specific test items， which solves the tedious operation problems in the past. In addition， the test device can meet the requirements of the field experiment under the conditions of the highest voltage level， different altitudes and complex natural environment， which can make the whole experiment process safer and faster. The vehicle integration is truly realized， and all the equipment and accessories required for the test are integrated by single vehicle， which facilitates the test.

Key Words： Integration; AC withstand voltage; Safe and fast; Bicycle test

0 引言

隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展以及國(guó)內(nèi)高壓輸/變電站規(guī)模的迅速增長(zhǎng)，用于對(duì)電網(wǎng)主設(shè)備進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試的試驗(yàn)裝置的需求也越來越大。電力系統(tǒng)中，為了檢驗(yàn)電力設(shè)備的安全性和高效性，通常選擇高壓試驗(yàn)的方式，測(cè)試一次設(shè)備及電纜是否滿足投運(yùn)標(biāo)準(zhǔn)，以保障電力設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。

目前，高壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)使用的試驗(yàn)裝置普遍具有重量和體積較大、高度較高、運(yùn)輸困難等特點(diǎn)，因此多采用通過多組部件發(fā)運(yùn)、現(xiàn)場(chǎng)組裝的方法構(gòu)建特高壓交直流設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)診斷平臺(tái)，但現(xiàn)場(chǎng)構(gòu)建的診斷平臺(tái)技術(shù)指標(biāo)多數(shù)達(dá)不到試驗(yàn)要求[4-6]。本項(xiàng)目針對(duì)110kV等級(jí)交流絕緣試驗(yàn)電壓高、空間狹小、無(wú)現(xiàn)場(chǎng)專用試驗(yàn)裝置的難題，研制了一套110kV緊湊型一體式主變壓器感應(yīng)耐壓帶局部放電檢測(cè)及主設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)裝置。滿足了目前最高電壓等級(jí)、不同海拔、復(fù)雜自然環(huán)境條件下的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)需求，填補(bǔ)了行業(yè)空白。

1 試驗(yàn)裝置整體設(shè)計(jì)方案

1.1研究背景及存在問題

局部放電試驗(yàn)和交流耐壓試壓是鑒定電力設(shè)備絕緣性能和可靠性的一種最直接、有效的方法。隨著電力工業(yè)的快速發(fā)展以及國(guó)內(nèi)高壓輸/變電站規(guī)模的迅速增長(zhǎng)，用于對(duì)電網(wǎng)主設(shè)備進(jìn)行相關(guān)性能測(cè)試的試驗(yàn)裝置的需求也越來越大。但現(xiàn)有技術(shù)方案，存在下述幾方面的問題。

1、一般的試驗(yàn)裝置通常僅為一種特定測(cè)試項(xiàng)目而設(shè)計(jì)，即局部放電試驗(yàn)裝置只能用于開展電力變壓器的局部放電試驗(yàn)，交流耐壓試驗(yàn)裝置只能用于開展電氣主設(shè)備、電纜等的交流耐壓試驗(yàn)。

2、一般的試驗(yàn)裝置不具備車載試驗(yàn)功能，運(yùn)輸時(shí)需要采用吊車進(jìn)行吊裝，到達(dá)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)后仍需吊車將試驗(yàn)平臺(tái)吊裝至試驗(yàn)地面，進(jìn)而完成試驗(yàn)。該過程不僅成本高、所需試驗(yàn)場(chǎng)地較大，而且由于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)往往存在較多的高壓設(shè)備，吊車吊裝會(huì)存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。

3、試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，大多仍采用手動(dòng)調(diào)節(jié)方式，操作繁瑣、費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不僅占用了大部分試驗(yàn)時(shí)間，而且存在一定的安全隱患。

綜上所述，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種組合式、一體化試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置既可完成110kV及以下電氣主設(shè)備和電纜的交流耐壓試驗(yàn)，也可實(shí)現(xiàn)110kV/80MVA變壓器感應(yīng)耐壓和三相局部放電試驗(yàn)。

1.2一體化試驗(yàn)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高原型車載式110kV及以下電網(wǎng)主設(shè)備一體式局部放電及交流耐壓試驗(yàn)裝置采用特種改裝車輛作為運(yùn)輸載體，將三相變壓器感應(yīng)耐壓及無(wú)局放試驗(yàn)、電纜耐壓試驗(yàn)以及110kV主設(shè)備外施耐壓試驗(yàn)所需的試驗(yàn)設(shè)備完全集成車輛內(nèi)部。通過車輛配備的機(jī)械機(jī)構(gòu)對(duì)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行展開，完全滿足110kV及以下電網(wǎng)主設(shè)備試驗(yàn)時(shí)所需的絕緣距離、機(jī)械強(qiáng)度以及散熱所需的條件。

試驗(yàn)車采用全封閉式整體結(jié)構(gòu)，將試驗(yàn)所需的三相無(wú)局放變頻電源、勵(lì)磁變壓器、無(wú)局放補(bǔ)償電抗器、無(wú)局放分壓器、電纜耐壓電抗器、諧振電抗器等設(shè)備完全集裝于車艙內(nèi)部。通過滑移展開、擴(kuò)展外開門等結(jié)構(gòu)方式將高壓設(shè)備展開至試驗(yàn)狀態(tài)，解決高電壓設(shè)備在海拔5000米的試驗(yàn)所需的外絕緣強(qiáng)度要求。

試驗(yàn)車在試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)，試驗(yàn)設(shè)備與運(yùn)載車輛等接地體的絕緣強(qiáng)度可滿足5000米海拔下滿電壓使用;運(yùn)輸狀態(tài)時(shí)，其外廓尺寸滿足國(guó)內(nèi)公路運(yùn)輸要求，不超限。采用防震、防松設(shè)計(jì)，運(yùn)輸耐沖擊技術(shù)，并配套有液壓支撐腿，實(shí)現(xiàn)車上試驗(yàn)時(shí)車輛的穩(wěn)定性。使用便捷，無(wú)需起重設(shè)備配合，避免了零散試驗(yàn)設(shè)備裝卸車、電抗器堆疊等耗時(shí)、費(fèi)力且具有一定安全隱患的重復(fù)體力勞動(dòng)。

此外，為保證試驗(yàn)裝置在運(yùn)輸狀態(tài)和試驗(yàn)狀態(tài)時(shí)的穩(wěn)定性，其車載平臺(tái)采用防震、防松設(shè)計(jì)，車載設(shè)備采用耐沖擊技術(shù)，并配套有液壓支撐腿。同時(shí)，車載平臺(tái)采用規(guī)范化、隱蔽式布線，所有內(nèi)部接線均利用環(huán)氧管/ABS管在平臺(tái)底部布置。試驗(yàn)時(shí)只需連接供電電纜、地線、高壓輸出引線即可。

工作過程中，需首先對(duì)各試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行自檢，以確保各試驗(yàn)設(shè)備的有效性。其次，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試需要確定開展何種測(cè)試項(xiàng)目（感應(yīng)耐壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)以及主設(shè)備交流耐壓試驗(yàn)），采用電動(dòng)控制和液壓驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式，將該一體化試驗(yàn)裝置全自動(dòng)展開至相應(yīng)的試驗(yàn)狀態(tài)，準(zhǔn)備試驗(yàn)。接著，連接該一體化試驗(yàn)裝置所需的供電電纜和地線，進(jìn)行試驗(yàn)裝置的整體上電自檢，確保試驗(yàn)裝置各功能模塊的有效性和可用性。最后，待檢查無(wú)誤后，將高壓輸出引線連接至相應(yīng)待測(cè)試驗(yàn)設(shè)備，進(jìn)行試驗(yàn)。

2局部放電試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

2.1局部放電原理分析

PD（partial discharge）測(cè)試在資產(chǎn)生命周期的所有階段（如設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試、監(jiān)控/維護(hù)和診斷）中成為一個(gè)重要工具，在多數(shù)情況下綜合測(cè)量各種局部放電特性可以較客觀的評(píng)價(jià)產(chǎn)品的絕緣水平。本裝置可滿足110kV/80MVA（低壓繞組10kV、6kV）變壓器同時(shí)開展三相局部放電試驗(yàn)。

變壓器的絕緣水平對(duì)運(yùn)行的可靠性有很大的影響。絕緣水平最終取決于變壓器的交流耐壓值，以及耐壓值與各種過電壓密切相關(guān)。由于變壓器中的絕緣體、金屬體等常會(huì)帶有一些尖角、毛刺，致使電荷在電場(chǎng)強(qiáng)度的作用下，會(huì)集中于尖角或毛刺的位置上，從而導(dǎo)致變壓器局部放電。同時(shí)，變壓器絕緣體中一般情況下都存在空氣間隙，變壓器油中也有微量氣泡，通常氣泡的介電系數(shù)要比絕緣體低很多，從而導(dǎo)致了絕緣體中氣泡所承受的電場(chǎng)強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于和其相鄰的絕緣材料，很容易達(dá)到被擊穿的程度，使氣泡先發(fā)生放電。此外，如果導(dǎo)電體相互之間電氣連接不良也容易產(chǎn)生放電情況，該種情況在金屬懸浮電位中最為嚴(yán)重。

局部放電對(duì)絕緣設(shè)備的破壞要經(jīng)過長(zhǎng)期、緩慢的發(fā)展過程才能顯現(xiàn)。通常情況下局部放電是不會(huì)造成絕緣體穿透性擊穿的，但是卻有可能使機(jī)電介質(zhì)的局部發(fā)生損壞。如果局部放電存在的時(shí)間過長(zhǎng)，在特定的情況下會(huì)導(dǎo)致絕緣裝置的電氣強(qiáng)度下降，對(duì)于高壓電氣設(shè)備來講是一種隱患。

本裝置采用脈沖電流檢測(cè)法對(duì)110kV/80MVA（低壓繞組10kV、6kV）變壓器展開三相局部放電試驗(yàn)。在對(duì)局部放電檢測(cè)的過程中，使用脈沖電流檢測(cè)法能夠?qū)⒃嚻分械木址判盘?hào)進(jìn)行傳輸之后進(jìn)行信號(hào)處理分析，通過這種方法能夠判斷出試品中的信號(hào)是否為局部放電信號(hào)，進(jìn)而能夠及時(shí)對(duì)試品進(jìn)行處理。

脈沖電流檢測(cè)法檢測(cè)局部放電源，具有以下五個(gè)方面的特點(diǎn)：

第一，脈沖電流檢測(cè)法具有攜帶方便，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在運(yùn)用其進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的過程中，能夠有效減少外界干擾對(duì)其造成的影響，進(jìn)而在實(shí)際的應(yīng)用過程中，能夠?qū)植糠烹娫催M(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。

第二，在使用脈沖電流檢測(cè)法對(duì)試品，如電纜進(jìn)行實(shí)際檢測(cè)的過程中，可以提高檢測(cè)效率，在檢測(cè)的過程中，其能夠快速并準(zhǔn)確的檢測(cè)局放信號(hào)進(jìn)行分析。

第三，在整個(gè)檢測(cè)過程中，不需要對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行斷電，可以直接在試品上安裝設(shè)備對(duì)試品進(jìn)行檢測(cè)。

第四，在安裝傳感器設(shè)備對(duì)試品，如電纜進(jìn)行檢測(cè)之后，可以將其安裝到電纜的終端上，通過這種方法，能夠方便之后對(duì)電纜進(jìn)行檢查處理，

第五，在對(duì)試品，如電纜安裝傳感器設(shè)備的過程中，可以在電纜線路兩端各安裝一個(gè)，通過這樣的方法，能夠提高局部放電檢測(cè)范圍，從而提高檢測(cè)效率。

2.2局部放電試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本一體化110kV及以下電網(wǎng)主設(shè)備交流耐壓及局放試驗(yàn)成套裝置，主要由試驗(yàn)車體、控制臺(tái)、系統(tǒng)保護(hù)裝置、測(cè)試設(shè)備以及配電及輔助系統(tǒng)組成。其中，局部放電測(cè)試設(shè)備主要包括：變頻電源、電容分壓器、補(bǔ)償電抗器、勵(lì)磁變壓器和附件（包括供電電纜、均壓環(huán)等），具體如圖1所示。

本裝置所含變頻電源具有抗電場(chǎng)干擾能力，在強(qiáng)電場(chǎng)干擾下，測(cè)量精度與控制保護(hù)滿足要求;能夠保護(hù)功能完備，能夠滿足滿負(fù)荷條件下的出口短路試驗(yàn);設(shè)有啟動(dòng)、停止和緊急分閘按鈕;具有試驗(yàn)時(shí)間設(shè)定功能，定時(shí)時(shí)間范圍為0～99分鐘，計(jì)時(shí)精度0.1秒;輸入、輸出端子連接方便可靠，輸出端設(shè)有并聯(lián)連接特別標(biāo)記;主回路同時(shí)配置空氣斷路器和交流接觸器;設(shè)有電源啟動(dòng)、停止按鈕和緊急停止開關(guān);設(shè)有升壓和降壓粗、細(xì)調(diào)按鈕;設(shè)有頻率粗、細(xì)調(diào)按鈕;設(shè)有散熱風(fēng)機(jī)相序自動(dòng)識(shí)別和風(fēng)機(jī)方向自動(dòng)選擇功能;設(shè)有獨(dú)立的同步電源，供給局放儀測(cè)量局放信號(hào)時(shí)同步試驗(yàn)頻率使用;輸入電壓保護(hù)：當(dāng)輸入電源欠壓、不平衡或缺相時(shí)，則控制箱內(nèi)相應(yīng)的保護(hù)電路動(dòng)作，切斷高壓輸出，并在顯示屏上提示報(bào)警;過電壓保護(hù)：可任意整定，當(dāng)成套裝置的輸出電壓值達(dá)到保護(hù)整定值時(shí)，自動(dòng)切斷輸出，并在顯示屏上提示報(bào)警;短路（過流）保護(hù)：當(dāng)調(diào)壓器輸出短路或輸出電流達(dá)到保護(hù)整定值時(shí)，可自動(dòng)切斷輸出，并在顯示屏上提示報(bào)警;零位保護(hù)：必須零起升壓，否則輸出不會(huì)啟動(dòng);掉電保護(hù)：當(dāng)輸入電源突然斷電時(shí)，系統(tǒng)利用電路中剩余電量及時(shí)關(guān)閉輸出信號(hào)，確保系統(tǒng)安全關(guān)閉;輸出電壓限制功能保護(hù)： 控制箱全隔離操作安全保護(hù)：在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，如出線控制箱及光纖故障，柱式調(diào)壓器保護(hù)部分自動(dòng)動(dòng)作，切斷輸出，保證人身、試品安全。

3交流耐壓試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

交流耐壓試驗(yàn)對(duì)絕緣的考驗(yàn)是相當(dāng)嚴(yán)格的，通過這項(xiàng)試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)很多絕緣缺陷，尤其是對(duì)集中性絕緣缺陷的檢查更為有效。其可以鑒定電氣設(shè)備的耐電強(qiáng)度，判斷電氣設(shè)備能否繼續(xù)運(yùn)行。交流耐壓試驗(yàn)是保證電氣設(shè)備絕緣水平，避免發(fā)生絕緣事故的重要手段。

此外，由于分層介質(zhì)在交、直流電壓下的電壓分布是不相同的，交流電壓是按介質(zhì)的電容成反比分布，直流電壓是按介質(zhì)的電阻成正比分布。因此，交流耐壓試驗(yàn)符合設(shè)備絕緣實(shí)際運(yùn)行情況，能更有效地發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。所以說，交流耐壓試驗(yàn)在電氣設(shè)備絕緣的各項(xiàng)試驗(yàn)中，是一項(xiàng)具有決定意義的試驗(yàn)。本裝置可滿足交流電纜的交流耐壓試驗(yàn)以及110kV電氣主設(shè)備的交流耐壓試驗(yàn)。

絕緣現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)是GIS設(shè)備完成裝配過程在投運(yùn)前的最重要的交接試驗(yàn)之一，是檢驗(yàn)GIS設(shè)備內(nèi)部是否有故障隱患，絕緣性能是否良好的重要性試驗(yàn)。GIS耐壓試驗(yàn)時(shí)要考慮由于突然擊穿對(duì)原有部分造成的損壞時(shí)應(yīng)采取的措施，因?yàn)樵贕IS 擴(kuò)建或增容的間隔部分，不管用串聯(lián)諧振的接線方法來進(jìn)行試驗(yàn)還是利用電抗器進(jìn)行并聯(lián)補(bǔ)償?shù)慕泳€方法來試驗(yàn)，都不能保證交流耐壓試驗(yàn)電壓和母線運(yùn)行電壓在幅值上的絕對(duì)一致。在交流耐壓試驗(yàn)中，一般有工頻耐壓試驗(yàn)和變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)。相比而言，變頻串聯(lián)諧振試驗(yàn)采用串聯(lián)諧振的方式獲取試驗(yàn)電壓檢驗(yàn)被試設(shè)備的耐壓能力具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）變頻電源輸入為工頻電壓，通過整流逆變輸出標(biāo)準(zhǔn)正弦波形的非工頻電壓，防止了諧波產(chǎn)生的過電壓的影響。

2）串聯(lián)諧振電路在變頻電源輸出電壓頻率為諧振頻率時(shí)，電路中的能量?jī)H消耗于電路的等效電阻，大大降低了所需電源容量。此外，在試驗(yàn)過程中一旦被試設(shè)備發(fā)生了閃絡(luò)或絕緣擊穿，高電壓瞬間消失，因電源容量不大，斷路后的初始短路電流值不大且迅速下降為零，降低損害。

3）試驗(yàn)原理簡(jiǎn)單，需要的設(shè)備較少，試驗(yàn)接線方便。

本試驗(yàn)裝置工作過程中，首先，400V三相供電電源通過電纜輸入至試驗(yàn)用變頻電源;其次，變頻電源通過交-直-交線性推挽放大電路，將供電電源逆變?yōu)轭l率和幅度均可調(diào)整的交流三相/單相電源，共給升壓用勵(lì)磁變壓器進(jìn)行系統(tǒng)諧振激勵(lì);接著，采用串聯(lián)諧振電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，補(bǔ)償電抗器用于串聯(lián)諧振回路。然后，電容分壓器并聯(lián)與試品的高壓端，用于測(cè)量試品端對(duì)地之間施加的高壓電壓值;最后，供電電纜用于系統(tǒng)電源供給，均壓環(huán)用于高壓電壓均壓及抑制尖端放電。

4 小結(jié)

本文所開發(fā)的一體化試驗(yàn)裝置可分別完成感應(yīng)耐壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)以及主設(shè)備交流耐壓試驗(yàn);試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)擴(kuò)展和現(xiàn)場(chǎng)車載試驗(yàn)功能，無(wú)需采用吊車吊裝，消除了安全隱患;試驗(yàn)裝置采用液壓、機(jī)械化展開和電氣化控制，操作簡(jiǎn)便，有效縮短測(cè)試準(zhǔn)備時(shí)間，試驗(yàn)裝置表面無(wú)裸露接線，所有線路連接均在車載平臺(tái)底部隱蔽布線，更加安全可靠。本試驗(yàn)裝置可以在高海拔等復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行推廣使用。

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