赵丽惠,姜 幸,钱 伟,张 勇
(云南电网有限责任公司曲靖麒麟供电局,云南 曲靖 655000)
引言
进入二十一世纪,城市建设不断发展,架空线路逐渐被电缆所替代,城区的电缆化率不断地提高。交联聚乙烯电缆由于自身具有敷设简单、运行维护较为容易、线芯的允许温度高、介质的损耗小等电气优点,目前已经在我国各地10～220kV 的电压等级都得到了广泛的应用[1]。然而,交联聚乙烯电缆的长时间使用,会受到周围各种环境因素的影响,例如发热、化学、湿气等的影响。由于这些因素的综合作用,使得交联聚乙烯电缆绝缘介质发生物理以及化学变化,导致电缆的绝缘性能降低,造成电缆击穿等影响,严重时会造成停电情况增加,影响经济的发展[2,3]。为了保证电缆的使用稳定,以及对电缆做出正确的寿命预测已经成为了及时了解电缆的运况和稳定工作的重要环节[4],用合适的方法进行交联聚乙烯电缆的试验是对传统的电缆试验方法的挑战。
由上可知,对交联聚乙烯电缆定时进行检测是检查电力电缆绝缘状况的一个主要试验项目。首先,直流耐压试验方法就已不适用于这类电缆[5,6]。用直流耐压试验,会由于产生的不易中和的空间电荷而引起电场的畸变,从而导致之后施加运行电压时电缆被击穿,或者造成严重的绝缘损伤。其次,如若采用频率为50Hz 的工频电压进行耐压试验时,为了有效处理交联聚乙烯电缆绝缘层处的大电容,不仅需要采用费用高、体积大的试验变压器或谐振变压器,更重要的是在使用的时候,也会带来诸多的不便[7]。为了解决这个问题,一种新型的检测方式——0.1Hz 超低频试验技术被提出[8,9]。采用这种方法,不仅能准确的对电缆做出正确的寿命预测,而且0.1Hz 超低频电压试验还有试验电源容量小、设备轻等特点,在该领域已经得到了广泛的应用[10]。
1 0.1Hz-30kV 超低频高压发生器的整体情况
在设计本仪器的过程当中,严格按照武汉高压研究所所发布的行业设计标准进行设计,并且在此基础上,结合了先进的现代数字变频技术,在设计的过程中,将自动化贯穿于整个设计之中。为了实现升降压的测量和保护自动化的目的,在设计中采用了微机控制技术,并且在需要人工干预的地方也设置了相应的措施。设施的全电子化使得仪器重量轻体积小,结果的输出也比较直观。设计出的仪器的技术指标完全符合电力行业标准,在各种电力场合下均适用,实物如图1 所示。
由于现在国内的超低频高压发生器大多采用机械式的方法进行调制,所以会使得测量波形存在较大的测量误差,波形也与实际有所差异。在电压较高的场合,设备会显得比较笨重且有火花放电等现象,而且在放电整形时,还需要大功率高压电阻的作用,所以也会使得设备的功耗大大增加,本产品采用先进的技术,上述不足均可克服,因此可以在电缆、电力电容器以及大型高压旋转电机等场合广泛应用。
2 超低频高压发生器的基本原理
上世纪70 年代,作为世界上首个致力于研究低频电缆检测方法的公司,美国高电压公司所设计的电缆检测设备不仅设备轻,而且成本也低于别的检测设备,最重要的是它可以产生真正的高压正弦波。经过多年的实践使用证明,固体绝缘电缆的击穿电压在超低频高压以及在交流工频下的电压值是相当的[8]。此外该项设计还可扩展到频率更低的情况中使用,且它的测量效果是非常显着的。
该设计所采用的基本设计思路是非常简单的,用超低频率、低充电电流和相对长的时间间隔将样品充电到高电压,是一种类似于产生像正弦波那样的超低频波形的方法。在该设计当中,超低频的波形是极其关键的,特别适合的波形是正弦波,因为它在使用过程当中不会产生高频谐波,由图2,从结构图中,可以直观的观察该设计的基本原理。系统的输入从电压为120V、频率为60Hz或者220V,频率为50Hz 的电源获得,输出的电压由可以自动调节的变压器来进行控制,在图2 中,用T1 来表示这一过程。T2 的频率比输出频率大一倍,输出以正弦波的形式周期性的增加或减少,通过这一过程,便可以产生一个60Hz(或50Hz)电压。通过升压变压器,电压的等级逐步提高,在图2 中,T3 可以用来表示这一过程。之后,再通过整流器整流。最终,再经过一个极性开关,每半个周期颠倒一次电压极性。需要一提的是,本世纪并不需要滤波装置,输出电缆将充当这一角色,以使波形谐波较小,到达可以接受的范围。经过上述的过程,便可以最终产生一个高压超低频正弦波[11]。
图2 VLF 系统原理图
3 超低频高压发生器的关键技术
(1)通过高压的采样,可以直接获得所需的电流电压值的大小,所以测量得到的数据真实可靠。(2)过压保护：当所输出的电压值低于认为设定的限幅值的时候,该仪器就会自动停机,进行自我保护,该过程的反应时间不超过20ms。(3)过流保护：本设计采用了高压与低压都可以进行保护的双重保护。在低压侧,当设备中流过的电流值大于额定电流时,设备自行停机保护；在高压侧,则是设备根据所设定的设定值来精确停机保护。以上的动作时间均不超过20ms。(4)在升压体的内侧装有保护电阻,可以防止输出过高压。因此,不需要外接保护电阻。(5)为了避免输出时会产生的无容升效应,本设计独特性的采用了高低压闭环负反馈控制。
4 主要技术参数
额定电压：30kV(峰值)
带载能力：频率为 0.1Hz 时,≤1.1μF
频率为 0.05Hz 时,≤2.2μF
频率为 0.02Hz 时,≤5.5μF
频率为 0.01Hz 时,≤11.0μF
电源保险管：10A
电压波形失真度：≤5%
重量：控制器6kg,升压体39kg
使用条件：户内、户外；温度：-10℃～+40℃；湿度：≤85%RH
测量精度：±(3%满量程+0.5kV)
5 仪器结构
5.1 控制器面板示意图
根据图3 所示的控制器面板,一一进行功能说明：(1)“地”：接地,相当于接地端。(2)“控制输出”：输出多芯插座,使用时与升压体的输入多芯插座相连。(3)“对比度”：调节液晶显示器。(4)“功能键”：其功能由显示屏提示栏的相应位置提示。(5)“AC220V”：电源输入,内部有安全保护装置。(6)“开关”：电源开关。(7)“打印机”：在得到试验结果后,用来打印报告。(8)“液晶显示器”：显示数据。
图3 控制器面板
5.2 升压器结构示意图
升压器的结构如图4 所示。
图4 升压器结构
6 超低频高压发生器在实际工程中的应用
6.1 电缆的超低频耐压试验方法
在开始试验之前,将被测试品电缆脱离所有电器设备,对所测试品的每一相进行绝缘电阻的测量,这一过程可用10kV 的兆欧表完成,并且记录相应的数值。试验所采取的电压的峰值应该取试品额定工作的电压的3 倍,试验的时间一般设定为3 分钟。也可以对试品的每一相进行分相测试。若想进行并联耐压的试验,需要保证试品电缆的电容值在实验设备负载容量的范围内。
按照图5 所示的方法将试品电缆与试验设备相连接。给设备通电,设置好相应的频率值、时间以及电压等级和过流、过压保护数值,确保无误后,便可开始试验。在升压的过程当中,对高压回路应当时刻进行监听关注,是否有异响声发出是最值得注意的一个变化。当电压等级达到所设定电压等级时,开始进行试验数据的记录,试验数据应包括试验的时间和试验电压值。在试验设定的时间到后,若电缆保持正常状态,无破坏性放电,电缆即可通过试验。相反,若有异况发生,如电流异常增大,电压不稳定,试品电缆产生异味以及烟雾等,应当立即停止试验,关掉设备并查明原因。经检查后,如果这些现象是由试品电缆绝缘薄弱所引起的,则认为该试验样品不合格,不能通过绝缘耐压试验。若经查明是由于环境问题以及电缆表面有脏污所引起的,应当将试品电缆进行清洁并经过干燥之后,再次进行绝缘耐压试验。在实验的过程当中,有时也会出现非试品电缆绝缘缺陷从而使得仪器出现过流保护,这时应当停机查明原因并且排除,在确保不存在上述问题后,重新设置试验时间,不得仅仅进行“补足时间”试验。
6.2 大型高压发电机的超低频耐压试验方法
进行该项试验时,与上述的对电缆的操作方式类似,下文不再过多赘述,仅在要进行不同操作的地方进行说明。
图5 单相测量连线图
该项试验一般在发电机进行交接、大修等情景下进行,并且经过多次的试验可以证明,在采用0.1Hz 超低频电压时,比在工频电压下更容易发现电机端部绝缘的问题。其原因是由于在采用超低频电压之后,会使从线棒流出的电容电流大大减小,使得在防晕层上的压降与在工频电压情况下相比大大减小,从而使得端部绝缘上的电压较高,便于发现缺陷。在进行试验时,应同测试电缆一样,采用分相测试的方法,被试相加压,非被试相短接接地,采用的连线方法如图6 所示。试验时间的确定,应参照有关规程。在耐压的过程中,无异样发生,即认为绝缘耐受住了试验的考验。
图6 测量定子的某相连线图
6.3 电力电容器的超低频耐压试验方法
进行该项试验时,需要进行的操作与上述两种试验方法大体相似,试验设备与试验电缆的连接方式如图7所示。试验电压以及时间的设定,需要严格按照有关的规程来进行设定。
图7 测量电容器的连线图
6.4 工程使用时注意事项
(1)本仪器只可用来做超低频高压测试实验,不得作其他用途。
(2)本装置内带电,若仪器设备无法正常使用,为了避免由于不熟悉设备而发生意外,切忌自行修理,应与我公司联系,派专业人士进行修理。
(3)关机后应对仪器进行充分放电,待放电充分时,再进行拆线操作。
(4)在开机前也应对仪器进行充分放电,待确保安全后,再开机。
(5)在每次升压前,都应对试品进行充分放电,再进行实验。
7 结束语
根据交联聚乙烯超低频耐压测试的需要,我公司严格按照行业标准,设计出了如本文所陈述的0.1Hz-30kV超低频高压发生器,它不仅结合了先进的现代数字变频技术,更实现了仪器的自动化控制。此外,本产品还具有重量轻,使用方便等优点,广泛应用于多种超低频耐压试验场合。它的研制成功,大大提高了行业超低频耐压测试的技术水平,具有广阔的市场应用前景。
