便攜式多功能倍頻感應耐壓裝置的研制

夏強峰，屠曄煒，吳偉江，沈紅峰，張路佳

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

便攜式多功能倍頻感應耐壓裝置的研制

夏強峰，屠曄煒，吳偉江，沈紅峰，張路佳

（國網浙江省電力公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

介紹了GIS電磁電壓互感器交接絕緣試驗現狀和相關要求，并以工程現場試驗工作需求為出發點，基于電力變頻技術設計研制了一套便攜式多功能倍頻感應耐壓裝置，代替傳統三倍頻電壓發生器和空載勵磁電流測量裝置，同時實現了對電磁式電壓互感器感應耐壓試驗和空載電流測量功能。新裝置有效保障了現場試驗的安全性和準確性，縮短了現場試驗時間和減少了試驗人力投入，提高了工作效率。

感應耐壓；交流變頻；勵磁特性

0 引言

隨著電網建設的快速發展，220 kV及以下GIS（氣體絕緣封閉式組合電器）的安裝、運維工作日趨增多[1]。為了發現220 kV及以下GIS設備中電磁式電壓互感器的某些絕緣缺陷，需對其進行感應耐壓試驗。多年以來，在電力設備安裝階段，在GIS電磁式電壓互感器的交接試驗中一直采用空載勵磁電流測量代替感應耐壓試驗，并沒有嚴格按相關標準進行試驗，從而造成對GIS電磁式電壓互感器的絕緣考核存在一定盲區。

目前對變壓器進行帶長時感應耐壓局部放電試驗所用的并聯諧振補償試驗設備體積龐大，不適合GIS磁式電壓互感器的感應耐壓試驗。另外，現有的感應耐壓裝置也無法進行空載勵磁電流測量，即做完感應耐壓試驗后，還需采用另外一套獨立設備進行空載電流測試試驗，從而造成試驗時間和人力的浪費，帶來極大的安全和管理風險。

基于成熟的電力變頻技術設計了一套便攜式多功能倍頻感應耐壓試驗裝置，能同時實現220 kV及以下GIS設備中電磁式電壓互感器的感應耐壓和勵磁特性試驗。將新電力技術應用到高壓試驗設備中，克服傳統高壓試驗設備的缺點，提高實際工作效率和質量，具有一定工程實用價值。

1 GIS電磁式電壓互感器安裝及試驗現狀

GIS是指用金屬外殼將導體連同絕緣封閉起來的組合體。GIS電磁式電壓互感器是指采用電磁感應原理用于測量金屬封閉母線運行電壓值的設備，即將母線高電壓換成標準低電壓，供測量儀表和保護裝置使用，其設備絕緣質量好壞必將嚴重威脅到整套GIS設備的安全穩定運行。

GIS電磁式電壓互感器安裝完畢后，需進行多項試驗，進而對設備是否具備投產送電條件進行評估。感應耐壓試驗和空載電流測量是檢驗該類設備是否具有絕緣結構或安裝缺陷的重要手段，不僅可以檢查其主絕緣，更重要的是可以檢查其縱絕緣，其中任一項試驗不合格的設備即不允許投產。

根據近年來嘉興地區基建工程新投產過程中GIS電磁式電壓互感器消缺統計（如圖1所示），可見GIS電磁式電壓互感器出現缺陷概率時有發生。

圖1 GIS電磁式電壓互感器近幾年消缺故障統計

從消缺的情況來看，GIS電磁式電壓互感器存在絕緣缺陷有一定概率，一旦出現該類缺陷，后果將非常嚴重，甚至造成互感器設備直接炸裂，導致整套GIS設備停電，產生巨額經濟損失。因此，隨著GIS設備被廣泛應用，對GIS電磁式電壓互感器的絕緣質量檢驗勢必將日趨嚴謹。

目前GIS電磁式電壓互感器設備絕緣考核試驗主要有3類：感應耐壓試驗、空載電流測量試驗、老練試驗。在工程現場試驗過程中常用空載電流測量試驗來代替感應耐壓試驗，從而對其絕緣質量沒有真正考核，存在一定的絕緣試驗盲區；對于老練試驗，一般只升壓至額定電壓，主要是檢查其變比等各項功能是否正常，無法對其絕緣質量進行檢查，若在正常送電過程中，由于開關的操作而產生較高的過電壓，導致其絕緣遭受破壞可能性非常大，甚至會影響整套GIS設備的正常投產。因此GIS電磁式電壓互感器的絕緣考核試驗不夠完善，無法真正全面檢查該類設備的絕緣質量。

2 感應耐壓和空載試驗及其標準

2.1 感應耐壓試驗及標準

為防止鐵芯飽和及勵磁電流過大，電磁式電壓互感器感應耐壓試驗通常采用倍頻感應耐壓試驗，即：將頻率100～300 Hz的勵磁電壓施加在電壓互感器的二次繞組上，通過電磁感應使一次繞組的首端電壓達到所需的試驗電壓。試驗電壓為出廠試驗電壓的80%。全電壓下的試驗時間為：120×（額定頻率/試驗頻率）s，但不得少于15 s。感應耐壓試驗前后，應各進行1次額定電壓時的空載電流測量，2次測得值不應有明顯差別[2]。

感應耐壓試驗不僅可以檢查被試品的主絕緣，即繞組對地、相間和不同電壓等級繞組間的絕緣，而且也可考驗對電壓互感器的縱絕緣，即同一繞組層間、匝間及段間絕緣，對電壓互感器的安全運行起到預防作用，保證電力系統的安全運行。

2.2 空載試驗及標準

空載試驗即勵磁特性試驗是將頻率為50 Hz的測量加在電壓互感器低壓側繞組上，進行相應穩態電流的測量。一般測量電壓為低壓繞組額定電壓的20%，50%，80%，100%和120%；對于中性點直接接地的電壓互感器（N端接地），電壓等級35 kV及以下的電壓互感器最高測量電壓為190%；電壓等級66 kV及以上的電壓互感器最高測量電壓為150%，在上述情況下鐵芯不飽和則產品合格。同時，對于額定電壓測量點（100%），勵磁電流不宜大于其出廠試驗報告和型式試驗報告測量值的30%，同批次、同型號、同規格電壓互感器，該點的勵磁電流不宜相差30%[3]。

感應耐壓試驗前后的空載電流試驗數據對比，可有效檢測出電壓互感器繞組是否存在匝間短路、過熱、閃絡、振動等不良現象，使缺陷提前暴露，避免帶缺陷設備投產運行[4]。對GIS設備中的電磁式電壓互感器而言，感應耐壓應是檢查其絕緣性能必不可少的試驗手段。

3 便攜式多功能感應耐壓裝置

為滿足GIS電磁式電壓互感器的有關試驗標準與要求，根據工程現場試驗特點[5]，設計并制作了一套便攜式多功能倍頻感應耐壓裝置，其輸出電壓分為240 V與400 V 2檔且任意可調。裝置容量根據相關過往試驗經驗估算出來，以某變電站220 kV母線壓變為例：其二次繞組施加120%額定電壓即69.24 V下的測試勵磁電流為18 A左右，估算容量為1.58 kVA；考慮其進行感應耐壓試驗時所需試驗容量更大，以GIS電磁式電壓互感器估算電容量約為50 pF，故在最高感應耐壓值作用下輸出容量約為6.38 kVA。由于該估算未考慮電感補償，加上考慮現場使用的便攜性，最終設計輸出容量為6 kVA。輸出頻率調節范圍為40～300 Hz，輸入電壓為單相220 V，輸出電壓分辨率為0.1 V，可用于220 kV以下GIS設備中電磁式電壓互感器的感應耐壓和空載電流測量試驗。

3.1 裝置設計原理

裝置原理如圖2所示。裝置采用一體化結構，內置變頻電源、隔離變壓器和測量控制電路。變頻電源采用SPWM（正弦脈寬調制）原理實現輸出電壓頻率可調的正弦波；由于隔離變壓器為阻感性負載，負載本身可起到濾波作用，使得變頻電源輸出的電壓為標準正弦波；測量電路負責檢測低壓輸出電壓電流，測量標準電容上的輸出高壓；控制電路負責操作接口和機內通信中轉、協調控制。裝置接通電源后，若輸入電源正常，變頻電源會通電并處于待機狀態；啟動測量后，測量電路將實時測量數據送到變頻電源，變頻電源將這些數據與設定值比較，調整輸出，當某一個輸出量達到設定值時，將不再升壓。變頻電源實時檢測電源工作狀態，出現異常便切斷輸出，并發送故障信息到顯示器。采用這樣的設計原理可大大減小裝置體積與重量，便于工程現場進行，保證試驗高效、可靠、安全。

圖2 裝置原理

3.2 裝置設計實現

接地接線柱用于裝置可靠接地，裝置電源插座采用220 V單相電源輸入，電源插座的接地端與外殼和接地接線柱連接。液晶顯示器顯示菜單、測量結果或出錯信息；打印機可以打印勵磁數據和曲線；RS232接口位于打印機左側，面板下方，可用通信線連接PC機或筆記本電腦，也可通過藍牙連接相應存儲設備，具體如圖3所示。

圖3 裝置操作面板

裝置輸出經過內部變壓器隔離的低壓輸出，有240 V/25 A和400 V/15 A 2個檔位，如圖4所示。輸出插孔對機箱接有4 kV放電管進行保護。感應耐壓試驗時，有條件時設計考慮可接標準電容進行監視高壓，以防止“容升”，若無法接標準電容，則可考慮35 kV電壓互感器按3%，66 kV按4%，110 kV按5%，220 kV按8%的數量減小輸入二次側繞組低壓電壓值。

圖4 裝置輸出面板

3.3 裝置保護設計

設計的裝置具有較高的安全性，保證現場試驗安全。裝置啟動后會顯示內部隔離變壓器溫度，超過105℃將自動停機。同時裝置設置了5道安全防線：誤接380 V、電源波動或突然斷電啟動低壓保護；儀器接地不良使外殼帶危險電壓時啟動接地保護；出現過壓過流，或內部溫度過高時啟動內部保護；測試過程中，電流出現異常變化時啟動電流保護；電壓、電流實時顯示，聲光報警，菜單簡潔，多次按鍵確認，防止誤操作。

4 現場試驗調試應用

已在多個變電站內成功使用新裝置進行電壓互感器感應耐壓和空載試驗。裝置研制完成后，新安裝110 kV GIS電磁式電壓互感器均進行了完整感應耐壓試驗。對于感應耐壓試驗，將裝置輸出頻率設置成150 Hz穩定輸出，并設置相應高壓持續時間，即可讓裝置自動完成試驗。2015—2016年，新安裝GIS電磁式電壓互感器感應耐壓試驗統計如表1所示，多次現場使用效果良好，設備試驗容量和持續工作時間滿足技術要求，試驗效率、安全性評價都很高。

表1 2015—2016年新安裝110 kV GIS電磁式電壓互感器感應耐壓試驗統計

以嘉興地區某新建工程110 kV GIS設備的電磁式母線電壓互感器試驗為例，對該裝置勵磁電流測試采用新舊裝置進行對比試驗，空載試驗舊裝置為湖州愛迪伏安特性儀。被試設備型號如表2所示，空載勵磁電流測量試驗對比如表3、表4所示。

表2 被試設備型號

裝置進行空載勵磁電流測量試驗，將電壓輸出頻率設置成50 Hz，并設置相應測試點的電壓值，裝置即可自動完成測試。由表3和表4數據可以看出：新裝置能夠準確實現電磁式電壓互感器的空載勵磁電流測量試驗。

表3 某電磁式電壓互感器空載試驗結果（新裝置）mA

表4 某電磁式電壓互感器空載試驗結果（舊裝置）mA

現場空載勵磁電流試驗過程中，根據被試設備出廠報告中出廠試驗數據選擇勵磁線圈，與出廠數據給出的加壓勵磁線圈一致，一般選擇每相第1個二次繞組進行加壓測量試驗，以便于測試數據與出廠數據進行比對檢驗。在進行勵磁電流測試時，每個勵磁電流測試點或升壓過程中勵磁電流突然急劇增加或減小1.5 A，則會出現“輸出電流波動”保護，停止輸出自動降壓，從而保護被試設備不出現過流或過壓。

多次現場應用對比發現，采用傳統的倍頻發生器進行GIS電磁式電壓互感器現場感應耐壓試驗的工作平均時間約為40 min，時間大部分消耗在儀器搬運和連接三相電源上，且不具有勵磁電流測量試驗功能。而應用該新裝置進行現場感應耐壓試驗的工作平均時間僅為10 min，且可同時完成空載勵磁電流測量試驗，便于加壓前后勵磁電流數據及時比對，試驗裝置輕便，使用220 V單相電源便于工程現場靈活應用。在試驗過程中，有條件時可通過接入外接標準電容實時監控被試設備感應電壓值，防止被試設備由于容升過壓而損壞絕緣；而針對封閉的GIS電磁式電壓互感器感應試驗，加壓過程中實時監控輸入電流變化，一旦電流異常波動即可停止加壓斷電，從而保障感應耐壓過程中被試電壓互感器不會因過壓導致絕緣缺陷。可見基于電力變頻技術的感應耐壓試驗裝置為現場工作帶來便利，在一定程度上保證現場試驗工作的安全性，并減少試驗的時間和人力投入，降低電磁式電壓互感器絕緣存在缺陷的風險，有利于避免電磁式電壓互感器絕緣故障導致停電，可推廣至變電站35 kV及以下電磁式電壓互感器的絕緣考核以及其他電磁式電壓互感器的感應耐壓及空載電流測量試驗。

5 結論與建議

便攜式多功能倍頻感應耐壓裝置可應用于220 kV及以下GIS或AIS設備電磁式電壓互感器的感應耐壓試驗和空載勵磁電流測量試驗，完善電磁式電壓互感器的絕緣試驗，能有效發現其潛在的絕緣缺陷，有效保障電壓互感器的安全、穩定運行。

利用該裝置進行感應耐壓試驗時，可實時監控感應電壓數值，并引入輸出電流異常波動保護，全面保障被試設備的安全，形成5道試驗安全防線，有效保障設備和人員的安全性。

該裝置便于工程現場靈活應用，可縮短電磁式電壓互感器感應耐壓的試驗時間，減少人力投入，使試驗效率更加高效。

[1]雷曉明，禹波，龍巖.淺談電力GIS設備的安裝技術與調試方法[J].通信電源技術，2012，29（6）∶101-103.

[2]GB 50150-2006電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[3]Q/GDW-11-125-2008浙江電網電氣設備交接試驗規程[S].2008.

[4]鄭運洪，李德家.交流感應耐壓試驗分析[J].施工技術，2011，40（6）∶430-432.

[5]劉鐵城，彭珣，等.電磁式電壓互感器感應耐壓試驗方法的優化[J].華北電力技術，2013（8）∶12-14.

（本文編輯：徐 晗）

Development of a Portable Multi-purposed Inductive Withstand Voltage Device for Double Frequency

XIA Qiangfeng，TU Yanwei，WU Weijiang，SHEN Hongfeng，ZHANG Lujia
（State Grid Jiaxing Power Supply Company，Jiaxing Zhejiang 314033，China）

The status and requirements of insulation acceptance test for the electromagnetic voltage transformer of GIS are introduced firstly.according to the requirement of the field test work，a portable multi-purposed inductive withstand voltage device for double frequency is developed based on power frequency-variable technology to replace the traditional frequency tripled voltage generator and no-load excitation current measurement unit and in the meantime implement the inductive withstand voltage and no-load current measurement test for the electromagnetic voltage transformer.The safety and accuracy of the field test are effectively guaranteed，the time and labor of the field test are reduced,and the work efficiency is improved.

inductive withstand voltage；AC frequency conversion；excitation characteristic

TM451

B

1007-1881（2016）11-0018-05

2016-07-27

夏強峰（1984），男，工程師，從事高壓試驗和電網金屬監督工作。