大容量抗感應(yīng)電壓輸電線路絕緣電阻測量裝置設(shè)計與開發(fā)

何良興++于校彬++文莊順

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.14.051

摘 要：該文針對高感應(yīng)電壓以及山區(qū)大霧或覆冰等惡劣條件，常規(guī)絕緣電阻測試儀無法對線路絕緣準確測量的不利情況，設(shè)計了一款大容量抗感應(yīng)電壓輸電線路絕緣電阻測量裝置，通過實驗電路設(shè)計原理分析以及數(shù)學(xué)理論計算，該裝置通過濾波、反饋、控制單元、逆變等模塊的設(shè)計達到高感應(yīng)電壓或大泄漏電流狀態(tài)下輸電線路的絕緣電阻測量。通過實驗測試表明，該文所開發(fā)的裝置測量電阻的精度保證在2級，滿足輸電線路絕緣阻抗的測量精度要求，可應(yīng)用于實際線路的絕緣阻抗測量并帶來可觀的社會經(jīng)濟效益和直接經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：高感應(yīng)電壓 絕緣電阻 絕緣測量 大容量抗感應(yīng)電壓

中圖分類號：TM85 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）05（b）-0051-04

Design of Insulation Resistance Measuring Device for High Capacity Anti-induced Voltage Electric Transmission Line

He Liangxing Yu Xiaobin Wen Zhuangshun

（Guilin Power Supply Bureau，Guangxi Power Grid Co.，Ltd.， Guilin Guangxi， 541002， China）

Abstract：In view of the adverse condition of the high induction voltage and severe weather such as dense fog and ice coating in mountain areas， which make the conventional insulation resistance tester can not accurately measure the line insulation，this paper introduces insulation resistance measurement device for high capacity anti-induced voltage electric transmission line.With the analysis of the experimental circuit design principle ，the calculation of the mathematical theory and the design of filter， feedback， control unit， inverter and other modules，insulation resistance measurement of transmission line under high induced voltage or large leakage current can be realized.Through experimental tests，it shows that the precision of the measuring resistance of the device is guaranteed at the level of 2，which meet the measurement accuracy of insulation impedance of transmission line.It means that this device can be used to measure insulation impedance of actual line and can bring considerable social and direct economic benefits.

Key Words：High induction voltage； Insulation resistance； Insulation measurement； High capacity anti-induced voltage

隨著電網(wǎng)系統(tǒng)快速發(fā)展，輸電線路電壓等級越來越高，輸電距離越來越遠，線路同桿平行架設(shè)、交叉跨越情況越來越多，線路間相的感應(yīng)電壓會越來越高[1]。其中，因受其他運行線路的影響，在處于冷備用狀態(tài)的線路上會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，其值與線路電壓等級、長度以及其他線路的相互架設(shè)結(jié)構(gòu)有關(guān)，影響嚴重者可達數(shù)十千伏。在過高的感應(yīng)電壓下，無法對線路絕緣電阻進行準確測量，此外，在多霧或覆冰環(huán)境條件下，線路直流泄漏電流極大，絕緣電阻明顯降低。在此條件下，額定短路電流僅為5 mA的常規(guī)絕緣電阻測試儀無法對線路絕緣準確測量。國內(nèi)外對高感應(yīng)電壓線路測量絕緣電阻的考慮是限制感應(yīng)電壓大小，目前已研制出用于降低線路感應(yīng)電壓的電容裝置，可將感應(yīng)電壓限制在較低的范圍內(nèi)[2]。而從絕緣測試裝置本身進行技術(shù)研發(fā)來抵抗感應(yīng)電壓的影響未見相關(guān)報道，同時，適應(yīng)線路覆冰條件或大霧條件下的絕緣測量裝置也未見有報道。

綜上所述，感應(yīng)電壓高、山區(qū)大霧或線路覆冰條件下無法對輸電線路的絕緣電阻進行準確測量。對于感應(yīng)電壓高或覆冰的線路，通常是直接試送電或改期，遇大霧天氣時，基本是待天氣好轉(zhuǎn)后再進行測量，絕緣正常后送電，線路不經(jīng)絕緣測量試送電，給電網(wǎng)安全帶來一定的風(fēng)險，延期或等待天氣轉(zhuǎn)好將延遲線路的送電時間。針對當(dāng)前實際情況，計劃研制一套大容量抗感應(yīng)電壓輸電線路絕緣測量裝置，滿足高感應(yīng)電壓或大泄漏電流狀態(tài)下輸電線路的絕緣電阻測量。

1 絕緣測量裝置設(shè)計方法

絕緣測量裝置由濾波、反饋、控制單元、逆變等模塊組成，其額定輸出電壓為直流0～20 kV的連續(xù)可調(diào)電壓，額定電流為500 mA。裝置的工作電源使用三相四線AC380V±10%，頻率設(shè)為50 Hz。原理圖如圖1所示，輸電線輸入直流的低壓整流，然后經(jīng)過逆變單元轉(zhuǎn)為高頻連續(xù)可調(diào)的交流信號，再經(jīng)過倍壓整流單元后轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷餍盘枴Ｍㄟ^高壓電壓測量、信號濾波和反饋調(diào)節(jié)單元可控制輸出電壓的穩(wěn)定度（電壓穩(wěn)定度為隨機波動的，電源電壓變化±10%時波動范圍小于2%）。電壓測量信號和電流測量信號經(jīng)過信號低通濾波器后，可濾除雜波和交流等信號成分，得到有效的直流部分，得出的有用部分再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器送至裝置內(nèi)部的單片機做處理，能算出對應(yīng)的阻抗，最后在裝置液晶顯示屏上顯示出來（液晶顯示的誤差為±1%）。這里，單片機還可以實現(xiàn)高壓通、升壓、降壓、高壓斷以及數(shù)據(jù)處理等諸多功能。

實驗原理電路如圖2所示，在進行現(xiàn)場試驗前需要將刀閘K接地，以使被試品RL（即架空線）接地放電，試驗儀器線路都連接好后，先斷開刀閘K，使用絕緣桿拉開，最后把被試品的接地線斷開。電壓表顯示升到目標電壓后提取有效的直流電壓U和直流電流I，由公式R=U/I得出電阻值，并由此算出阻抗Z，最終以報告形式保存測量結(jié)果[3]。

高感應(yīng)電壓下，測量裝置以及測試人員的安全存在相應(yīng)的隱患，所以為了減少威脅，在過壓過流保護方面，絕緣測量裝置內(nèi)部設(shè)有高、低壓過壓過流裝置，此外，在軟件設(shè)計方面還有軟件過流保護以及軟件過壓保護，零位保護及放電保護并配有特制的限流電阻，能最大限度滿足人員和裝置的保障需求。

2 絕緣測量裝置相關(guān)參數(shù)計算

大容量抗感應(yīng)電壓輸電線路絕緣測量裝置采用被測線路和濾波電容器兩支路電流同時取樣，主要由被測線路電流計算絕緣電阻[4]。

線路正序電容以及零序電容的值如表1所示。

一般情況下被測線路最高感應(yīng)電壓為25 kV，最低絕緣電阻為0.3 MΩ，最高絕緣電阻為10 000 MΩ.測量絕緣電阻時，假設(shè)依次測量三相線路中的一相，則其余二相需短路接地[5]。輸電線路對地電容按長150 km的500 kV線路4*LGJ-630分裂導(dǎo)線計算，每公里數(shù)電容量取0.0146。

考慮正常換位情況，則被測線路總電容為CL=2C1+ C0=5.55μF，首端線路CVT對地電容量為0.005 μF，線路感應(yīng)電壓按20 kV計算，若其降至2.5 kV，則需并聯(lián)電容為12.15 μF，總負載電容為C=5.55+0.05+12.15=17.75 μF，此即為被測線路最大電容量。測量裝置的輸出電壓為15 kV，輸出電流為500 mA，對應(yīng)的絕緣電阻為30 kΩ，已足夠低。

測量裝置內(nèi)部采用單相全波整流，為了減小紋波，采用變頻調(diào)壓，全壓充電的方式進行測量。整流變壓器輸入電壓為400 V，則輸出電壓為12 000 V，因變壓器一般需預(yù)留容量，故設(shè)計為15 kVA，整個裝置的輸出容量為10 kW。整流硅堆反峰電壓為50 kV，電流是1A。充電電阻為15/1=15 kΩ，充電回路時間常數(shù)τ1=15×103×12.15×10-6=0.182 5 s，被測線路時間常數(shù)τ2取1 s，則串聯(lián)電阻為180 kΩ。

3 絕緣測量裝置設(shè)計與開發(fā)

實驗裝置實物圖如圖3、圖4所示。絕緣電阻測量裝置在升壓操作上設(shè)有手動和自動兩種模式。在手動模式下工作人員可根據(jù)試驗需求手動調(diào)節(jié)調(diào)壓旋鈕使試驗電壓達到所要的目標；自動模式下可根據(jù)升壓的需求調(diào)節(jié)設(shè)置旋鈕設(shè)置目標電壓和耐壓時間，高壓通燈開始變亮后裝置即開始自動升壓，當(dāng)電壓升到設(shè)置的目標后裝置自動進入倒計時，時間結(jié)束裝置則開始自動降壓，電壓回零后顯示出試驗結(jié)果。

儀器裝置在使用時需注意間斷使用，滿負載情況下一次連續(xù)工作的時間不得超過10 min，以使讀數(shù)具有重復(fù)性和可比性，這樣就可以保證測量出的絕緣電阻值的基本穩(wěn)定[6]。此外，還需注意的是，環(huán)境溫度對絕緣電阻的影響很大，溫度一旦升高，絕緣電導(dǎo)將會增大從而使絕緣電阻值降低，所以測量時必須對溫度進行修正，要求測量環(huán)境溫度保持在-10 ℃～40 ℃之間。除溫度之外，空氣濕度對絕緣電阻的測量也有一定影響，空氣的相對濕度增大，絕緣物容易受潮，進而使絕緣電阻降低，影響測量值得精確度，所以，要求在25 ℃無凝露的情況下相對濕度不得大于85%[7]。當(dāng)然，在測量絕緣電阻時還不能忽略殘余電荷因素、吸收比和極化指數(shù)的測量[8]。

4 絕緣測量裝置測試及應(yīng)用

現(xiàn)采用電阻值來模擬線路的絕緣阻抗以驗證該裝置的測量精度，試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

通過上述模擬測量可知，在試驗電壓20 kV和10 kV兩種條件下，絕緣電阻的測量值和電阻真值的測量誤差最小為0.37%，最大不超過1.49%，故該裝置測量電阻的精度保證在2級，滿足輸電線路絕緣阻抗的測量精度要求，可應(yīng)用于實際線路的絕緣阻抗測量。

5 結(jié)語

該文開發(fā)了一款能夠在高感應(yīng)電壓或大泄露電流狀態(tài)下工作的大容量抗感應(yīng)電壓輸電線路絕緣測量裝置，改變了以往降低線路感應(yīng)電壓測量的方法。絕緣測量裝置取樣過程采用被測線路和濾波電容器兩支路電流同時取樣，主要由被測線路電流計算絕緣電阻，其內(nèi)部采用單相全波整流電路，變頻調(diào)壓，全壓充電，減小了紋波。通過試驗表明該裝置測量電阻的精度保證在2級，可應(yīng)用于實際線路的絕緣阻抗測量并帶來可觀的社會經(jīng)濟效益和直接經(jīng)濟效益。

此外，裝置在實際使用中如何最大程度避免周圍設(shè)備的干擾，惡劣天氣的安全措施等，由人工半自動測量轉(zhuǎn)向智能全自動測量階段，這些方面還有待于進一步研究。

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