電壓-電流雙施加試驗系統的研究與應用

馮躍

（云南電網有限責任公司文山供電局，云南文山663000）

電力系統中高壓電氣設備的絕緣水平，是直接影響電網是否能夠安全穩定運行的重要因素。通常情況下，電氣設備在運行過程中會受到電壓和電流的相互作用而引起絕緣的下降。例如，電氣設備的局部放電[1]、電暈放電[2]、電流的熱效應等[3-4]。所以，對電氣設備的絕緣狀況進行評估具有重要意義。

目前，對于電氣設備的絕緣水平檢測和通流檢測一般是分開進行的[5-6]。但在試驗研究工作中發現，短時、顯性缺陷的模擬試驗與現場實際存在一定的出入。絕緣類的缺陷均有一定的發展過程，短時間的過高電壓施加與較低電壓下的長時間作用有一定的差異[7-8]；對于SF6氣體等的分解產物研究，其需要的時間周期以天、周或者月計；因大電流而導致的“熱效應”對絕緣材料的影響與高電壓作用下的“電效應”影響有一定的關聯性，全面、深層次的絕緣缺陷診斷研究工作在此兩方面不可偏廢[9-10]。

同樣由于設計及絕緣缺陷原因，近來南方電網公司范圍內的500 kV-SF6電流互感器的爆炸事故頻發[11-12]。而有關各電壓等級隔離開關接觸不良熱缺陷、變電及配電用電力電纜運行事故等更是高發不下，嚴重影響了系統的穩定運行。

綜合上述提到的有關GIS、電流互感器、隔離開關、電力電纜等事故缺陷總是與電壓致絕緣缺陷、電流致熱缺陷有關[13-14]。串入電力系統主回路的電氣設備，如開關、導線、電流互感器、電纜等在運行中會承受電壓、電流的雙重作用[15-16]。電流的致熱效應、電壓對絕緣材料的電破壞以及電壓與電流導致的振動等因素，均會從各方面促使電氣設備的運行性能老化，影響系統的安全、穩定[17]。

針對電氣設備的運行特點以及試驗研究的特點，文中考慮了電壓、電流雙重作用下對于設備絕緣性能的影響。通過將大電流產生方式與電壓施加方式組合，設計了一種電壓-電流雙施加試驗系統。高壓試驗設備能實現輕負載被試電氣設備的電壓、電流施加，從而實現對電氣設備絕緣水平的準確檢測。

1 系統設計原理

文中開發電壓、電流雙施加電源系統，主要基于穿墻套管或電纜插入升流器感應線圈腔體，實現短路金屬導體電流的順利感應，以及短路導體施加的電壓通過套管與處于地電位的升流器隔離，進而達到電壓、電流雙施加的目的；電源系統具備通流（kA級）和電壓（50 kV級以上）疊加，且擁有連續運行不小于24小時的工作能力；控制、測量及保護一體化；并結合GIS、電纜或導線進行電源系統的試應用。

同時考慮到《GBT 16927.2-2013高電壓技術—測量系統》中對于高壓測量設備在使用之前應進行系統的校驗。其中，性能試驗和性能校驗是為了證明測量系統可對擬測量的試驗電壓和電流進行測量，且應滿足標準規定的不確定度的要求，而且該測量可溯源到相應的國家或國際測量基準，只有在其性能記錄中包含系統布置和工作條件的情況下，測量系統才能被認可。

針對上述測試需求，電壓-電流雙施加試驗系統應滿足如下技術性能指標：1）70 kV對地電壓，負載≤15 mA；2）3.15 kA回路通流，阻抗≤13 mΩ；3）系統 70 kV/3.15 kA雙施加作用時間≥8 h；4）0～130°溫度監控（無線測溫）；5）電壓電流選擇電纜或套管隔離方式，一次系統空間尺寸3 m（長）0.8 m（寬）1.5 m（高）。

2 設計方案

2.1 一次裝置布設方案

1）電流源的電壓隔離方式

要實現電壓、電流雙施加，其核心在于對電流源的電壓隔離。由于本基于感應升流方式，電壓隔離裝置與升流器感應孔的配合又是關鍵因素。

①電纜段試驗平臺。如圖1所示為電纜段隔離方案。圖中采用一段電纜加電纜終端的方式構成一全絕緣電纜段，將電纜段穿入升流器感應孔，電纜段兩端用支柱絕緣子支撐。調節調壓器可以給電纜段升壓，同時升流器中可感應產生大電流，達到電壓-電流雙施加的效果。

圖1 電纜段試驗平臺

②高壓套管試驗平臺。套管隔離系統，如圖2所示。該系統采用穿墻套管穿入升流器感應孔，支架將套管連同升流器支撐，套管兩端懸空。調節調壓器可以給高壓套管加壓，同時升流器可產生電流，達到電壓-電流雙施加的目的。

圖2 套管隔離試驗平臺

③雙出線GIS段試驗平臺（如圖3所示）。GIS試驗段采用GIS母線段加雙出線套管方式構成一全絕緣GIS段，升流器在GIS段組裝前預先固定好，GIS母線段穿入升流器感應孔，在完成套管的安裝。兩出線端子靠套管挑高，調節調壓器可以給GIS段加壓，同時升流器可產生電流，達到電壓-電流雙施加的目的。

圖3 雙出線GIS段試驗平臺

2）電壓源

由于要開展閉合金屬回路的對地局放監測，要求電壓源應無暈[18]；同時考慮到電流的溫升試驗一般會持續數小時，配套電壓源要求具備長期運行能力。本文設計的電壓-電流雙施加系統采用了無暈電壓源，電源連接調壓器，調壓器和升壓變壓器相連，升壓變壓器支柱絕緣子端采用較大半徑的均壓環防止起暈。升壓變壓器和電容分壓器以及試驗品連接示意圖，如圖4所示。

圖4 無暈電壓源

2.2 測控保護的布設方案

1）單獨的電壓源測控保護預設方案。電壓源的測量參數包含了電源電壓、變壓器輸入電壓、變壓器輸入電流、變壓器輸出電壓、變壓器輸出電流。其中，以變壓器的輸入電流、變壓器的輸出電壓作為保護參數[19]。在電源與調壓器輸入之間設置一組交流接觸器；在調壓器輸出與升流器輸入之間設置一組交流接觸器；共兩組交流接觸器控制回路的通斷。調壓器采用電機電動調壓，電機供電需經隔離變。

電源電壓的測量采用電壓表，量程在0～400 V；變壓器的輸入電壓測量采用電壓表，量程在0～450 V；變壓器的輸入電流采用CT測量，量程在0～800 A，0.2 S/10 VA，可設置以每10 A檔為階梯的過流保護定值；變壓器的輸出電壓采用電容分壓器，量程在0～150 kV，可設置以5 kV檔為階梯的過壓保護定值，并具備暫態過電壓信號提取及跳閘保護功能；變壓器的輸出電流采用分流器，量程在0～1.5 A。

2）單獨的電流源測控保護預設方案。電流源的測量參數包含了電源電壓、升流器輸入電壓、升流器輸入電流、升流器輸出電流以升流器的輸入、輸出電流作為保護參數。在電源與調壓器輸入之間設置一組交流接觸器；在調壓器輸出與升流器輸入之間設置一組交流接觸器；共兩組交流接觸器控制回路的通斷。調壓器采用電機電動調壓，電機供電需經隔離變。電源電壓的測量采用電壓表，量程在0～400 V；升流器的輸入電壓測量采用電壓表，量程在0～450 V；升流器的輸入電流采用小CT測量，量程在0～200 A，0.2 S/10 VA，可設置以每10 A檔為階梯的過流保護定值；升流器的輸出電流采用與升流器本體一體化的CT測量，量程在0～2 500 A，0.5 S/5 VA，可設置以每100 A檔為階梯的過流保護定值。

2.3 一體化的顯示控制平臺

電壓源和電流源在實際的操作應用中，是可以單獨進行的。但作為電壓-電流雙施加的監控平臺，一體化是其應用便捷化的一個重要特征。在預設方案中，將電壓源、電流源、溫度監控后臺安裝在一起。一體化的電壓、電流操控及溫度監控平臺設置有三束連接：平臺的電源連接，設置有2 kVA的隔離變，主供平臺的供電；電壓源操控連接，用于電壓源開關、測控信號的傳遞；電流源操控連接（無線方式），用于電流源開關、測控信號的傳遞。電壓-電流操控及溫度控制平臺示意圖，如圖5所示。

圖5 監控平臺示意圖

圖5中監控平臺可分五個區域，平臺的電源分合區域、電流源控制區域、電壓源控制區域、溫度監控區域以及電壓、電流信號及220 V電源端口區域。平臺的電源分合區域，設置有分合按鈕以及電壓、電流指示儀表，用來監控平臺的供電與用電情況；電流源控制區域和電壓源的控制區域，均設置有合分按鈕、緊急停止按鈕、調壓器調節手柄和各類電壓、電流監測儀表；溫度監控區域，設置有溫度監控儀，其上的開關按鈕可實現儀器開關，溫度自動搜索，無需人工操作；電壓、電流信號及220 V電源端口區域，設置有標準的電壓波形監控端口、電流波形監控端口以及供220 V電源的從插線板。

2.4 測量不確定度評定

對于測試類設備，需要對其測量的不確定度進行評估。按照GB16927.2提出的要求，本文對電壓-電流雙施加系統進行了A類不確定度評價。

A類評估方法適用于在相同的測量條件下獲得n個電壓，電流的測量值構成的隨機變量。通常，可以假定測量值服從正態分布。以電壓為例n個測量值的算數平均值如式（1）：

其中，A類標準不確定度等于實驗標準偏差平均值，見式（2）

按照上述方法，文中對電壓-電流雙施加系統進行了測量不確定度的評定，使其滿足高電壓技術的測量要求。

3 應用的主要技術領域

針對電氣設備的運行特點與試驗研究的特點[20]，以及上文提到的有關GIS、電流互感器、隔離開關、電力電纜等事故缺陷總是與電壓致絕緣缺陷、電流致熱缺陷之間關。本文設計的電壓-電流雙施加試驗系統，使得小容量電源開展電氣設備額定工況考核成為可能。該系統適應電氣設備生產、試驗、運行單位，可完善其試驗檢測手段，拓展其電壓、電流施加測試項目。針對TA、開關柜、GIS段、架空導線、電纜等一次回路為低阻抗的電氣設備，進行了雙施加試驗應用，并取得了良好的效果。

4 結束語

文中針對目前高壓試驗中耐壓和通流試驗分開進行，而不能模擬現場設備的運行狀態這一缺陷，設計了一套電壓-電流雙施加系統，為上述問題的解決提供了一個良好的思路。該系統利用小容量電源完成了高壓電器設備額定工況的考核，對于完善電氣設備的檢測試驗手段具有重要意義。