固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實驗平臺開發(fā)

邢作霞，樊金鵬，葛維春，楊長龍，顏 寧

固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實驗平臺開發(fā)

邢作霞1，樊金鵬1，葛維春2，楊長龍3，顏 寧1

（1. 沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870；2. 國家電網(wǎng)有限公司，遼寧 沈陽 110004；3. 國網(wǎng)遼寧省電力有限公司沈陽供電公司，遼寧 沈陽 110042）

結(jié)合實際應用和教學實踐需求，針對固體電制熱儲熱裝置的絕緣測試問題，開發(fā)了一種固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實驗平臺，通過加熱測試設(shè)備和加壓測試設(shè)備實現(xiàn)了固體電制熱儲熱裝置絕緣測試的高溫高壓環(huán)境模擬與絕緣檢測。該實驗平臺功能完善，可操作性強，能滿足學生的研究實踐，對提高學生的實踐認知有重要作用。

固體電制熱儲熱裝置；高溫高壓；絕緣測試；教學實踐

固體電制熱儲熱是近年來新興的一種清潔供暖方式，由于可以利用風電或谷電進行儲熱供暖，因此具有優(yōu)秀的清潔能源消納能力和輔助電網(wǎng)調(diào)峰能力，并且在我國北方得到了廣泛應用[1]。為了進一步提高儲熱容量，固體電制熱儲熱系統(tǒng)的儲熱溫度和使用電壓等級被不斷提升[2]。高溫絕緣套管和加熱電阻絲作為固體電制熱儲熱系統(tǒng)的主要高壓設(shè)備，為滿足逐步提升的儲熱要求，也進行了不斷地創(chuàng)新和改進。與此同時，固體電制熱儲熱系統(tǒng)的絕緣測試卻沒有可靠的測試平臺，常規(guī)測試方法與固體電制熱儲熱系統(tǒng)的實際工作環(huán)境相差很大[3]，容易產(chǎn)生檢測誤差。為提高固體電制熱儲熱裝置絕緣測試的可信度和創(chuàng)造一個可供學生進行高溫高壓絕緣測試實踐的條件，開發(fā)了一種固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實驗平臺。該測試實驗平臺功能完善，可操作性強，測試方便，能完全模擬固體電制熱儲熱裝置的實際工況，實現(xiàn)固體電制熱儲熱裝置絕緣的可靠測試。

1 測試實驗平臺設(shè)計

固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實驗平臺主要由加熱測試設(shè)備和加壓測試設(shè)備兩部分組成。加熱測試設(shè)備通過外部加熱器對儲熱室進行加熱，使套管和加熱電阻絲達到高溫測試條件。加壓測試設(shè)備對套管電極施加測試電壓，使其滿足高壓測試條件。

固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實驗平臺的加熱測試設(shè)備布置見圖1。絕緣測試實驗平臺中，瓷套管為被測試套管，通過絕緣支撐、絕緣支柱和底座實現(xiàn)對地絕緣和支撐。加熱電阻絲嵌入由儲熱磚所砌筑成的結(jié)構(gòu)體內(nèi)，并按測試要求首尾相連，構(gòu)成儲熱結(jié)構(gòu)體。外部加熱器接入電源后，通過風機、擋風板和循環(huán)風道使儲熱室內(nèi)的空氣產(chǎn)生循環(huán)流通，使儲熱室內(nèi)的設(shè)備均勻升溫。為防止熱量耗散，儲熱室外墻設(shè)有保溫墻進行保溫。儲熱室的實時溫度由測溫熱電偶測量[4]，當溫度達到測試溫度后，切斷外部加熱器電源，并進行高壓絕緣測試實驗。測試時，墻體及瓷套管法蘭需通過接地線可靠接地[5]。

圖1 加熱測試設(shè)備布置

加壓測試設(shè)備電路見圖2，其中T表示實驗變壓器，V表示峰值電壓表，CD1、CD2為電容分壓器，T0為瓷套管試品。實驗變壓器接入電源，經(jīng)變壓后輸出工頻測試電壓，并施加在電容分壓器和試品兩端[6]。通過電容分壓器分壓，將高電壓變?yōu)榭蓽y量的低電壓，由峰值電壓表采集電壓信息。

圖2 加壓測試設(shè)備電路

圖3為固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實驗相對地、相間絕緣測試原理，分別測量高溫絕緣套管和加熱電阻絲的相對地、相間絕緣。測試高溫套管的相對地絕緣時，需斷開高溫電極，對套管接線端子施加工頻測試電壓。測試套管相間絕緣時(如BC相絕緣)，需斷開高溫電極，在B相連接測試電源，C相接地。加熱電阻絲絕緣測試同上，但需連接高溫電極。上述絕緣測時，墻體均需接地。

圖3 相對地、相間絕緣測試原理圖

加壓測試設(shè)備的布置見圖 4。工頻高壓實驗控制臺為測量和調(diào)壓設(shè)備，可以實時監(jiān)控測量電壓值，當試品發(fā)生擊穿或閃絡(luò)時，過流繼電器將自動動作，切除電源，說明測試未通過。工頻無暈實驗變壓器和電容分壓器在實驗時可以保證不發(fā)生局部放電，降低實驗測量誤差[7]。此外，工頻無暈實驗變壓器、電容分壓器、工頻高壓實驗控制臺實驗時應可靠接地。

圖4 加壓測試設(shè)備布置

2 測試實物平臺

圖5為固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實物平臺，測試試品為耐高溫絕緣瓷套管，可耐受電壓66 kV、高溫1100 ℃。根據(jù)國標GBT 4109-2008，1 min工頻耐壓測試電壓為160 kV。根據(jù)標準DB21∕T2018-2012，儲熱裝置內(nèi)1 min工頻耐壓實驗測試電壓為133 kV。

圖5 固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實物平臺

固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實物平臺中的絕緣支柱為高壓陶瓷絕緣支柱，絕緣支撐為MZ-92型鎂基氧化物，與儲熱磚材質(zhì)相同，具有可靠絕緣能力[8]。外部加熱器額定電壓220 V，額定功率10 kW，加熱電阻絲選用鐵鉻鋁電熱合金；保溫墻選用珍珠棉為填充材料，高溫電極為不銹鋼。

圖6為加壓測試設(shè)備實物平臺，其中電容分壓器電容為3000 pF，額定電壓400 kV。工頻無暈實驗變壓器輸入電壓380 V，輸出電壓160 kV。工頻高壓實驗控制臺額定電壓220 V，具有調(diào)壓、測量、保護、合閘、計時、報警等功能。

圖6 加壓測試設(shè)備實物平臺

3 測試實驗平臺操作方法

本文以66 kV固體電制熱儲熱裝置高溫絕緣套管的絕緣測試為例，介紹測試實驗平臺的操作方法。為滿足高溫絕緣套管工作環(huán)境要求，要求通過加熱測試設(shè)備和加壓測試設(shè)備使瓷套管達到700 ℃高溫和160 kV高壓。其具體實驗步驟如下：

（1）按照測試要求接線，測量環(huán)境及設(shè)備的不確定度，測量固體儲熱電源接引套管試品介質(zhì)損耗因數(shù)、電容量和局部放電量，檢查高溫套管是否發(fā)生損傷[9]；

（2）將外部加熱器接入220 V電源，對儲熱室進行加熱，觀察測溫熱電偶所測量實時溫度是否達到700℃；溫度達到700 ℃后，斷開外部加熱器電源；

（3）在高溫絕緣套管的接線端子施加160 kV工頻電壓，75%實驗電壓前可自由升壓，75%實驗電壓后均勻升壓，直至實驗電壓[10]；

（4）持續(xù)施加工頻電壓1 min，觀察是否發(fā)生閃絡(luò)或擊穿，如果沒有出現(xiàn)閃絡(luò)或擊穿則認為套管通過了實驗，如果出現(xiàn)一次閃絡(luò)，則實驗應再重復一次，如在重復實驗時未出現(xiàn)閃絡(luò)或擊穿，則認為通過本實驗，否則不通過。

圖7為測試程序。

圖7 測試實驗平臺測試程序

4 測試實驗平臺教學應用

依托本實驗平臺，學生可以進行認知實驗，開展介質(zhì)損耗測量儀、兆歐表、局部放電檢測儀等一系列絕緣測試儀器操作實驗，開展固體電制熱儲熱裝置絕緣測試操作實驗，進行團隊協(xié)作實驗。

依據(jù)固體電制熱儲熱裝置絕緣測試步驟，在進行絕緣測試實驗前需測量環(huán)境及設(shè)備的不確定度，通過不確定測量，學生可以掌握相關(guān)測試儀器的使用方法，學習不確定度的計算方法，直觀了解不確定度的實際意義[11]。根據(jù)測量結(jié)果，在實驗結(jié)果不確定度低于5%的條件下，環(huán)境溫度和濕度的測量誤差分別在±0.6 ℃和±2.6% RH內(nèi)。局部放電測量系統(tǒng)當放電量小于20 pC時，測量誤差為±1.5 pC；放電量在20~50 pC時，測量誤差為±2.0 pC；放電量大于50 pC時，測量誤差為±14 pC。在實驗結(jié)果不確定度低于5%的條件下，無線電干擾電壓測量系統(tǒng)、電壓測量系統(tǒng)和沖擊電壓波形時間測量系統(tǒng)誤差分別為±0.6 dB、0.42%和1.5%。

固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實驗前還需對瓷套管試品絕緣電阻值、介質(zhì)損耗因數(shù)和局部放電量等參數(shù)進行測量。選用2500 V兆歐表測量瓷套管絕緣電阻，將兆歐表的兩個端子分別接在套管的引出電極和法蘭上進行測量，所測絕緣電阻值不應小于1000 MΩ。瓷套管的介質(zhì)損耗角正切值和電容值可通過介質(zhì)損耗測量儀測得，要求介質(zhì)損耗角正切值不大于2%，電容值與出廠值相比偏差不超過±5%。瓷套管局部放電量由局部放電檢測儀測量，其值不應大于3 pC。若上述測試均通過，證明套管無損傷[12]。

固體電制熱儲熱裝置絕緣測試的實驗操作分為加熱操作和加壓操作兩部分。按測試要求接線后，開啟熱電偶測溫儀和外部加熱器。待測溫儀顯示溫度達到700 ℃后，關(guān)閉電源；開始調(diào)節(jié)工頻高壓實驗控制臺快速升壓至75%實驗電壓，75%實驗電壓后均勻升壓至實驗電壓，持續(xù)該電壓1 min，觀察有無閃絡(luò)或擊穿發(fā)生；時間到后，將電壓降為0 V，斷開電源，并掛接地線，對套管放電。實驗結(jié)果見表1。

表1 絕緣測試實驗結(jié)果

5 結(jié)論

固體電制熱儲熱裝置絕緣測試實驗平臺具有可操作性強、實驗內(nèi)容豐富、實驗效果直觀的特點。該絕緣測試實驗平臺能模擬固體電制熱儲熱裝置的實際工況，學生利用該實驗平臺，可以實踐多種絕緣測試儀器，提高團隊協(xié)作能力，增強學生對各種高溫高壓絕緣測試及各種絕緣放電現(xiàn)象的直觀認識。

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Development of insulation test platform for solid electric heat storage device

XING Zuoxia1, FAN Jinpeng1, GE Weichun2, YANG Changlong3, YAN Ning1

(1. School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870, China; 2. State Grid Electric Power Co., Ltd., Shenyang 110004, China; 3. Shenyang Electric Power Supply Company, State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd., Shenyang 110042, China)

According to the practical application and teaching practice, an experimental platform for insulation test of solid electrical heating and heat storage device is developed to solve the insulation testing problem of solid electrical heating and heat storage device. High temperature and high pressure environment simulation and insulation detection for insulation test of solid electric heating and storage device are realized by heating test equipment and pressure test equipment. The experimental platform has perfect functions and strong operability, which can satisfy students’ research practice and play an important role in improving their practical awareness.

solid electric heat storage device; high temperature and high pressure; insulation test; teaching practice

TM925.6；G484

A

1002-4956(2019)09-0069-04

2019-01-09

國家科技支撐計劃項目（2015BAA01B00）；國家電網(wǎng)公司科技項目（2018ZX-03）

邢作霞（1976—），女，河南新鄉(xiāng)，博士，教授，博士生導師，研究方向為風力發(fā)電技術(shù)及智能電網(wǎng)。

E-mail: xingzuox@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.018