0.1Hz-30kV 超低頻高壓發生器的研制及工程應用

趙麗惠,姜 幸,錢 偉,張 勇

(云南電網有限責任公司曲靖麒麟供電局,云南 曲靖 655000)

引言

進入二十一世紀,城市建設不斷發展,架空線路逐漸被電纜所替代,城區的電纜化率不斷地提高。交聯聚乙烯電纜由于自身具有敷設簡單、運行維護較為容易、線芯的允許溫度高、介質的損耗小等電氣優點,目前已經在我國各地10～220kV 的電壓等級都得到了廣泛的應用[1]。然而,交聯聚乙烯電纜的長時間使用,會受到周圍各種環境因素的影響,例如發熱、化學、濕氣等的影響。由于這些因素的綜合作用,使得交聯聚乙烯電纜絕緣介質發生物理以及化學變化,導致電纜的絕緣性能降低,造成電纜擊穿等影響,嚴重時會造成停電情況增加,影響經濟的發展[2,3]。為了保證電纜的使用穩定,以及對電纜做出正確的壽命預測已經成為了及時了解電纜的運況和穩定工作的重要環節[4],用合適的方法進行交聯聚乙烯電纜的試驗是對傳統的電纜試驗方法的挑戰。

由上可知,對交聯聚乙烯電纜定時進行檢測是檢查電力電纜絕緣狀況的一個主要試驗項目。首先,直流耐壓試驗方法就已不適用于這類電纜[5,6]。用直流耐壓試驗,會由于產生的不易中和的空間電荷而引起電場的畸變,從而導致之后施加運行電壓時電纜被擊穿,或者造成嚴重的絕緣損傷。其次,如若采用頻率為50Hz 的工頻電壓進行耐壓試驗時,為了有效處理交聯聚乙烯電纜絕緣層處的大電容,不僅需要采用費用高、體積大的試驗變壓器或諧振變壓器,更重要的是在使用的時候,也會帶來諸多的不便[7]。為了解決這個問題,一種新型的檢測方式——0.1Hz 超低頻試驗技術被提出[8,9]。采用這種方法,不僅能準確的對電纜做出正確的壽命預測,而且0.1Hz 超低頻電壓試驗還有試驗電源容量小、設備輕等特點,在該領域已經得到了廣泛的應用[10]。

1 0.1Hz-30kV 超低頻高壓發生器的整體情況

在設計本儀器的過程當中,嚴格按照武漢高壓研究所所發布的行業設計標準進行設計,并且在此基礎上,結合了先進的現代數字變頻技術,在設計的過程中,將自動化貫穿于整個設計之中。為了實現升降壓的測量和保護自動化的目的,在設計中采用了微機控制技術,并且在需要人工干預的地方也設置了相應的措施。設施的全電子化使得儀器重量輕體積小,結果的輸出也比較直觀。設計出的儀器的技術指標完全符合電力行業標準,在各種電力場合下均適用,實物如圖1 所示。

由于現在國內的超低頻高壓發生器大多采用機械式的方法進行調制,所以會使得測量波形存在較大的測量誤差,波形也與實際有所差異。在電壓較高的場合,設備會顯得比較笨重且有火花放電等現象,而且在放電整形時,還需要大功率高壓電阻的作用,所以也會使得設備的功耗大大增加,本產品采用先進的技術,上述不足均可克服,因此可以在電纜、電力電容器以及大型高壓旋轉電機等場合廣泛應用。

2 超低頻高壓發生器的基本原理

上世紀70 年代,作為世界上首個致力于研究低頻電纜檢測方法的公司,美國高電壓公司所設計的電纜檢測設備不僅設備輕,而且成本也低于別的檢測設備,最重要的是它可以產生真正的高壓正弦波。經過多年的實踐使用證明,固體絕緣電纜的擊穿電壓在超低頻高壓以及在交流工頻下的電壓值是相當的[8]。此外該項設計還可擴展到頻率更低的情況中使用,且它的測量效果是非常顯著的。

該設計所采用的基本設計思路是非常簡單的,用超低頻率、低充電電流和相對長的時間間隔將樣品充電到高電壓,是一種類似于產生像正弦波那樣的超低頻波形的方法。在該設計當中,超低頻的波形是極其關鍵的,特別適合的波形是正弦波,因為它在使用過程當中不會產生高頻諧波,由圖2,從結構圖中,可以直觀的觀察該設計的基本原理。系統的輸入從電壓為120V、頻率為60Hz或者220V,頻率為50Hz 的電源獲得,輸出的電壓由可以自動調節的變壓器來進行控制,在圖2 中,用T1 來表示這一過程。T2 的頻率比輸出頻率大一倍,輸出以正弦波的形式周期性的增加或減少,通過這一過程,便可以產生一個60Hz(或50Hz)電壓。通過升壓變壓器,電壓的等級逐步提高,在圖2 中,T3 可以用來表示這一過程。之后,再通過整流器整流。最終,再經過一個極性開關,每半個周期顛倒一次電壓極性。需要一提的是,本世紀并不需要濾波裝置,輸出電纜將充當這一角色,以使波形諧波較小,到達可以接受的范圍。經過上述的過程,便可以最終產生一個高壓超低頻正弦波[11]。

圖2 VLF 系統原理圖

3 超低頻高壓發生器的關鍵技術

(1)通過高壓的采樣,可以直接獲得所需的電流電壓值的大小,所以測量得到的數據真實可靠。(2)過壓保護：當所輸出的電壓值低于認為設定的限幅值的時候,該儀器就會自動停機,進行自我保護,該過程的反應時間不超過20ms。(3)過流保護：本設計采用了高壓與低壓都可以進行保護的雙重保護。在低壓側,當設備中流過的電流值大于額定電流時,設備自行停機保護；在高壓側,則是設備根據所設定的設定值來精確停機保護。以上的動作時間均不超過20ms。(4)在升壓體的內側裝有保護電阻,可以防止輸出過高壓。因此,不需要外接保護電阻。(5)為了避免輸出時會產生的無容升效應,本設計獨特性的采用了高低壓閉環負反饋控制。

4 主要技術參數

額定電壓：30kV(峰值)

帶載能力：頻率為 0.1Hz 時,≤1.1μF

頻率為 0.05Hz 時,≤2.2μF

頻率為 0.02Hz 時,≤5.5μF

頻率為 0.01Hz 時,≤11.0μF

電源保險管：10A

電壓波形失真度：≤5%

重量：控制器6kg,升壓體39kg

使用條件：戶內、戶外；溫度：-10℃～+40℃；濕度：≤85%RH

測量精度：±(3%滿量程+0.5kV)

5 儀器結構

5.1 控制器面板示意圖

根據圖3 所示的控制器面板,一一進行功能說明：(1)“地”：接地,相當于接地端。(2)“控制輸出”：輸出多芯插座,使用時與升壓體的輸入多芯插座相連。(3)“對比度”：調節液晶顯示器。(4)“功能鍵”：其功能由顯示屏提示欄的相應位置提示。(5)“AC220V”：電源輸入,內部有安全保護裝置。(6)“開關”：電源開關。(7)“打印機”：在得到試驗結果后,用來打印報告。(8)“液晶顯示器”：顯示數據。

圖3 控制器面板

5.2 升壓器結構示意圖

升壓器的結構如圖4 所示。

圖4 升壓器結構

6 超低頻高壓發生器在實際工程中的應用

6.1 電纜的超低頻耐壓試驗方法

在開始試驗之前,將被測試品電纜脫離所有電器設備,對所測試品的每一相進行絕緣電阻的測量,這一過程可用10kV 的兆歐表完成,并且記錄相應的數值。試驗所采取的電壓的峰值應該取試品額定工作的電壓的3 倍,試驗的時間一般設定為3 分鐘。也可以對試品的每一相進行分相測試。若想進行并聯耐壓的試驗,需要保證試品電纜的電容值在實驗設備負載容量的范圍內。

按照圖5 所示的方法將試品電纜與試驗設備相連接。給設備通電,設置好相應的頻率值、時間以及電壓等級和過流、過壓保護數值,確保無誤后,便可開始試驗。在升壓的過程當中,對高壓回路應當時刻進行監聽關注,是否有異響聲發出是最值得注意的一個變化。當電壓等級達到所設定電壓等級時,開始進行試驗數據的記錄,試驗數據應包括試驗的時間和試驗電壓值。在試驗設定的時間到后,若電纜保持正常狀態,無破壞性放電,電纜即可通過試驗。相反,若有異況發生,如電流異常增大,電壓不穩定,試品電纜產生異味以及煙霧等,應當立即停止試驗,關掉設備并查明原因。經檢查后,如果這些現象是由試品電纜絕緣薄弱所引起的,則認為該試驗樣品不合格,不能通過絕緣耐壓試驗。若經查明是由于環境問題以及電纜表面有臟污所引起的,應當將試品電纜進行清潔并經過干燥之后,再次進行絕緣耐壓試驗。在實驗的過程當中,有時也會出現非試品電纜絕緣缺陷從而使得儀器出現過流保護,這時應當停機查明原因并且排除,在確保不存在上述問題后,重新設置試驗時間,不得僅僅進行“補足時間”試驗。

6.2 大型高壓發電機的超低頻耐壓試驗方法

進行該項試驗時,與上述的對電纜的操作方式類似,下文不再過多贅述,僅在要進行不同操作的地方進行說明。

圖5 單相測量連線圖

該項試驗一般在發電機進行交接、大修等情景下進行,并且經過多次的試驗可以證明,在采用0.1Hz 超低頻電壓時,比在工頻電壓下更容易發現電機端部絕緣的問題。其原因是由于在采用超低頻電壓之后,會使從線棒流出的電容電流大大減小,使得在防暈層上的壓降與在工頻電壓情況下相比大大減小,從而使得端部絕緣上的電壓較高,便于發現缺陷。在進行試驗時,應同測試電纜一樣,采用分相測試的方法,被試相加壓,非被試相短接接地,采用的連線方法如圖6 所示。試驗時間的確定,應參照有關規程。在耐壓的過程中,無異樣發生,即認為絕緣耐受住了試驗的考驗。

圖6 測量定子的某相連線圖

6.3 電力電容器的超低頻耐壓試驗方法

進行該項試驗時,需要進行的操作與上述兩種試驗方法大體相似,試驗設備與試驗電纜的連接方式如圖7所示。試驗電壓以及時間的設定,需要嚴格按照有關的規程來進行設定。

圖7 測量電容器的連線圖

6.4 工程使用時注意事項

(1)本儀器只可用來做超低頻高壓測試實驗,不得作其他用途。

(2)本裝置內帶電,若儀器設備無法正常使用,為了避免由于不熟悉設備而發生意外,切忌自行修理,應與我公司聯系,派專業人士進行修理。

(3)關機后應對儀器進行充分放電,待放電充分時,再進行拆線操作。

(4)在開機前也應對儀器進行充分放電,待確保安全后,再開機。

(5)在每次升壓前,都應對試品進行充分放電,再進行實驗。

7 結束語

根據交聯聚乙烯超低頻耐壓測試的需要,我公司嚴格按照行業標準,設計出了如本文所陳述的0.1Hz-30kV超低頻高壓發生器,它不僅結合了先進的現代數字變頻技術,更實現了儀器的自動化控制。此外,本產品還具有重量輕,使用方便等優點,廣泛應用于多種超低頻耐壓試驗場合。它的研制成功,大大提高了行業超低頻耐壓測試的技術水平,具有廣闊的市場應用前景。