周學明，闞 毅，李籽劍，胡丹暉，黃澤琦，馮志強，張耀東

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢430077；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢430077）

0 引言

高壓絕緣子是電力系統(tǒng)中廣泛使用的設備之一，其優(yōu)劣程度直接關系到電力系統(tǒng)的安全，穩(wěn)定運行［1-3］。絕緣電阻是表征絕緣子優(yōu)劣程度的一個重要參數，良好的絕緣電阻是保證其正常運行的重要前提，近幾年新投運及掛網運行特高壓瓷絕緣子零值問題日漸頻繁，給跨區(qū)域電網運行安全帶來隱患［4-6］。根據《GB/T 50832-2013 1 000 kV系統(tǒng)電氣裝置安裝工程設備交接試驗標準》規(guī)定，懸式絕緣子交接試驗應滿足兩方面要求：安裝前應采用5 000 V兆歐表測量每片懸式絕緣子絕緣電阻，不應低于500 MΩ；應進行交流耐壓試驗，試驗電壓值應為60 kV。在安裝前或者必要時檢測絕緣子的絕緣性能，確定其滿足規(guī)定的使用要求對電網安全運行有重要的意義［7-9］。

目前，對于特高壓線路絕緣子零值檢測手段最主要的還是采用高壓兆歐表，輸出電壓為2 500 V 和5 000 V 檔位，但運行經驗和試驗數據表明，對于大噸位特高壓絕緣子的絕緣電阻值，由于傳統(tǒng)高壓兆歐表測試電壓過低，不能有效測試出低零值絕緣子［10-12］?，F場交流耐壓試驗供電電源不易獲取，60 kV 交流耐壓試驗設備笨重，不易搬運［13-15］。為了實現大噸位零值或者低值高壓絕緣子現場快速、準確檢出，急需開展特高壓輸電線路大噸位瓷絕緣子零值測試方法研究，研制便攜有效的測試裝置［16-18］。

1 特高壓零值絕緣子檢測方法試驗研究

目前，針對現場絕緣子零值檢測的技術方式有限，并且存在一定的誤判，造成絕緣電阻表檢出低零值絕緣子的準確率較低，按照規(guī)程進行交流耐壓試驗，在野外不容易獲取試驗電源且耐壓裝置笨重不易運輸，考慮采用脈沖高壓下進行大噸位絕緣子的絕緣性能檢測［19-21］。脈沖高壓電源體積小，可采用電池供電，能有效解決交流耐壓試驗設備笨重，不易搬運的問題［22-24］。

為驗證脈沖高壓法零值絕緣子檢測方法的有效性，選取高值和低值絕緣子，分別采用絕緣電阻表法、高壓脈沖法和交流耐壓試驗法進行檢測，對比測量結果。特高壓零值絕緣子絕緣電阻表測試接線圖如圖1所示。

圖1 特高壓零值絕緣子絕緣電阻表法測試接線圖Fig.1 UHV zero-value insulator insulation resistance meter test wiring diagram

按照圖1 接線，采用5 000 V 兆歐表（WHDY-4000），在2 500 V、5 000 V 電壓下測量各個時刻的絕緣電阻值。讀取1 s、5 s、15 s、60 s 等時刻的絕緣電阻值，測試結果如表1所示。

表1 特高壓零值絕緣子絕緣電阻表法試驗結果Table 1 Test results of insulation resistance meter method for UHV zero-value insulators

特高壓零值絕緣子脈沖高壓法測試接線如圖2所示。

圖2 特高壓零值絕緣子脈沖高壓法測試接線圖Fig.2 Test wiring diagram of UHV zero-value insulator pulse high voltage method

采用直流高壓發(fā)生器對脈沖電容器（5 μF/50 kV）充電至試驗電壓，高壓開關GK進行合/分操作，通過電阻R 將高壓試驗脈沖施加到被試絕緣子上端，高壓脈沖寬度由高壓開關合/分閘間隔決定，試驗脈沖電壓采用分壓器（1 250∶1）取樣，在高壓尾串接200 K/2 W 電阻取樣脈沖電流，信號接入示波器［25-27］。

檢測到如圖3 的脈沖電壓和脈沖電流，求取兩個信號的平均值，相除后，得到高壓脈沖下的電阻。設定高壓脈沖寬度分別為60 ms、100 ms、500 ms、1 s進行測量計算，結果如表2所示。

圖3 脈沖電壓和脈沖電流Fig.3 Pulse voltage and pulse current

表2 特高壓零值絕緣子脈沖電壓法試驗結果Table 2 Test results of UHV zero-value insulator pulse voltage method

特高壓零值絕緣子交流耐壓試驗接線圖如圖4所示。

圖4 特高壓零值絕緣子交流耐壓試驗測試接線圖Fig.4 UHV zero value insulator AC withstand voltage test test wiring diagram

用50 kV 交流試驗變壓器升壓，在10 kV、20 kV、30 kV、40 kV、50 kV電壓下進行耐壓試驗，記錄是否通過耐壓試驗，試驗結果如表3所示。

表3 特高壓零值絕緣子交流耐壓試驗結果Table 3 AC withstand voltage test results of UHV zero-value insulators

比較表3中數據，絕緣電阻表在2 500 V和5 000 V試驗電壓下測量的高值和低值特高壓絕緣子，絕緣電阻都遠大于500 M，不能正確地反映特高壓絕緣子的絕緣特性；脈沖高壓法在電壓幅值10 kV條件下，測量結果也遠大于500 M，檢測結果不準確，脈沖電壓幅值50 kV 條件，低值絕緣子測量結果小于250 M，高值絕緣子大于1 G，能夠準確檢出低值特高壓絕緣子；交流耐壓試驗電壓低于40 kV 時，低值絕緣子也不會發(fā)生擊穿，不能有效檢出缺陷絕緣子，試驗電壓44 kV 時，低值絕緣子擊穿，高值絕緣子通過耐壓試驗，有效檢出缺陷絕緣子［28-30］。

較低的交流耐壓試驗的試驗電壓和脈沖法試驗電壓檢出缺陷絕緣子的準確度低，10 kV 脈沖高壓和40 kV的交流高壓下，絕緣子的缺陷也未被擊穿，表明試驗電壓的幅值需要達到一定的水平，才能有效激發(fā)特高壓低值絕緣子缺陷，實現正確可靠的檢測。

不同的高壓脈沖寬度下，測量的特高壓絕緣子電阻值有一定的變化，需要對高壓脈沖寬度與絕緣電阻測試結果的關系進行試驗分析，選取合適的試驗脈沖寬度，達到準確檢測的目的。試驗結果表明，選取適當幅值和寬度的脈沖高壓對特高壓絕緣子進行測試，可以有效檢出低（零）值絕緣子，代替交流耐壓試驗，解決交流耐壓試驗現場供電電源不易獲取和運輸不便的問題。

2 便攜式特高壓零值絕緣子檢測裝置總體設計

2.1 總體要求

1）裝置功能要求

輸出寬度和幅值可調整的高壓脈沖，對特高壓絕緣子電阻進行測量；為確保測試安全，采用藍牙無線通訊方式控制裝置工作狀態(tài)，啟動高壓脈沖輸出和信號采集；試驗數據通過藍牙通訊傳輸至手持式控制設備，進行數據顯示和分析判斷。

2）裝置關鍵技術指標要求

最大輸出電壓：DC 60 kV；高壓脈沖寬度：50 ms、100 ms、200 ms，可設置；電壓測量分辨率：0.1 kV；電壓測量精度：±（5%+1 個讀數）；電流測量分辨率：0.05 μA；電流測量精度：±（5%+1個讀數）；高值絕緣子測試次數：5 000次；供電電源：DC24V。

2.2 裝置總體結構

根據零值絕緣子高壓脈沖法檢測的要求設計測試裝置樣機，整體結構如圖5所示。

圖5 高壓脈沖零值絕緣子檢測裝置框架Fig.5 The frame of the high-voltage pulse zero-value insulator detection device

高壓脈沖零值絕緣子檢測裝置分為兩部分，一部分為藍牙手持設備，一部分為高壓脈沖試驗裝置。藍牙手持設備完成無線設置高壓脈沖寬度、無線啟動控制高壓脈沖輸出、無線收集測量數據和測量結果顯示和分析等功能。高壓脈沖試驗裝置采用工業(yè)級微處理器為核心，包括供電電池和電源管理模塊、藍牙無線通訊接口模塊、信號脈寬控制和脈沖發(fā)生器模塊、信號變換和采集模塊，藍牙手持裝置按照接收的高壓脈沖設置寬度，完成高壓脈沖輸出和信號變換及采集，并將結果上傳。

3 便攜式特高壓零值絕緣子檢測裝置設計

3.1 設計框架

根據總體設計方案，對設計方案進一步細化，詳細設計結構圖如圖6所示。直流電源鋰電池經推挽電路逆變整流到第一級中間直流母線，再將中間直流母線電壓經半橋電路逆變成中頻方波電壓，經中頻高壓變壓器升壓到中頻高壓，再經6倍壓整流，最后輸出直流高壓。處理器通過RELAY1 控制電源導通，控制RELAY_GROUP 切換輸出電壓檔位，控制RELAY2 接通高壓脈沖輸出，控制導通時間從而控制高壓脈沖周期。通過電壓反饋電路1號來調節(jié)脈寬調制控制器使第一級直流母線輸出維持恒定。AD 采集部分采集鋰電池電壓檢測電量變化；采集中間反饋電壓監(jiān)測第一級升壓大??；采集高壓反饋電壓檢測高壓輸；采集采樣電阻電壓監(jiān)測負載電流大小。處理器通過藍牙模塊和手持終端通過藍牙通信進行數據傳輸，手持終端進行數據處理和顯示。

圖6 詳細設計信號流程Fig.6 Detailed design signal flow

3.2 脈沖高壓模塊

第一級升壓電路采用推挽將直流低電壓升壓到所需第一級直流母線電壓，將直流低壓電源產生的直流低壓通過變壓器升壓到設定的第一級電壓，第一級升壓電路如圖7所示。

圖7 第一級升壓電路Fig.7 The first stage boost circuit

在第一級升壓電路中，通過反饋和高壓輸出程控換擋部分，用于調節(jié)第一級直流母線電壓輸出。第一級升壓電路通過帶隔離的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)實現輸出電壓可控可調，處理模塊控制第一級升壓的幅值大小，反饋調壓電路如圖8所示。

圖8 反饋調壓電路Fig.8 Feedback voltage regulator circuit

中頻電壓通過高壓包把電壓升壓為中頻高壓，通過6倍壓整流成為直流高壓。此中頻電壓經高壓包升壓電路升壓到設定的第二級中頻電壓，處理模板控制第二級升壓輸出的周期，倍壓整流電路如圖9所示。

圖9 倍壓整流電路Fig.9 Voltage doubler rectifier circuit

第二級升壓部分，采用半橋拓撲結構將直流母線電壓逆變成中頻的方波電壓，第二級升壓電路將第一級升壓電路輸出的直流母線電壓通過半橋逆變電路，逆變成中頻電壓，逆變電路如圖10所示。

該整流電路提供了一種基于高壓脈沖法的絕緣子測試方法，其特征在于，包括以下步驟：

圖10 逆變電路Fig.10 Inverter circuit

（1）直流低壓經過升壓逆變和倍壓整流處理，并控制升壓幅值和周期產生設定周期的直流脈沖高壓輸出；

（2）將直流脈沖高壓分壓處理成低壓脈沖；

（3）采集絕緣子兩端的脈沖低壓信號和與絕緣子串聯的采樣電阻兩端電壓信號；

（4）通過采集的脈沖低壓信號計算出絕緣子兩端的實際電壓；通過采集的采樣電阻兩端電壓信號，計算出絕緣子兩端的實際電流，并通過絕緣子兩端的實際電壓和實際電流得到絕緣子絕緣性的測試結果。

步驟（4）中的測試結果通過通訊模塊發(fā)送至顯示及操控終端進行結果顯示；顯示及操控終端通過通訊模塊控制步驟（1）中的升壓幅值和周期。

3.3 裝置本體

本裝置可輸出幅值和寬度可調的脈沖高壓，對絕緣子電阻進行測量，并能將試驗數據通過藍牙通訊傳輸至手持式設備，進行數據顯示，分析判斷和圖像處理，同時也可等效交流耐壓試驗。此測試儀體積較小、質量較輕、使用簡便等特點，同時采用可充電鋰電池供電方式攜帶方便，便于野外測量，可以實現快捷、廉價、有效地檢測劣化瓷絕緣子。檢測裝置樣機外觀如圖11所示，檢測裝置樣機重量約為2.4 kg，直徑35 mm，高3 800 mm，通過手持平板進行操作。

圖11 裝置本體Fig.11 Device body

4 結語

絕緣電阻表不能有效檢出特高壓低值和零值絕緣子，大噸位特高壓絕緣子交流耐壓檢測方法在工程現場受到條件限制，檢測工作效率低且不易實施。高壓脈沖檢測特高壓低值或者零值絕緣子有較高的準確率，采用高壓脈沖檢測特高壓零值絕緣子的方法研究和便攜式檢測裝置研制具有重要的意義。

1）完成的便攜式絕緣子檢測裝置采用小型化的高壓脈沖試驗電源，進行了試驗電壓幅值和寬度對測量結果影響的研究，確定輸出的脈沖電壓大于60 kV，脈沖寬度100 ms。檢測裝置質量不大于3 kg，設備小巧便攜。電壓測量偏差小于±5%；絕緣電阻測試范圍0～5 000 M，測量偏差小于±10%；單次充電可連續(xù)使用5 000次。

2）通過對比絕緣電阻表和交流耐壓測試的結果，研制的便攜式特高壓零值絕緣子檢測裝置能夠有效判斷零值、低值和高值特高壓絕緣子。檢測速度快，單片絕緣子檢測時間10 s，適應大批量特高壓絕緣子現場準確、高效檢測的要求。