廣東電網(wǎng)有限責任公司中山供電局 張 寧

1 引言

直流高壓發(fā)生器主要用于研究直流靜電以及換流站設(shè)備和絕緣材料在直流高壓下的絕緣強度、直流輸電線路電暈和離子流及其效應(yīng)以及進行交、直流電力設(shè)備的泄漏電流試驗。直流高壓發(fā)生器可以作為其他高壓試驗設(shè)備如沖擊電流發(fā)生器、振蕩回路等的電源，在做電力試驗的時候，應(yīng)用的非常廣泛[1-2]。

避雷器是保證電力系統(tǒng)安全運行的重要保護設(shè)備之一，主要用于限制由線路傳來的雷電過電壓或操作過電壓。其中，金屬氧化物避雷器因其具有優(yōu)良的非線性和大通流容量而在電網(wǎng)中廣泛使用[3]。定期對金屬氧化物避雷器進行高壓預(yù)防性試驗，能夠提早發(fā)現(xiàn)其相關(guān)缺陷，保證避雷器的正常工作和維護電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行?，F(xiàn)階段，避雷器的預(yù)防性試驗主要包含了絕緣電阻和直流泄露電流兩大試驗，而二者開展由于儀器選擇不同但接線方式一致等原因，試驗流程存在重復(fù)接線，限制了試驗效率，也存在一定的作業(yè)風險。目前針對中山地區(qū)的相關(guān)試驗流程具體存在以下三點不足。

1.1 試驗需多次接換線

根據(jù)規(guī)程要求，避雷器預(yù)試包括絕緣電阻和直流泄漏電流試驗，中山供電局10kV避雷器數(shù)量接近5000個，年平均預(yù)試量為1000個，預(yù)試工作量大。絕緣電阻測試和直流泄漏電流測試試驗接線方式基本一致，而試驗要求在直流泄漏電流試驗前后分別開展一次絕緣電阻試驗，目前兩項試驗采用不同儀器而需要分別接線開展試驗，因此整個試驗過程多次接換線操作。

1.2 接換線需多次爬梯

由于主變10kV低壓側(cè)避雷器和部分電容間隔的避雷器的安裝位置較高，需要爬梯進行試驗接線，同一個避雷器預(yù)試需至少4次爬梯進行試驗接線（接線和拆線），重復(fù)爬梯作業(yè)存在一定的高空作業(yè)風險。

1.3 儀器需重復(fù)搬運

由于前述兩項試驗需分別使用絕緣電阻測試儀和直流高壓發(fā)生器，試驗需重復(fù)搬運和放置儀器。

因此，基于上述避雷器預(yù)試工作存在的主要問題，急需研發(fā)一套可以實現(xiàn)兩種測試于一身的綜合測試設(shè)備，除了保證測試安全外，還要保證測試精度滿足試驗要求。本文基于某10kV金屬氧化物避雷器預(yù)防性試驗而提出，目的是設(shè)計開發(fā)一套輕型化避雷器綜合測試儀。該裝置集成了絕緣電阻測量功能和直流泄露電流測量功能，僅需一次試驗接線即可完成避雷器所有停電試驗項目，避免了大量的爬梯作業(yè)，優(yōu)化了試驗流程，提高了試驗效率，降低作業(yè)風險。

2 絕緣電阻測試

2.1 絕緣電阻及特性

在絕緣物質(zhì)兩端加直流電壓，在電壓的作用下，介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生極化過程，總會有電流流過。在加壓一段時間后，極化過程慢慢結(jié)束，流過電介質(zhì)的某一時刻的全部合成電流之和對應(yīng)的電阻成為絕緣電阻[4-5]。絕緣電阻是判定絕緣材料絕緣性能的依據(jù)，是指絕緣上所加的直流電壓U與泄露電流I之間的比值。

當絕緣物質(zhì)兩端加上直流電壓后，絕緣介質(zhì)內(nèi)部的電流有以下三種。

2.1.1 電容電流

試驗的加壓瞬間，電容充電電流即對被測絕緣材料的電容量充電。這個瞬時電流開始時相對較大，但如被測材料充電完畢后，會以曲線速度快速衰減至接近于零。一般在幾秒或十幾秒后，電容電流相對于總電流來說，即可忽略不計，并且電容電流的高低和絕緣介質(zhì)的外形與尺寸、材質(zhì)、構(gòu)造以及外加電壓的高低有關(guān)，和介質(zhì)的絕緣性沒有關(guān)聯(lián)。

2.1.2 吸收電流

由于介質(zhì)內(nèi)部偶極子極化，絕緣介質(zhì)不均勻，加壓過程中多層介質(zhì)界面間的電荷發(fā)生移動和積累，產(chǎn)生了吸收電流。吸收電流表征了絕緣介質(zhì)的極度松弛極化，顯示了該類介質(zhì)的老化以及潮濕等。且衰減速度與電容電流相比來說，要慢很多，有時需要數(shù)分鐘后才能降到接近于零的數(shù)值。

2.1.3 泄露電流

體電導(dǎo)電流和表面漏電流組成了絕緣介質(zhì)的泄露電流，它不隨時間改變，是一個恒定量，表征了絕緣材料的質(zhì)量特性。

流經(jīng)絕緣材料的總?cè)齻€電流以及絕緣電阻的試驗測試值與測量時間是緊密相關(guān)的，而實際上，絕緣電阻也受到環(huán)境因素以及外界干擾的影響，具體影響如下。

2.1.4 溫度的影響

溫度是影響金屬氧化物避雷器絕緣性能的關(guān)鍵因素之一。通常情況下，隨著溫度的升高絕緣電阻呈下降趨勢[6]。其原因包含兩面：一是由于溫度升高，內(nèi)部的電子和離子產(chǎn)生劇烈運動；二是內(nèi)部的水分在常溫狀態(tài)下與其他介質(zhì)結(jié)合非常緊密。所以絕緣電阻的阻值會隨溫度以接近指數(shù)曲線關(guān)系隨之變動。在對在對設(shè)備的預(yù)防性維護計劃中，絕緣電阻試驗應(yīng)該在相近的溫度條件下進行，如果無法符合此要求，則應(yīng)以相對于參考溫度的相關(guān)運算，來修正測量值。具體的對金屬氧化物避雷器試驗的溫度校正系數(shù)圖如圖1所示，給出了K系數(shù)與金屬氧化物避雷器的繞組溫度關(guān)系。

圖1 絕緣電阻的溫度校正系數(shù)圖

濕度對絕緣電阻的影響主要表現(xiàn)在：空氣的各類污穢物中的可溶的導(dǎo)電物質(zhì)會溶解在潮濕的空氣，形成一層導(dǎo)電層，導(dǎo)致絕緣性能的下降。所以主要取決于絕緣電阻表面的臟污程度。一定要注意的是，當溫度降至露點以下時，絕不可進行絕緣電阻的測量。

2.1.6 外界干擾影響

高絕緣材料加上直流電壓后，通過試樣的電流是很微小的，極易受到外界干擾的影響，造成較大的測試誤差。熱電勢、接觸電勢一般很小，可以忽略；電解電勢主要是潮濕試樣與不同金屬接觸產(chǎn)生的，在干燥環(huán)境中測試時，可以消除電解電勢。

因此，外界干擾主要是雜散電流的耦合或靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電勢。在測試電流小于10-10A或測量電阻超過1011Ω時；被測試樣、測試電極和測試系統(tǒng)均應(yīng)采取嚴格的屏蔽措施，消除外界干擾帶來的影響。

2.2 金屬氧化物避雷器絕緣電阻的測量

金屬氧化物避雷器是現(xiàn)用普及較多的避雷器，具有良好保護性能。利用氧化鋅良好的非線性伏安特性，在正常工作電壓時流過避雷器的電流極?。ㄎ不蚝涟布墸?；當過電壓作用時，電阻急劇下降，泄放過電壓的能量，達到保護的效果。如圖2這種避雷器和傳統(tǒng)的避雷器的差異是它沒有放電間隙，利用氧化鋅的非線性特性起到泄流和開斷的作用。

圖2 氧化鋅避雷器的非線性特性

針對金屬氧化物避雷器的預(yù)防性試驗的絕緣電阻測試接線原理如下圖3、圖4所示，分別為避雷器的絕緣電阻和避雷器基座絕緣電阻測試原理接線圖。其中，將10kV金屬氧化物避雷器的高壓端接在“L”端子上，“E”是接金屬氧化物避雷器的接地段，“G”用來接屏蔽段。

圖3 避雷器絕緣電阻測試接線原理圖

圖4 避雷器基座絕緣電阻測試接線

相應(yīng)的對于10kV氧化物避雷器規(guī)程規(guī)定如下：35kV以下電壓等級，應(yīng)采用2500V兆歐表，絕緣電阻不應(yīng)小于1000MΩ；基座絕緣電阻不應(yīng)低于5MΩ。

3 耐壓和泄露電流的測試

為確保金屬氧化物避雷器的安全運行，預(yù)防性試驗包含對其耐壓和泄露電流的測試，測試內(nèi)容包含：直流1mA下的臨界動作電圧U1mA及0.75U1mA直流電壓下的泄露電流。試驗的接線原理如圖5所示，需要用到的是直流高壓發(fā)生器以及微安表。

圖5 直流泄露電流試驗原理圖

具體的試驗要求如下：

瀝青路面的施工成本控制是施工管理中的一項重要組成部分。對瀝青路面的施工成本進行控制，可以有效減少施工單位的成本支出，為企業(yè)增加利潤，進而提高企業(yè)的核心競爭力。因此，瀝青路面的施工過程中，必須對施工成本的控制引起高度重視，加強對成本控制措施的分析與研究，制定科學(xué)、有效的成本管理措施，在確保瀝青路面施工質(zhì)量的前提下，減少成本支出，最終推進施工單位的不斷發(fā)展。

在啟動高壓發(fā)生器后，先均勻升壓，避免造成電流的劇烈波動，待微安表上的電流顯示為1mA時，讀取其電壓值，即為1mA時的臨界動作電壓U1mA，測量氧化物避雷器的U1mA主要是檢查閥片是否受潮、老化，確定其動作性能是否符合要求，直流1mA參考電壓一般等于或大于避雷器額定電壓的峰值。

在按下0.75U1mA按鈕，讀取微安表上面的電流值即為0.75U1mA直流電壓下泄露電流值。由于0.75U1mA直流電壓值一般比最大相電壓峰值要高一些，因此，測量此電壓下的泄露電流主要是檢測長期允許工作電流是否符合規(guī)定，這一電流與氧化物避雷器的壽命有直接關(guān)系，一般在同一溫度下，此電流與壽命成反比。

參照于規(guī)程規(guī)定應(yīng)滿足以下要求：

金屬氧化物避雷器對應(yīng)直流參考電流下的直流參考電壓，整支或分節(jié)進行的測試值，不應(yīng)低于現(xiàn)行國家標準《交流無間隙金屬氧化物避雷器》GB11032規(guī)定值，并應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的規(guī)定。實測值與制造廠實測值比較，其允許偏差應(yīng)為±5%。

0.75倍直流電流參考電壓下的泄漏電流值不應(yīng)大于50uA，或符合產(chǎn)品技術(shù)條件的規(guī)定。750kV電壓等級的金屬氧化物避雷器應(yīng)測試1mA和3mA下的直流參考電壓值，測試值應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的規(guī)定；0.75倍直流參考電壓下的泄漏電流值不應(yīng)大于65uA，尚應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的規(guī)定。

試驗時若整流回路中的紋波系數(shù)大于1.5%時，應(yīng)加裝濾波電容器，可為0.01uF-0.1uF，試驗電壓應(yīng)在高壓側(cè)測量。

4 直流高壓發(fā)生器絕緣電阻綜合測試儀

針對目前避雷器高壓試驗存在的問題，基于10kV金屬氧化物避雷器試驗而提出，目標設(shè)計開發(fā)了一套輕型化10kV避雷器綜合測試儀，通過本裝置可以一次性完成避雷器預(yù)防性試驗項目（絕緣電阻試驗、直流泄漏電流試驗），創(chuàng)新了試驗操作，優(yōu)化了試驗流程，顯著地提高了作業(yè)效率，降低了作業(yè)風險。

由上述的絕緣電阻試驗和直流泄漏電流試驗原理可知，兩項試驗原理基本一致，且其試驗接線也基本一致，僅試驗電壓不同，因此通過一臺直流試驗裝置，完成直流電壓輸出和直流電流測量，即可同時完成兩項試驗。由此，設(shè)計開發(fā)的避雷器綜合試驗裝置主要由直流電壓輸出模塊、電流測量模塊、控制與處理模塊、電源模塊和人機交互模塊組成。

4.1 直流電壓輸出模塊

直流高壓發(fā)生器絕緣電阻綜合測試儀的直流電壓輸出模塊原理圖如圖6所示，包含倍壓整流模塊、數(shù)據(jù)采樣模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字調(diào)壓模塊、CPU和LCD液晶顯示模塊，其直流電壓輸出電路首先接入220V交流電壓，通過自耦調(diào)壓器T將電壓升高，再通過五倍電壓整流電路，將電壓放大五倍并將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，電容組可以改善輸出電壓的脈動系數(shù)。整個模塊輸出電壓精度±2%的，直流紋波±1.0%,輸出電壓范圍為0-30kV。

圖6 直流電壓輸出模塊原理

4.2 電流測量模塊

電流測量模塊測試流過金屬氧化物避雷器的泄露電流，基于1mA時的臨界動作電壓U1mA，測量0.75U1mA對應(yīng)的泄露電流值，覆蓋了μA級到mA級，通過各個量程的電流互感器配合或小電阻測量技術(shù)，完成各數(shù)量級電流的測量，電流分辨率應(yīng)滿足0.1μA，測量精度應(yīng)滿足±1.0%；對于絕緣電阻，覆蓋0-100GΩ，其測量精度滿足±5%的要求。

4.3 控制與處理模塊

控制與處理模塊為微機系統(tǒng)，可選擇FPGA、DSP或單片機實現(xiàn)裝置的控制流傳輸、應(yīng)答和數(shù)據(jù)測量、轉(zhuǎn)換、計算、處理和傳輸?shù)?。控制與處理模塊作為裝置核心，接收人機交互模塊的指令，完成試驗選擇、電壓輸出、電流測量、接線轉(zhuǎn)換等功能，完成各類電壓、電流的測量并對試驗結(jié)果進行相應(yīng)的計算和處理，實現(xiàn)試驗自動化開展和各類異常狀態(tài)的檢測、報警等。

4.4 電源模塊

電源模塊分別給高壓電路部分和低壓電路部分提供獨立電源，滿足各模塊的工作要求。而且，電源需具有足夠容量，保證穩(wěn)定輸出電流滿足3mA的要求。

4.5 人機交互模塊

裝置具有測量數(shù)據(jù)顯示和操作控制等功能，其中數(shù)據(jù)顯示可根據(jù)要求顯示相應(yīng)的位數(shù)，操作控制需具有試驗項目選擇功能，并根據(jù)試驗項目做定制化的操控設(shè)計。對于絕緣電阻試驗，可直接選定并自動加壓至試驗電壓，直接測量避雷器及其底座的絕緣電阻值；對于直流泄漏電流試驗，應(yīng)具有自動試驗和手動試驗兩種試驗方式，其中手動試驗的電壓調(diào)節(jié)應(yīng)具有“粗調(diào)”和“細調(diào)”兩種電壓調(diào)節(jié)功能，調(diào)壓進度應(yīng)調(diào)節(jié)精度應(yīng)小于額定電壓的1%，以適應(yīng)各環(huán)境下避雷器泄漏電流試驗的要求。

為保證10kV避雷器綜合測試儀能夠獨立一次性高效完成避雷器預(yù)防性試驗項目，提出了裝置所需滿足的若干技術(shù)指標如表1所示，其中技術(shù)關(guān)鍵點包含以下四點。

表1 裝置應(yīng)滿足的技術(shù)指標

輸出電壓需穩(wěn)定：裝置需穩(wěn)定輸出kV級、10kV級和20kV級的直流電壓，最大輸出電壓為直流30kV，輸出精度±2%的要求，直流紋波±1.0%以保證試驗數(shù)據(jù)的準確性。

測量電流需精確：試驗需測量μA級-mA級的直流泄漏電流值，測量精度應(yīng)滿足±1.0%的要求，對于絕緣電阻而言，其測量范圍應(yīng)覆蓋0-100GΩ，其測量精度應(yīng)滿足±5%的要求。

電源容量需足夠：裝置電源應(yīng)可至少穩(wěn)定輸出3mA直流電流，以滿足絕緣電阻試驗和直流泄漏電流試驗的要求，保證試驗結(jié)果的準確性。

裝置使用需穩(wěn)定：絕緣電阻試驗和直流泄漏電流試驗加壓時間均較長，其中絕緣電阻試驗需穩(wěn)定加壓1分鐘，而直流泄漏電流試驗需加壓至試驗電壓也需要分鐘級別的加壓時間，加壓過程中，裝置必須保持穩(wěn)定性以滿足現(xiàn)場試驗的要求。

綜上，本設(shè)計研發(fā)的輕型化綜合試驗裝置，可以實現(xiàn)一次搬運、一次接線的一體化絕緣電阻和直流泄露電流試驗，有效減少試驗工作量，創(chuàng)新了試驗操作方法，優(yōu)化試驗流程，具有很廣闊的應(yīng)用前景。