一体化电网主设备交流耐压及局放试验装置研发

李连时　王志敏　王理丽　李吉存　包正红　石径　马永福　林万德　陈尧

摘要：本文设计了一款一体化电网主设备交流耐壓及局放试验装置，由试验车体、控制台、测试设备、系统保护装置等部分组成。其中测试设备可以根据具体测试项目进行调整，解决了以往繁琐的操作问题。另外，该试验装置满足了目前最高电压等级、不同海拔、复杂自然环境条件下的现场实验需求，可以让整个实验过程更加安全快捷。真正实现了车载一体化，做到了单车集成全部试验所需设备和附件，实现了实验便利化。

关键词：一体化;交流耐压;安全快捷;单车试验

Research and Development of AC Withstand Voltage and Partial Discharge Test Equipment for Integrated Power Grid Main Equipment

LI Lianshi1 WANG Zhiming1 WANG Lili2 LI Jicun1 BAO Zhenghong2

SHI Jingi1 MA Yongfu2 LINWande2 CHEN Yao2

（1.Qinghai Electric Power Research Technology Co.， Ltd.， Xining， Qinhai Province， 810008 China;

2.Electric Power Research Institute of State Grid Qinghai Electric Power Company， Xining， Qinhai Province， 810008 China ）

Abstract： An integrated power grid main equipment AC withstand voltage and partial discharge test device is designed， which is composed of test car body， console， test equipment， system protection device， etc. The test equipment can be adjusted according to the specific test items， which solves the tedious operation problems in the past. In addition， the test device can meet the requirements of the field experiment under the conditions of the highest voltage level， different altitudes and complex natural environment， which can make the whole experiment process safer and faster. The vehicle integration is truly realized， and all the equipment and accessories required for the test are integrated by single vehicle， which facilitates the test.

Key Words： Integration; AC withstand voltage; Safe and fast; Bicycle test

0 引言

随着电力工业的快速发展以及国内高压输/变电站规模的迅速增长，用于对电网主设备进行相关性能测试的试验装置的需求也越来越大。电力系统中，为了检验电力设备的安全性和高效性，通常选择高压试验的方式，测试一次设备及电缆是否满足投运标准，以保障电力设备安全稳定运行[1-3]。

目前，高压试验现场使用的试验装置普遍具有重量和体积较大、高度较高、运输困难等特点，因此多采用通过多组部件发运、现场组装的方法构建特高压交直流设备现场诊断平台，但现场构建的诊断平台技术指标多数达不到试验要求[4-6]。本项目针对110kV等级交流绝缘试验电压高、空间狭小、无现场专用试验装置的难题，研制了一套110kV紧凑型一体式主变压器感应耐压带局部放电检测及主设备交流耐压试验装置。满足了目前最高电压等级、不同海拔、复杂自然环境条件下的现场试验需求，填补了行业空白。

1 试验装置整体设计方案

1.1研究背景及存在问题

局部放电试验和交流耐压试压是鉴定电力设备绝缘性能和可靠性的一种最直接、有效的方法。随着电力工业的快速发展以及国内高压输/变电站规模的迅速增长，用于对电网主设备进行相关性能测试的试验装置的需求也越来越大。但现有技术方案，存在下述几方面的问题。

1、一般的试验装置通常仅为一种特定测试项目而设计，即局部放电试验装置只能用于开展电力变压器的局部放电试验，交流耐压试验装置只能用于开展电气主设备、电缆等的交流耐压试验。

2、一般的试验装置不具备车载试验功能，运输时需要采用吊车进行吊装，到达试验现场后仍需吊车将试验平台吊装至试验地面，进而完成试验。该过程不仅成本高、所需试验场地较大，而且由于试验现场往往存在较多的高压设备，吊车吊装会存在一定的安全风险。

3、试验平台进行现场试验准备时，大多仍采用手动调节方式，操作繁琐、费时费力，不仅占用了大部分试验时间，而且存在一定的安全隐患。

综上所述，本项目设计了一种组合式、一体化试验装置，该试验装置既可完成110kV及以下电气主设备和电缆的交流耐压试验，也可实现110kV/80MVA变压器感应耐压和三相局部放电试验。

1.2一体化试验车结构设计

高原型车载式110kV及以下电网主设备一体式局部放电及交流耐压试验装置采用特种改装车辆作为运输载体，将三相变压器感应耐压及无局放试验、电缆耐压试验以及110kV主设备外施耐压试验所需的试验设备完全集成车辆内部。通过车辆配备的机械机构对试验设备进行展开，完全满足110kV及以下电网主设备试验时所需的绝缘距离、机械强度以及散热所需的条件。

试验车采用全封闭式整体结构，将试验所需的三相无局放变频电源、励磁变压器、无局放补偿电抗器、无局放分压器、电缆耐压电抗器、谐振电抗器等设备完全集装于车舱内部。通过滑移展开、扩展外开门等结构方式将高压设备展开至试验状态，解决高电压设备在海拔5000米的试验所需的外绝缘强度要求。

试验车在试验状态时，试验设备与运载车辆等接地体的绝缘强度可满足5000米海拔下满电压使用;运输状态时，其外廓尺寸满足国内公路运输要求，不超限。采用防震、防松设计，运输耐冲击技术，并配套有液压支撑腿，实现车上试验时车辆的稳定性。使用便捷，无需起重设备配合，避免了零散试验设备装卸车、电抗器堆叠等耗时、费力且具有一定安全隐患的重复体力劳动。

此外，为保证试验装置在运输状态和试验状态时的稳定性，其车载平台采用防震、防松设计，车载设备采用耐冲击技术，并配套有液压支撑腿。同时，车载平台采用规范化、隐蔽式布线，所有内部接线均利用环氧管/ABS管在平台底部布置。试验时只需连接供电电缆、地线、高压输出引线即可。

工作过程中，需首先对各试验设备进行自检，以确保各试验设备的有效性。其次，根据现场测试需要确定开展何种测试项目（感应耐压试验、局部放电试验以及主设备交流耐压试验），采用电动控制和液压驱动相结合的方式，将该一体化试验装置全自动展开至相应的试验状态，准备试验。接着，连接该一体化试验装置所需的供电电缆和地线，进行试验装置的整体上电自检，确保试验装置各功能模块的有效性和可用性。最后，待检查无误后，将高压输出引线连接至相应待测试验设备，进行试验。

2局部放电试验装置设计

2.1局部放电原理分析

PD（partial discharge）测试在资产生命周期的所有阶段（如设计、生产、调试、监控/维护和诊断）中成为一个重要工具，在多数情况下综合测量各种局部放电特性可以较客观的评价产品的绝缘水平。本装置可满足110kV/80MVA（低压绕组10kV、6kV）变压器同时开展三相局部放电试验。

变压器的绝缘水平对运行的可靠性有很大的影响。绝缘水平最终取决于变压器的交流耐压值，以及耐压值与各种过电压密切相关。由于变压器中的绝缘体、金属体等常会带有一些尖角、毛刺，致使电荷在电场强度的作用下，会集中于尖角或毛刺的位置上，从而导致变压器局部放电。同时，变压器绝缘体中一般情况下都存在空气间隙，变压器油中也有微量气泡，通常气泡的介电系数要比绝缘体低很多，从而导致了绝缘体中气泡所承受的电场强度要远远高于和其相邻的绝缘材料，很容易达到被击穿的程度，使气泡先发生放电。此外，如果导电体相互之间电气连接不良也容易产生放电情况，该种情况在金属悬浮电位中最为严重。

局部放电对绝缘设备的破坏要经过长期、缓慢的发展过程才能显现。通常情况下局部放电是不会造成绝缘体穿透性击穿的，但是却有可能使机电介质的局部发生损坏。如果局部放电存在的时间过长，在特定的情况下会导致绝缘装置的电气强度下降，对于高压电气设备来讲是一种隐患。

本装置采用脉冲电流检测法对110kV/80MVA（低压绕组10kV、6kV）变压器展开三相局部放电试验。在对局部放电检测的过程中，使用脉冲电流检测法能够将试品中的局放信号进行传输之后进行信号处理分析，通过这种方法能够判断出试品中的信号是否为局部放电信号，进而能够及时对试品进行处理。

脉冲电流检测法检测局部放电源，具有以下五个方面的特点：

第一，脉冲电流检测法具有携带方便，使用方便等优点，在运用其进行实际测量的过程中，能够有效减少外界干扰对其造成的影响，进而在实际的应用过程中，能够对局部放电源进行准确检测。

第二，在使用脉冲电流检测法对试品，如电缆进行实际检测的过程中，可以提高检测效率，在检测的过程中，其能够快速并准确的检测局放信号进行分析。

第三，在整个检测过程中，不需要对检测区域进行断电，可以直接在试品上安装设备对试品进行检测。

第四，在安装传感器设备对试品，如电缆进行检测之后，可以将其安装到电缆的终端上，通过这种方法，能够方便之后对电缆进行检查处理，

第五，在对试品，如电缆安装传感器设备的过程中，可以在电缆线路两端各安装一个，通过这样的方法，能够提高局部放电检测范围，从而提高检测效率。

2.2局部放电试验设计方案

本一体化110kV及以下电网主设备交流耐压及局放试验成套装置，主要由试验车体、控制台、系统保护装置、测试设备以及配电及辅助系统组成。其中，局部放电测试设备主要包括：变频电源、电容分压器、补偿电抗器、励磁变压器和附件（包括供电电缆、均压环等），具体如图1所示。

本装置所含变频电源具有抗電场干扰能力，在强电场干扰下，测量精度与控制保护满足要求;能够保护功能完备，能够满足满负荷条件下的出口短路试验;设有启动、停止和紧急分闸按钮;具有试验时间设定功能，定时时间范围为0～99分钟，计时精度0.1秒;输入、输出端子连接方便可靠，输出端设有并联连接特别标记;主回路同时配置空气断路器和交流接触器;设有电源启动、停止按钮和紧急停止开关;设有升压和降压粗、细调按钮;设有频率粗、细调按钮;设有散热风机相序自动识别和风机方向自动选择功能;设有独立的同步电源，供给局放仪测量局放信号时同步试验频率使用;输入电压保护：当输入电源欠压、不平衡或缺相时，则控制箱内相应的保护电路动作，切断高压输出，并在显示屏上提示报警;过电压保护：可任意整定，当成套装置的输出电压值达到保护整定值时，自动切断输出，并在显示屏上提示报警;短路（过流）保护：当调压器输出短路或输出电流达到保护整定值时，可自动切断输出，并在显示屏上提示报警;零位保护：必须零起升压，否则输出不会启动;掉电保护：当输入电源突然断电时，系统利用电路中剩余电量及时关闭输出信号，确保系统安全关闭;输出电压限制功能保护： 控制箱全隔离操作安全保护：在进行试验时，如出线控制箱及光纤故障，柱式调压器保护部分自动动作，切断输出，保证人身、试品安全。

3交流耐压试验装置设计

交流耐压试验对绝缘的考验是相当严格的，通过这项试验，可以发现很多绝缘缺陷，尤其是对集中性绝缘缺陷的检查更为有效。其可以鉴定电气设备的耐电强度，判断电气设备能否继续运行。交流耐压试验是保证电气设备绝缘水平，避免发生绝缘事故的重要手段。

此外，由于分层介质在交、直流电压下的电压分布是不相同的，交流电压是按介质的电容成反比分布，直流电压是按介质的电阻成正比分布。因此，交流耐压试验符合设备绝缘实际运行情况，能更有效地发现绝缘缺陷。所以说，交流耐压试验在电气设备绝缘的各项试验中，是一项具有决定意义的试验。本装置可满足交流电缆的交流耐压试验以及110kV电气主设备的交流耐压试验。

绝缘现场交流耐压试验是GIS设备完成装配过程在投运前的最重要的交接试验之一，是检验GIS设备内部是否有故障隐患，绝缘性能是否良好的重要性试验。GIS耐压试验时要考虑由于突然击穿对原有部分造成的损坏时应采取的措施，因为在GIS 扩建或增容的间隔部分，不管用串联谐振的接线方法来进行试验还是利用电抗器进行并联补偿的接线方法来试验，都不能保证交流耐压试验电压和母线运行电压在幅值上的绝对一致。在交流耐压试验中，一般有工频耐压试验和变频串联谐振耐压试验。相比而言，变频串联谐振试验采用串联谐振的方式获取试验电压检验被试设备的耐压能力具有如下优势：

1）变频电源输入为工频电压，通过整流逆变输出标准正弦波形的非工频电压，防止了谐波产生的过电压的影响。

2）串联谐振电路在变频电源输出电压频率为谐振频率时，电路中的能量仅消耗于电路的等效电阻，大大降低了所需电源容量。此外，在试验过程中一旦被试设备发生了闪络或绝缘击穿，高电压瞬间消失，因电源容量不大，断路后的初始短路电流值不大且迅速下降为零，降低损害。

3）试验原理简单，需要的设备较少，试验接线方便。

本试验装置工作过程中，首先，400V三相供电电源通过电缆输入至试验用变频电源;其次，变频电源通过交-直-交线性推挽放大电路，将供电电源逆变为频率和幅度均可调整的交流三相/单相电源，共给升压用励磁变压器进行系统谐振激励;接着，采用串联谐振电路拓扑结构，补偿电抗器用于串联谐振回路。然后，电容分压器并联与试品的高压端，用于测量试品端对地之间施加的高压电压值;最后，供电电缆用于系统电源供给，均压环用于高压电压均压及抑制尖端放电。

4 小结

本文所开发的一体化试验装置可分别完成感应耐压试验、局部放电试验以及主设备交流耐压试验;试验装置可实现自动扩展和现场车载试验功能，无需采用吊车吊装，消除了安全隐患;试验装置采用液压、机械化展开和电气化控制，操作简便，有效缩短测试准备时间，试验装置表面无裸露接线，所有线路连接均在车载平台底部隐蔽布线，更加安全可靠。本试验装置可以在高海拔等复杂环境下进行推广使用。

參考文献

[1]翟亮.一起110 kV变电站10 kV间隔跳闸事故分析[J].北京工业职业技术学院学报，2019，18（01）：34-36.

[2] Golenishchev-Kutuzov A V ， Akhmetvaleeva L V ， Enikeeva G R ， et al. Remote testing for defects in service high-voltage insalators[J]. Power engineering research equipment technology， 2020， 22（2）：117-127.

[3] Prombud T ， Yutthagowith P . Development of High-voltage Testing System Based on Power Frequency Converter Used in Partial Discharge Tests of Potential Transformers[J]. Sensors and materials， 2020， 32（2）：573-585.

[4] 吴传奇，陈隽，任劼帅，等.特高压换流变现场阀侧交流外施耐压及局放试验研究[J].高压电器，2019，55（08）：116-122.

[5] 于海，刘威，李清.110 kV交联聚乙烯绝缘电缆耐压试验[J].黑龙江电力，2020，42（04）：334-338.

[6] 郑一博，徐党国，秦逸帆，等.110 kV GIS同频同相交流耐压试验中三工位隔离开关内部电场分布特性[J].中国电力，2020，53（02）：43-48.