直流高压发生器绝缘电阻综合测试仪的研制

广东电网有限责任公司中山供电局 张 宁

1 引言

直流高压发生器主要用于研究直流静电以及换流站设备和绝缘材料在直流高压下的绝缘强度、直流输电线路电晕和离子流及其效应以及进行交、直流电力设备的泄漏电流试验。直流高压发生器可以作为其他高压试验设备如冲击电流发生器、振荡回路等的电源，在做电力试验的时候，应用的非常广泛[1-2]。

避雷器是保证电力系统安全运行的重要保护设备之一，主要用于限制由线路传来的雷电过电压或操作过电压。其中，金属氧化物避雷器因其具有优良的非线性和大通流容量而在电网中广泛使用[3]。定期对金属氧化物避雷器进行高压预防性试验，能够提早发现其相关缺陷，保证避雷器的正常工作和维护电网的安全稳定运行。现阶段，避雷器的预防性试验主要包含了绝缘电阻和直流泄露电流两大试验，而二者开展由于仪器选择不同但接线方式一致等原因，试验流程存在重复接线，限制了试验效率，也存在一定的作业风险。目前针对中山地区的相关试验流程具体存在以下三点不足。

1.1 试验需多次接换线

根据规程要求，避雷器预试包括绝缘电阻和直流泄漏电流试验，中山供电局10kV避雷器数量接近5000个，年平均预试量为1000个，预试工作量大。绝缘电阻测试和直流泄漏电流测试试验接线方式基本一致，而试验要求在直流泄漏电流试验前后分别开展一次绝缘电阻试验，目前两项试验采用不同仪器而需要分别接线开展试验，因此整个试验过程多次接换线操作。

1.2 接换线需多次爬梯

由于主变10kV低压侧避雷器和部分电容间隔的避雷器的安装位置较高，需要爬梯进行试验接线，同一个避雷器预试需至少4次爬梯进行试验接线（接线和拆线），重复爬梯作业存在一定的高空作业风险。

1.3 仪器需重复搬运

由于前述两项试验需分别使用绝缘电阻测试仪和直流高压发生器，试验需重复搬运和放置仪器。

因此，基于上述避雷器预试工作存在的主要问题，急需研发一套可以实现两种测试于一身的综合测试设备，除了保证测试安全外，还要保证测试精度满足试验要求。本文基于某10kV金属氧化物避雷器预防性试验而提出，目的是设计开发一套轻型化避雷器综合测试仪。该装置集成了绝缘电阻测量功能和直流泄露电流测量功能，仅需一次试验接线即可完成避雷器所有停电试验项目，避免了大量的爬梯作业，优化了试验流程，提高了试验效率，降低作业风险。

2 绝缘电阻测试

2.1 绝缘电阻及特性

在绝缘物质两端加直流电压，在电压的作用下，介质内部发生极化过程，总会有电流流过。在加压一段时间后，极化过程慢慢结束，流过电介质的某一时刻的全部合成电流之和对应的电阻成为绝缘电阻[4-5]。绝缘电阻是判定绝缘材料绝缘性能的依据，是指绝缘上所加的直流电压U与泄露电流I之间的比值。

当绝缘物质两端加上直流电压后，绝缘介质内部的电流有以下三种。

2.1.1 电容电流

试验的加压瞬间，电容充电电流即对被测绝缘材料的电容量充电。这个瞬时电流开始时相对较大，但如被测材料充电完毕后，会以曲线速度快速衰减至接近于零。一般在几秒或十几秒后，电容电流相对于总电流来说，即可忽略不计，并且电容电流的高低和绝缘介质的外形与尺寸、材质、构造以及外加电压的高低有关，和介质的绝缘性没有关联。

2.1.2 吸收电流

由于介质内部偶极子极化，绝缘介质不均匀，加压过程中多层介质界面间的电荷发生移动和积累，产生了吸收电流。吸收电流表征了绝缘介质的极度松弛极化，显示了该类介质的老化以及潮湿等。且衰减速度与电容电流相比来说，要慢很多，有时需要数分钟后才能降到接近于零的数值。

2.1.3 泄露电流

体电导电流和表面漏电流组成了绝缘介质的泄露电流，它不随时间改变，是一个恒定量，表征了绝缘材料的质量特性。

流经绝缘材料的总三个电流以及绝缘电阻的试验测试值与测量时间是紧密相关的，而实际上，绝缘电阻也受到环境因素以及外界干扰的影响，具体影响如下。

2.1.4 温度的影响

温度是影响金属氧化物避雷器绝缘性能的关键因素之一。通常情况下，随着温度的升高绝缘电阻呈下降趋势[6]。其原因包含两面：一是由于温度升高，内部的电子和离子产生剧烈运动；二是内部的水分在常温状态下与其他介质结合非常紧密。所以绝缘电阻的阻值会随温度以接近指数曲线关系随之变动。在对在对设备的预防性维护计划中，绝缘电阻试验应该在相近的温度条件下进行，如果无法符合此要求，则应以相对于参考温度的相关运算，来修正测量值。具体的对金属氧化物避雷器试验的温度校正系数图如图1所示，给出了K系数与金属氧化物避雷器的绕组温度关系。

图1 绝缘电阻的温度校正系数图

湿度对绝缘电阻的影响主要表现在：空气的各类污秽物中的可溶的导电物质会溶解在潮湿的空气，形成一层导电层，导致绝缘性能的下降。所以主要取决于绝缘电阻表面的脏污程度。一定要注意的是，当温度降至露点以下时，绝不可进行绝缘电阻的测量。

2.1.6 外界干扰影响

高绝缘材料加上直流电压后，通过试样的电流是很微小的，极易受到外界干扰的影响，造成较大的测试误差。热电势、接触电势一般很小，可以忽略；电解电势主要是潮湿试样与不同金属接触产生的，在干燥环境中测试时，可以消除电解电势。

因此，外界干扰主要是杂散电流的耦合或静电感应产生的电势。在测试电流小于10-10A或测量电阻超过1011Ω时；被测试样、测试电极和测试系统均应采取严格的屏蔽措施，消除外界干扰带来的影响。

2.2 金属氧化物避雷器绝缘电阻的测量

金属氧化物避雷器是现用普及较多的避雷器，具有良好保护性能。利用氧化锌良好的非线性伏安特性，在正常工作电压时流过避雷器的电流极小（微安或毫安级）；当过电压作用时，电阻急剧下降，泄放过电压的能量，达到保护的效果。如图2这种避雷器和传统的避雷器的差异是它没有放电间隙，利用氧化锌的非线性特性起到泄流和开断的作用。

图2 氧化锌避雷器的非线性特性

针对金属氧化物避雷器的预防性试验的绝缘电阻测试接线原理如下图3、图4所示，分别为避雷器的绝缘电阻和避雷器基座绝缘电阻测试原理接线图。其中，将10kV金属氧化物避雷器的高压端接在“L”端子上，“E”是接金属氧化物避雷器的接地段，“G”用来接屏蔽段。

图3 避雷器绝缘电阻测试接线原理图

图4 避雷器基座绝缘电阻测试接线

相应的对于10kV氧化物避雷器规程规定如下：35kV以下电压等级，应采用2500V兆欧表，绝缘电阻不应小于1000MΩ；基座绝缘电阻不应低于5MΩ。

3 耐压和泄露电流的测试

为确保金属氧化物避雷器的安全运行，预防性试验包含对其耐压和泄露电流的测试，测试内容包含：直流1mA下的临界动作电圧U1mA及0.75U1mA直流电压下的泄露电流。试验的接线原理如图5所示，需要用到的是直流高压发生器以及微安表。

图5 直流泄露电流试验原理图

具体的试验要求如下：

沥青路面的施工成本控制是施工管理中的一项重要组成部分。对沥青路面的施工成本进行控制，可以有效减少施工单位的成本支出，为企业增加利润，进而提高企业的核心竞争力。因此，沥青路面的施工过程中，必须对施工成本的控制引起高度重视，加强对成本控制措施的分析与研究，制定科学、有效的成本管理措施，在确保沥青路面施工质量的前提下，减少成本支出，最终推进施工单位的不断发展。

在启动高压发生器后，先均匀升压，避免造成电流的剧烈波动，待微安表上的电流显示为1mA时，读取其电压值，即为1mA时的临界动作电压U1mA，测量氧化物避雷器的U1mA主要是检查阀片是否受潮、老化，确定其动作性能是否符合要求，直流1mA参考电压一般等于或大于避雷器额定电压的峰值。

在按下0.75U1mA按钮，读取微安表上面的电流值即为0.75U1mA直流电压下泄露电流值。由于0.75U1mA直流电压值一般比最大相电压峰值要高一些，因此，测量此电压下的泄露电流主要是检测长期允许工作电流是否符合规定，这一电流与氧化物避雷器的寿命有直接关系，一般在同一温度下，此电流与寿命成反比。

参照于规程规定应满足以下要求：

金属氧化物避雷器对应直流参考电流下的直流参考电压，整支或分节进行的测试值，不应低于现行国家标准《交流无间隙金属氧化物避雷器》GB11032规定值，并应符合产品技术条件的规定。实测值与制造厂实测值比较，其允许偏差应为±5%。

0.75倍直流电流参考电压下的泄漏电流值不应大于50uA，或符合产品技术条件的规定。750kV电压等级的金属氧化物避雷器应测试1mA和3mA下的直流参考电压值，测试值应符合产品技术条件的规定；0.75倍直流参考电压下的泄漏电流值不应大于65uA，尚应符合产品技术条件的规定。

试验时若整流回路中的纹波系数大于1.5%时，应加装滤波电容器，可为0.01uF-0.1uF，试验电压应在高压侧测量。

4 直流高压发生器绝缘电阻综合测试仪

针对目前避雷器高压试验存在的问题，基于10kV金属氧化物避雷器试验而提出，目标设计开发了一套轻型化10kV避雷器综合测试仪，通过本装置可以一次性完成避雷器预防性试验项目（绝缘电阻试验、直流泄漏电流试验），创新了试验操作，优化了试验流程，显著地提高了作业效率，降低了作业风险。

由上述的绝缘电阻试验和直流泄漏电流试验原理可知，两项试验原理基本一致，且其试验接线也基本一致，仅试验电压不同，因此通过一台直流试验装置，完成直流电压输出和直流电流测量，即可同时完成两项试验。由此，设计开发的避雷器综合试验装置主要由直流电压输出模块、电流测量模块、控制与处理模块、电源模块和人机交互模块组成。

4.1 直流电压输出模块

直流高压发生器绝缘电阻综合测试仪的直流电压输出模块原理图如图6所示，包含倍压整流模块、数据采样模块、数据转换模块、数字调压模块、CPU和LCD液晶显示模块，其直流电压输出电路首先接入220V交流电压，通过自耦调压器T将电压升高，再通过五倍电压整流电路，将电压放大五倍并将交流电压转换为直流电压，电容组可以改善输出电压的脉动系数。整个模块输出电压精度±2%的，直流纹波±1.0%,输出电压范围为0-30kV。

图6 直流电压输出模块原理

4.2 电流测量模块

电流测量模块测试流过金属氧化物避雷器的泄露电流，基于1mA时的临界动作电压U1mA，测量0.75U1mA对应的泄露电流值，覆盖了μA级到mA级，通过各个量程的电流互感器配合或小电阻测量技术，完成各数量级电流的测量，电流分辨率应满足0.1μA，测量精度应满足±1.0%；对于绝缘电阻，覆盖0-100GΩ，其测量精度满足±5%的要求。

4.3 控制与处理模块

控制与处理模块为微机系统，可选择FPGA、DSP或单片机实现装置的控制流传输、应答和数据测量、转换、计算、处理和传输等。控制与处理模块作为装置核心，接收人机交互模块的指令，完成试验选择、电压输出、电流测量、接线转换等功能，完成各类电压、电流的测量并对试验结果进行相应的计算和处理，实现试验自动化开展和各类异常状态的检测、报警等。

4.4 电源模块

电源模块分别给高压电路部分和低压电路部分提供独立电源，满足各模块的工作要求。而且，电源需具有足够容量，保证稳定输出电流满足3mA的要求。

4.5 人机交互模块

装置具有测量数据显示和操作控制等功能，其中数据显示可根据要求显示相应的位数，操作控制需具有试验项目选择功能，并根据试验项目做定制化的操控设计。对于绝缘电阻试验，可直接选定并自动加压至试验电压，直接测量避雷器及其底座的绝缘电阻值；对于直流泄漏电流试验，应具有自动试验和手动试验两种试验方式，其中手动试验的电压调节应具有“粗调”和“细调”两种电压调节功能，调压进度应调节精度应小于额定电压的1%，以适应各环境下避雷器泄漏电流试验的要求。

为保证10kV避雷器综合测试仪能够独立一次性高效完成避雷器预防性试验项目，提出了装置所需满足的若干技术指标如表1所示，其中技术关键点包含以下四点。

表1 装置应满足的技术指标

输出电压需稳定：装置需稳定输出kV级、10kV级和20kV级的直流电压，最大输出电压为直流30kV，输出精度±2%的要求，直流纹波±1.0%以保证试验数据的准确性。

测量电流需精确：试验需测量μA级-mA级的直流泄漏电流值，测量精度应满足±1.0%的要求，对于绝缘电阻而言，其测量范围应覆盖0-100GΩ，其测量精度应满足±5%的要求。

电源容量需足够：装置电源应可至少稳定输出3mA直流电流，以满足绝缘电阻试验和直流泄漏电流试验的要求，保证试验结果的准确性。

装置使用需稳定：绝缘电阻试验和直流泄漏电流试验加压时间均较长，其中绝缘电阻试验需稳定加压1分钟，而直流泄漏电流试验需加压至试验电压也需要分钟级别的加压时间，加压过程中，装置必须保持稳定性以满足现场试验的要求。

综上，本设计研发的轻型化综合试验装置，可以实现一次搬运、一次接线的一体化绝缘电阻和直流泄露电流试验，有效减少试验工作量，创新了试验操作方法，优化试验流程，具有很广阔的应用前景。