周學(xué)明，闞 毅，李籽劍，胡丹暉，黃澤琦，馮志強(qiáng)，張耀東

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢430077；2.湖北方源東力電力科學(xué)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(shè)備之一，其優(yōu)劣程度直接關(guān)系到電力系統(tǒng)的安全，穩(wěn)定運(yùn)行［1-3］。絕緣電阻是表征絕緣子優(yōu)劣程度的一個(gè)重要參數(shù)，良好的絕緣電阻是保證其正常運(yùn)行的重要前提，近幾年新投運(yùn)及掛網(wǎng)運(yùn)行特高壓瓷絕緣子零值問題日漸頻繁，給跨區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行安全帶來隱患［4-6］。根據(jù)《GB/T 50832-2013 1 000 kV系統(tǒng)電氣裝置安裝工程設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，懸式絕緣子交接試驗(yàn)應(yīng)滿足兩方面要求：安裝前應(yīng)采用5 000 V兆歐表測(cè)量每片懸式絕緣子絕緣電阻，不應(yīng)低于500 MΩ；應(yīng)進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)電壓值應(yīng)為60 kV。在安裝前或者必要時(shí)檢測(cè)絕緣子的絕緣性能，確定其滿足規(guī)定的使用要求對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行有重要的意義［7-9］。

目前，對(duì)于特高壓線路絕緣子零值檢測(cè)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(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，對(duì)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(cè)試電壓過低，不能有效測(cè)試出低零值絕緣子［10-12］?，F(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)供電電源不易獲取，60 kV 交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備笨重，不易搬運(yùn)［13-15］。為了實(shí)現(xiàn)大噸位零值或者低值高壓絕緣子現(xiàn)場(chǎng)快速、準(zhǔn)確檢出，急需開展特高壓輸電線路大噸位瓷絕緣子零值測(cè)試方法研究，研制便攜有效的測(cè)試裝置［16-18］。

1 特高壓零值絕緣子檢測(cè)方法試驗(yàn)研究

目前，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)絕緣子零值檢測(cè)的技術(shù)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(zhǔn)確率較低，按照規(guī)程進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，在野外不容易獲取試驗(yàn)電源且耐壓裝置笨重不易運(yùn)輸，考慮采用脈沖高壓下進(jìn)行大噸位絕緣子的絕緣性能檢測(cè)［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(yàn)設(shè)備笨重，不易搬運(yùn)的問題［22-24］。

為驗(yàn)證脈沖高壓法零值絕緣子檢測(cè)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(yàn)法進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)比測(cè)量結(jié)果。特高壓零值絕緣子絕緣電阻表測(cè)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(cè)試接線圖Fig.1 UHV zero-value insulator insulation resistance meter test wiring diagram

按照?qǐng)D1 接線，采用5 000 V 兆歐表（WHDY-4000），在2 500 V、5 000 V 電壓下測(cè)量各個(gè)時(shí)刻的絕緣電阻值。讀取1 s、5 s、15 s、60 s 等時(shí)刻的絕緣電阻值，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 特高壓零值絕緣子絕緣電阻表法試驗(yàn)結(jié)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(cè)試接線如圖2所示。

圖2 特高壓零值絕緣子脈沖高壓法測(cè)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(duì)脈沖電容器（5 μF/50 kV）充電至試驗(yàn)電壓，高壓開關(guān)GK進(jìn)行合/分操作，通過電阻R 將高壓試驗(yàn)脈沖施加到被試絕緣子上端，高壓脈沖寬度由高壓開關(guān)合/分閘間隔決定，試驗(yàn)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(hào)接入示波器［25-27］。

檢測(cè)到如圖3 的脈沖電壓和脈沖電流，求取兩個(gè)信號(hào)的平均值，相除后，得到高壓脈沖下的電阻。設(shè)定高壓脈沖寬度分別為60 ms、100 ms、500 ms、1 s進(jìn)行測(cè)量計(jì)算，結(jié)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(yàn)結(jié)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(yàn)接線圖如圖4所示。

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

用50 kV 交流試驗(yàn)變壓器升壓，在10 kV、20 kV、30 kV、40 kV、50 kV電壓下進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，記錄是否通過耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 特高壓零值絕緣子交流耐壓試驗(yàn)結(jié)果Table 3 AC withstand voltage test results of UHV zero-value insulators

比較表3中數(shù)據(jù)，絕緣電阻表在2 500 V和5 000 V試驗(yàn)電壓下測(cè)量的高值和低值特高壓絕緣子，絕緣電阻都遠(yuǎn)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(cè)量結(jié)果也遠(yuǎn)大于500 M，檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確，脈沖電壓幅值50 kV 條件，低值絕緣子測(cè)量結(jié)果小于250 M，高值絕緣子大于1 G，能夠準(zhǔn)確檢出低值特高壓絕緣子；交流耐壓試驗(yàn)電壓低于40 kV 時(shí)，低值絕緣子也不會(huì)發(fā)生擊穿，不能有效檢出缺陷絕緣子，試驗(yàn)電壓44 kV 時(shí)，低值絕緣子擊穿，高值絕緣子通過耐壓試驗(yàn)，有效檢出缺陷絕緣子［28-30］。

較低的交流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓和脈沖法試驗(yàn)電壓檢出缺陷絕緣子的準(zhǔn)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(yàn)電壓的幅值需要達(dá)到一定的水平，才能有效激發(fā)特高壓低值絕緣子缺陷，實(shí)現(xiàn)正確可靠的檢測(cè)。

不同的高壓脈沖寬度下，測(cè)量的特高壓絕緣子電阻值有一定的變化，需要對(duì)高壓脈沖寬度與絕緣電阻測(cè)試結(jié)果的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)分析，選取合適的試驗(yàn)脈沖寬度，達(dá)到準(zhǔn)確檢測(cè)的目的。試驗(yàn)結(jié)果表明，選取適當(dāng)幅值和寬度的脈沖高壓對(duì)特高壓絕緣子進(jìn)行測(cè)試，可以有效檢出低（零）值絕緣子，代替交流耐壓試驗(yàn)，解決交流耐壓試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)供電電源不易獲取和運(yùn)輸不便的問題。

2 便攜式特高壓零值絕緣子檢測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

2.1 總體要求

1）裝置功能要求

輸出寬度和幅值可調(diào)整的高壓脈沖，對(duì)特高壓絕緣子電阻進(jìn)行測(cè)量；為確保測(cè)試安全，采用藍(lán)牙無線通訊方式控制裝置工作狀態(tài)，啟動(dòng)高壓脈沖輸出和信號(hào)采集；試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通訊傳輸至手持式控制設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和分析判斷。

2）裝置關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)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(shè)置；電壓測(cè)量分辨率：0.1 kV；電壓測(cè)量精度：±（5%+1 個(gè)讀數(shù)）；電流測(cè)量分辨率：0.05 μA；電流測(cè)量精度：±（5%+1個(gè)讀數(shù)）；高值絕緣子測(cè)試次數(shù)：5 000次；供電電源：DC24V。

2.2 裝置總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)零值絕緣子高壓脈沖法檢測(cè)的要求設(shè)計(jì)測(cè)試裝置樣機(jī)，整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 高壓脈沖零值絕緣子檢測(cè)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(cè)裝置分為兩部分，一部分為藍(lán)牙手持設(shè)備，一部分為高壓脈沖試驗(yàn)裝置。藍(lán)牙手持設(shè)備完成無線設(shè)置高壓脈沖寬度、無線啟動(dòng)控制高壓脈沖輸出、無線收集測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果顯示和分析等功能。高壓脈沖試驗(yàn)裝置采用工業(yè)級(jí)微處理器為核心，包括供電電池和電源管理模塊、藍(lán)牙無線通訊接口模塊、信號(hào)脈寬控制和脈沖發(fā)生器模塊、信號(hào)變換和采集模塊，藍(lán)牙手持裝置按照接收的高壓脈沖設(shè)置寬度，完成高壓脈沖輸出和信號(hào)變換及采集，并將結(jié)果上傳。

3 便攜式特高壓零值絕緣子檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)框架

根據(jù)總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)一步細(xì)化，詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。直流電源鋰電池經(jīng)推挽電路逆變整流到第一級(jí)中間直流母線，再將中間直流母線電壓經(jīng)半橋電路逆變成中頻方波電壓，經(jīng)中頻高壓變壓器升壓到中頻高壓，再經(jīng)6倍壓整流，最后輸出直流高壓。處理器通過RELAY1 控制電源導(dǎo)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(dǎo)通時(shí)間從而控制高壓脈沖周期。通過電壓反饋電路1號(hào)來調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制控制器使第一級(jí)直流母線輸出維持恒定。AD 采集部分采集鋰電池電壓檢測(cè)電量變化；采集中間反饋電壓監(jiān)測(cè)第一級(jí)升壓大小；采集高壓反饋電壓檢測(cè)高壓輸；采集采樣電阻電壓監(jiān)測(cè)負(fù)載電流大小。處理器通過藍(lán)牙模塊和手持終端通過藍(lán)牙通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，手持終端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

圖6 詳細(xì)設(shè)計(jì)信號(hào)流程Fig.6 Detailed design signal flow

3.2 脈沖高壓模塊

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

圖7 第一級(jí)升壓電路Fig.7 The first stage boost circuit

在第一級(jí)升壓電路中，通過反饋和高壓輸出程控?fù)Q擋部分，用于調(diào)節(jié)第一級(jí)直流母線電壓輸出。第一級(jí)升壓電路通過帶隔離的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輸出電壓可控可調(diào)，處理模塊控制第一級(jí)升壓的幅值大小，反饋調(diào)壓電路如圖8所示。

圖8 反饋調(diào)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(jīng)高壓包升壓電路升壓到設(shè)定的第二級(jí)中頻電壓，處理模板控制第二級(jí)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(jí)升壓部分，采用半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將直流母線電壓逆變成中頻的方波電壓，第二級(jí)升壓電路將第一級(jí)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(cè)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(jīng)過升壓逆變和倍壓整流處理，并控制升壓幅值和周期產(chǎn)生設(shè)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(hào)和與絕緣子串聯(lián)的采樣電阻兩端電壓信號(hào)；

（4）通過采集的脈沖低壓信號(hào)計(jì)算出絕緣子兩端的實(shí)際電壓；通過采集的采樣電阻兩端電壓信號(hào)，計(jì)算出絕緣子兩端的實(shí)際電流，并通過絕緣子兩端的實(shí)際電壓和實(shí)際電流得到絕緣子絕緣性的測(cè)試結(jié)果。

步驟（4）中的測(cè)試結(jié)果通過通訊模塊發(fā)送至顯示及操控終端進(jìn)行結(jié)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(diào)的脈沖高壓，對(duì)絕緣子電阻進(jìn)行測(cè)量，并能將試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙通訊傳輸至手持式設(shè)備，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示，分析判斷和圖像處理，同時(shí)也可等效交流耐壓試驗(yàn)。此測(cè)試儀體積較小、質(zhì)量較輕、使用簡便等特點(diǎn)，同時(shí)采用可充電鋰電池供電方式攜帶方便，便于野外測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)快捷、廉價(jià)、有效地檢測(cè)劣化瓷絕緣子。檢測(cè)裝置樣機(jī)外觀如圖11所示，檢測(cè)裝置樣機(jī)重量約為2.4 kg，直徑35 mm，高3 800 mm，通過手持平板進(jìn)行操作。

圖11 裝置本體Fig.11 Device body

4 結(jié)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(cè)方法在工程現(xiàn)場(chǎng)受到條件限制，檢測(cè)工作效率低且不易實(shí)施。高壓脈沖檢測(cè)特高壓低值或者零值絕緣子有較高的準(zhǔn)確率，采用高壓脈沖檢測(cè)特高壓零值絕緣子的方法研究和便攜式檢測(cè)裝置研制具有重要的意義。

1）完成的便攜式絕緣子檢測(cè)裝置采用小型化的高壓脈沖試驗(yàn)電源，進(jìn)行了試驗(yàn)電壓幅值和寬度對(duì)測(cè)量結(jié)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(cè)裝置質(zhì)量不大于3 kg，設(shè)備小巧便攜。電壓測(cè)量偏差小于±5%；絕緣電阻測(cè)試范圍0～5 000 M，測(cè)量偏差小于±10%；單次充電可連續(xù)使用5 000次。

2）通過對(duì)比絕緣電阻表和交流耐壓測(cè)試的結(jié)果，研制的便攜式特高壓零值絕緣子檢測(cè)裝置能夠有效判斷零值、低值和高值特高壓絕緣子。檢測(cè)速度快，單片絕緣子檢測(cè)時(shí)間10 s，適應(yīng)大批量特高壓絕緣子現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確、高效檢測(cè)的要求。