固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

邢作霞，樊金鵬，葛維春，楊長(zhǎng)龍，顏 寧

固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

邢作霞1，樊金鵬1，葛維春2，楊長(zhǎng)龍3，顏 寧1

（1. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870；2. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110004；3. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司沈陽(yáng)供電公司，遼寧 沈陽(yáng) 110042）

結(jié)合實(shí)際應(yīng)用和教學(xué)實(shí)踐需求，針對(duì)固體電制熱儲(chǔ)熱裝置的絕緣測(cè)試問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了一種固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)加熱測(cè)試設(shè)備和加壓測(cè)試設(shè)備實(shí)現(xiàn)了固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試的高溫高壓環(huán)境模擬與絕緣檢測(cè)。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能完善，可操作性強(qiáng)，能滿足學(xué)生的研究實(shí)踐，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)踐認(rèn)知有重要作用。

固體電制熱儲(chǔ)熱裝置；高溫高壓；絕緣測(cè)試；教學(xué)實(shí)踐

固體電制熱儲(chǔ)熱是近年來(lái)新興的一種清潔供暖方式，由于可以利用風(fēng)電或谷電進(jìn)行儲(chǔ)熱供暖，因此具有優(yōu)秀的清潔能源消納能力和輔助電網(wǎng)調(diào)峰能力，并且在我國(guó)北方得到了廣泛應(yīng)用[1]。為了進(jìn)一步提高儲(chǔ)熱容量，固體電制熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱溫度和使用電壓等級(jí)被不斷提升[2]。高溫絕緣套管和加熱電阻絲作為固體電制熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)的主要高壓設(shè)備，為滿足逐步提升的儲(chǔ)熱要求，也進(jìn)行了不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)。與此同時(shí)，固體電制熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)的絕緣測(cè)試卻沒(méi)有可靠的測(cè)試平臺(tái)，常規(guī)測(cè)試方法與固體電制熱儲(chǔ)熱系統(tǒng)的實(shí)際工作環(huán)境相差很大[3]，容易產(chǎn)生檢測(cè)誤差。為提高固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試的可信度和創(chuàng)造一個(gè)可供學(xué)生進(jìn)行高溫高壓絕緣測(cè)試實(shí)踐的條件，開(kāi)發(fā)了一種固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能完善，可操作性強(qiáng)，測(cè)試方便，能完全模擬固體電制熱儲(chǔ)熱裝置的實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣的可靠測(cè)試。

1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由加熱測(cè)試設(shè)備和加壓測(cè)試設(shè)備兩部分組成。加熱測(cè)試設(shè)備通過(guò)外部加熱器對(duì)儲(chǔ)熱室進(jìn)行加熱，使套管和加熱電阻絲達(dá)到高溫測(cè)試條件。加壓測(cè)試設(shè)備對(duì)套管電極施加測(cè)試電壓，使其滿足高壓測(cè)試條件。

固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的加熱測(cè)試設(shè)備布置見(jiàn)圖1。絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，瓷套管為被測(cè)試套管，通過(guò)絕緣支撐、絕緣支柱和底座實(shí)現(xiàn)對(duì)地絕緣和支撐。加熱電阻絲嵌入由儲(chǔ)熱磚所砌筑成的結(jié)構(gòu)體內(nèi)，并按測(cè)試要求首尾相連，構(gòu)成儲(chǔ)熱結(jié)構(gòu)體。外部加熱器接入電源后，通過(guò)風(fēng)機(jī)、擋風(fēng)板和循環(huán)風(fēng)道使儲(chǔ)熱室內(nèi)的空氣產(chǎn)生循環(huán)流通，使儲(chǔ)熱室內(nèi)的設(shè)備均勻升溫。為防止熱量耗散，儲(chǔ)熱室外墻設(shè)有保溫墻進(jìn)行保溫。儲(chǔ)熱室的實(shí)時(shí)溫度由測(cè)溫?zé)犭娕紲y(cè)量[4]，當(dāng)溫度達(dá)到測(cè)試溫度后，切斷外部加熱器電源，并進(jìn)行高壓絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試時(shí)，墻體及瓷套管法蘭需通過(guò)接地線可靠接地[5]。

圖1 加熱測(cè)試設(shè)備布置

加壓測(cè)試設(shè)備電路見(jiàn)圖2，其中T表示實(shí)驗(yàn)變壓器，V表示峰值電壓表，CD1、CD2為電容分壓器，T0為瓷套管試品。實(shí)驗(yàn)變壓器接入電源，經(jīng)變壓后輸出工頻測(cè)試電壓，并施加在電容分壓器和試品兩端[6]。通過(guò)電容分壓器分壓，將高電壓變?yōu)榭蓽y(cè)量的低電壓，由峰值電壓表采集電壓信息。

圖2 加壓測(cè)試設(shè)備電路

圖3為固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)相對(duì)地、相間絕緣測(cè)試原理，分別測(cè)量高溫絕緣套管和加熱電阻絲的相對(duì)地、相間絕緣。測(cè)試高溫套管的相對(duì)地絕緣時(shí)，需斷開(kāi)高溫電極，對(duì)套管接線端子施加工頻測(cè)試電壓。測(cè)試套管相間絕緣時(shí)(如BC相絕緣)，需斷開(kāi)高溫電極，在B相連接測(cè)試電源，C相接地。加熱電阻絲絕緣測(cè)試同上，但需連接高溫電極。上述絕緣測(cè)時(shí)，墻體均需接地。

圖3 相對(duì)地、相間絕緣測(cè)試原理圖

加壓測(cè)試設(shè)備的布置見(jiàn)圖 4。工頻高壓實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)為測(cè)量和調(diào)壓設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量電壓值，當(dāng)試品發(fā)生擊穿或閃絡(luò)時(shí)，過(guò)流繼電器將自動(dòng)動(dòng)作，切除電源，說(shuō)明測(cè)試未通過(guò)。工頻無(wú)暈實(shí)驗(yàn)變壓器和電容分壓器在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以保證不發(fā)生局部放電，降低實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差[7]。此外，工頻無(wú)暈實(shí)驗(yàn)變壓器、電容分壓器、工頻高壓實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)可靠接地。

圖4 加壓測(cè)試設(shè)備布置

2 測(cè)試實(shí)物平臺(tái)

圖5為固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)物平臺(tái)，測(cè)試試品為耐高溫絕緣瓷套管，可耐受電壓66 kV、高溫1100 ℃。根據(jù)國(guó)標(biāo)GBT 4109-2008，1 min工頻耐壓測(cè)試電壓為160 kV。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DB21∕T2018-2012，儲(chǔ)熱裝置內(nèi)1 min工頻耐壓實(shí)驗(yàn)測(cè)試電壓為133 kV。

圖5 固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)物平臺(tái)

固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)物平臺(tái)中的絕緣支柱為高壓陶瓷絕緣支柱，絕緣支撐為MZ-92型鎂基氧化物，與儲(chǔ)熱磚材質(zhì)相同，具有可靠絕緣能力[8]。外部加熱器額定電壓220 V，額定功率10 kW，加熱電阻絲選用鐵鉻鋁電熱合金；保溫墻選用珍珠棉為填充材料，高溫電極為不銹鋼。

圖6為加壓測(cè)試設(shè)備實(shí)物平臺(tái)，其中電容分壓器電容為3000 pF，額定電壓400 kV。工頻無(wú)暈實(shí)驗(yàn)變壓器輸入電壓380 V，輸出電壓160 kV。工頻高壓實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)額定電壓220 V，具有調(diào)壓、測(cè)量、保護(hù)、合閘、計(jì)時(shí)、報(bào)警等功能。

圖6 加壓測(cè)試設(shè)備實(shí)物平臺(tái)

3 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)操作方法

本文以66 kV固體電制熱儲(chǔ)熱裝置高溫絕緣套管的絕緣測(cè)試為例，介紹測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的操作方法。為滿足高溫絕緣套管工作環(huán)境要求，要求通過(guò)加熱測(cè)試設(shè)備和加壓測(cè)試設(shè)備使瓷套管達(dá)到700 ℃高溫和160 kV高壓。其具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1）按照測(cè)試要求接線，測(cè)量環(huán)境及設(shè)備的不確定度，測(cè)量固體儲(chǔ)熱電源接引套管試品介質(zhì)損耗因數(shù)、電容量和局部放電量，檢查高溫套管是否發(fā)生損傷[9]；

（2）將外部加熱器接入220 V電源，對(duì)儲(chǔ)熱室進(jìn)行加熱，觀察測(cè)溫?zé)犭娕妓鶞y(cè)量實(shí)時(shí)溫度是否達(dá)到700℃；溫度達(dá)到700 ℃后，斷開(kāi)外部加熱器電源；

（3）在高溫絕緣套管的接線端子施加160 kV工頻電壓，75%實(shí)驗(yàn)電壓前可自由升壓，75%實(shí)驗(yàn)電壓后均勻升壓，直至實(shí)驗(yàn)電壓[10]；

（4）持續(xù)施加工頻電壓1 min，觀察是否發(fā)生閃絡(luò)或擊穿，如果沒(méi)有出現(xiàn)閃絡(luò)或擊穿則認(rèn)為套管通過(guò)了實(shí)驗(yàn)，如果出現(xiàn)一次閃絡(luò)，則實(shí)驗(yàn)應(yīng)再重復(fù)一次，如在重復(fù)實(shí)驗(yàn)時(shí)未出現(xiàn)閃絡(luò)或擊穿，則認(rèn)為通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，否則不通過(guò)。

圖7為測(cè)試程序。

圖7 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測(cè)試程序

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)教學(xué)應(yīng)用

依托本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以進(jìn)行認(rèn)知實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x、兆歐表、局部放電檢測(cè)儀等一系列絕緣測(cè)試儀器操作實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試操作實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行團(tuán)隊(duì)協(xié)作實(shí)驗(yàn)。

依據(jù)固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試步驟，在進(jìn)行絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)前需測(cè)量環(huán)境及設(shè)備的不確定度，通過(guò)不確定測(cè)量，學(xué)生可以掌握相關(guān)測(cè)試儀器的使用方法，學(xué)習(xí)不確定度的計(jì)算方法，直觀了解不確定度的實(shí)際意義[11]。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)結(jié)果不確定度低于5%的條件下，環(huán)境溫度和濕度的測(cè)量誤差分別在±0.6 ℃和±2.6% RH內(nèi)。局部放電測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)放電量小于20 pC時(shí)，測(cè)量誤差為±1.5 pC；放電量在20~50 pC時(shí)，測(cè)量誤差為±2.0 pC；放電量大于50 pC時(shí)，測(cè)量誤差為±14 pC。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果不確定度低于5%的條件下，無(wú)線電干擾電壓測(cè)量系統(tǒng)、電壓測(cè)量系統(tǒng)和沖擊電壓波形時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)誤差分別為±0.6 dB、0.42%和1.5%。

固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)前還需對(duì)瓷套管試品絕緣電阻值、介質(zhì)損耗因數(shù)和局部放電量等參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。選用2500 V兆歐表測(cè)量瓷套管絕緣電阻，將兆歐表的兩個(gè)端子分別接在套管的引出電極和法蘭上進(jìn)行測(cè)量，所測(cè)絕緣電阻值不應(yīng)小于1000 MΩ。瓷套管的介質(zhì)損耗角正切值和電容值可通過(guò)介質(zhì)損耗測(cè)量?jī)x測(cè)得，要求介質(zhì)損耗角正切值不大于2%，電容值與出廠值相比偏差不超過(guò)±5%。瓷套管局部放電量由局部放電檢測(cè)儀測(cè)量，其值不應(yīng)大于3 pC。若上述測(cè)試均通過(guò)，證明套管無(wú)損傷[12]。

固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試的實(shí)驗(yàn)操作分為加熱操作和加壓操作兩部分。按測(cè)試要求接線后，開(kāi)啟熱電偶測(cè)溫儀和外部加熱器。待測(cè)溫儀顯示溫度達(dá)到700 ℃后，關(guān)閉電源；開(kāi)始調(diào)節(jié)工頻高壓實(shí)驗(yàn)控制臺(tái)快速升壓至75%實(shí)驗(yàn)電壓，75%實(shí)驗(yàn)電壓后均勻升壓至實(shí)驗(yàn)電壓，持續(xù)該電壓1 min，觀察有無(wú)閃絡(luò)或擊穿發(fā)生；時(shí)間到后，將電壓降為0 V，斷開(kāi)電源，并掛接地線，對(duì)套管放電。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

固體電制熱儲(chǔ)熱裝置絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有可操作性強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、實(shí)驗(yàn)效果直觀的特點(diǎn)。該絕緣測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能模擬固體電制熱儲(chǔ)熱裝置的實(shí)際工況，學(xué)生利用該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)踐多種絕緣測(cè)試儀器，提高團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)各種高溫高壓絕緣測(cè)試及各種絕緣放電現(xiàn)象的直觀認(rèn)識(shí)。

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Development of insulation test platform for solid electric heat storage device

XING Zuoxia1, FAN Jinpeng1, GE Weichun2, YANG Changlong3, YAN Ning1

(1. School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870, China; 2. State Grid Electric Power Co., Ltd., Shenyang 110004, China; 3. Shenyang Electric Power Supply Company, State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd., Shenyang 110042, China)

According to the practical application and teaching practice, an experimental platform for insulation test of solid electrical heating and heat storage device is developed to solve the insulation testing problem of solid electrical heating and heat storage device. High temperature and high pressure environment simulation and insulation detection for insulation test of solid electric heating and storage device are realized by heating test equipment and pressure test equipment. The experimental platform has perfect functions and strong operability, which can satisfy students’ research practice and play an important role in improving their practical awareness.

solid electric heat storage device; high temperature and high pressure; insulation test; teaching practice

TM925.6；G484

A

1002-4956(2019)09-0069-04

2019-01-09

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2015BAA01B00）；國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（2018ZX-03）

邢作霞（1976—），女，河南新鄉(xiāng)，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)轱L(fēng)力發(fā)電技術(shù)及智能電網(wǎng)。

E-mail: xingzuox@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.018