直流高壓發生器絕緣電阻綜合測試儀的研制

廣東電網有限責任公司中山供電局 張 寧

1 引言

直流高壓發生器主要用于研究直流靜電以及換流站設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以及進行交、直流電力設備的泄漏電流試驗。直流高壓發生器可以作為其他高壓試驗設備如沖擊電流發生器、振蕩回路等的電源，在做電力試驗的時候，應用的非常廣泛[1-2]。

避雷器是保證電力系統安全運行的重要保護設備之一，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良的非線性和大通流容量而在電網中廣泛使用[3]。定期對金屬氧化物避雷器進行高壓預防性試驗，能夠提早發現其相關缺陷，保證避雷器的正常工作和維護電網的安全穩定運行。現階段，避雷器的預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，試驗流程存在重復接線，限制了試驗效率，也存在一定的作業風險。目前針對中山地區的相關試驗流程具體存在以下三點不足。

1.1 試驗需多次接換線

根據規程要求，避雷器預試包括絕緣電阻和直流泄漏電流試驗，中山供電局10kV避雷器數量接近5000個，年平均預試量為1000個，預試工作量大。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，同一個避雷器預試需至少4次爬梯進行試驗接線（接線和拆線），重復爬梯作業存在一定的高空作業風險。

1.3 儀器需重復搬運

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生器，試驗需重復搬運和放置儀器。

因此，基于上述避雷器預試工作存在的主要問題，急需研發一套可以實現兩種測試于一身的綜合測試設備，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防性試驗而提出，目的是設計開發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，優化了試驗流程，提高了試驗效率，降低作業風險。

2 絕緣電阻測試

2.1 絕緣電阻及特性

在絕緣物質兩端加直流電壓，在電壓的作用下，介質內部發生極化過程，總會有電流流過。在加壓一段時間后，極化過程慢慢結束，流過電介質的某一時刻的全部合成電流之和對應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，是指絕緣上所加的直流電壓U與泄露電流I之間的比值。

當絕緣物質兩端加上直流電壓后，絕緣介質內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的外形與尺寸、材質、構造以及外加電壓的高低有關，和介質的絕緣性沒有關聯。

2.1.2 吸收電流

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

2.1.3 泄露電流

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

流經絕緣材料的總三個電流以及絕緣電阻的試驗測試值與測量時間是緊密相關的，而實際上，絕緣電阻也受到環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，內部的電子和離子產生劇烈運動；二是內部的水分在常溫狀態下與其他介質結合非常緊密。所以絕緣電阻的阻值會隨溫度以接近指數曲線關系隨之變動。在對在對設備的預防性維護計劃中，絕緣電阻試驗應該在相近的溫度條件下進行，如果無法符合此要求，則應以相對于參考溫度的相關運算，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圖如圖1所示，給出了K系數與金屬氧化物避雷器的繞組溫度關系。

圖1 絕緣電阻的溫度校正系數圖

濕度對絕緣電阻的影響主要表現在：空氣的各類污穢物中的可溶的導電物質會溶解在潮濕的空氣，形成一層導電層，導致絕緣性能的下降。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生的，在干燥環境中測試時，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產生的電勢。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均應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小（微安或毫安級）；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

相應的對于10kV氧化物避雷器規程規定如下：35kV以下電壓等級，應采用2500V兆歐表，絕緣電阻不應小于1000MΩ；基座絕緣電阻不應低于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，預防性試驗包含對其耐壓和泄露電流的測試，測試內容包含：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，為企業增加利潤，進而提高企業的核心競爭力。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、有效的成本管理措施，在確保瀝青路面施工質量的前提下，減少成本支出，最終推進施工單位的不斷發展。

在啟動高壓發生器后，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定，這一電流與氧化物避雷器的壽命有直接關系，一般在同一溫度下，此電流與壽命成反比。

參照于規程規定應滿足以下要求：

金屬氧化物避雷器對應直流參考電流下的直流參考電壓，整支或分節進行的測試值，不應低于現行國家標準《交流無間隙金屬氧化物避雷器》GB11032規定值，并應符合產品技術條件的規定。實測值與制造廠實測值比較，其允許偏差應為±5%。

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

試驗時若整流回路中的紋波系數大于1.5%時，應加裝濾波電容器，可為0.01uF-0.1uF，試驗電壓應在高壓側測量。

4 直流高壓發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，目標設計開發了一套輕型化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防性試驗項目（絕緣電阻試驗、直流泄漏電流試驗），創新了試驗操作，優化了試驗流程，顯著地提高了作業效率，降低了作業風險。

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，設計開發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、數據采樣模塊、數據轉換模塊、數字調壓模塊、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換為直流電壓，電容組可以改善輸出電壓的脈動系數。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，完成各數量級電流的測量，電流分辨率應滿足0.1μA，測量精度應滿足±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，可選擇FPGA、DSP或單片機實現裝置的控制流傳輸、應答和數據測量、轉換、計算、處理和傳輸等。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、接線轉換等功能，完成各類電壓、電流的測量并對試驗結果進行相應的計算和處理，實現試驗自動化開展和各類異常狀態的檢測、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

裝置具有測量數據顯示和操作控制等功能，其中數據顯示可根據要求顯示相應的位數，操作控制需具有試驗項目選擇功能，并根據試驗項目做定制化的操控設計。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節應具有“粗調”和“細調”兩種電壓調節功能，調壓進度應調節精度應小于額定電壓的1%，以適應各環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防性試驗項目，提出了裝置所需滿足的若干技術指標如表1所示，其中技術關鍵點包含以下四點。

表1 裝置應滿足的技術指標

輸出電壓需穩定：裝置需穩定輸出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%以保證試驗數據的準確性。

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

電源容量需足夠：裝置電源應可至少穩定輸出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，保證試驗結果的準確性。

裝置使用需穩定：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，裝置必須保持穩定性以滿足現場試驗的要求。

綜上，本設計研發的輕型化綜合試驗裝置，可以實現一次搬運、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，創新了試驗操作方法，優化試驗流程，具有很廣闊的應用前景。