探析電力設備的直流高壓試驗

招嘉橋

（廣東創(chuàng)輝電力工程有限公司，廣東 佛山 528000）

1 概述

在電力設備的運行中，絕緣故障占了很大比例，所以在電力設備的檢測中，絕緣的檢測是重中之重。絕緣試驗分為兩種：①在線監(jiān)測；②離線試驗。在線絕緣監(jiān)控中，必須收集絕緣狀態(tài)的資料，并對其進行一定的分析。離線試驗只需在斷電時即可完成，國內的絕緣試驗多以離線試驗為主。因此，為保證高壓設備長期安全、經濟地運行，需要對設備進行一系列的試驗，絕緣試驗是必不可少的，可以分成3 類[1]。

（1）所有原材料試驗。高壓電氣生產廠家、所有原材料、產品定型和出廠前都要進行試驗。檢查新高壓電氣設備是否達到相關技術規(guī)范要求，嚴格控制高壓電氣產品出廠的質量。

（2）設備大修后的絕緣試驗。主要是判斷設備在維修過程中是否有絕緣損壞或性能改變，維修后部件的質量是否與原標準相符。

（3）對于正在運行中的電氣設備，則定期進行例行的預防性試驗。電力設備以電纜的現(xiàn)場試驗為例，最重要的是耐壓試驗。由于電纜線路等被試品的等效電容很大，常規(guī)耐壓設備無法滿足其試驗容量要求，這也是國內外現(xiàn)場試驗的一個共同難題。傳統(tǒng)的一些方法有些是有效的，但也存在一些問題，比如電纜試驗時加直流高壓的方法實踐證明對油紙絕緣的電纜是合適的，但對高電壓等級的橡塑絕緣電纜是有害的[2]。

2 絕緣試驗的方法研究

電力電纜、GIS、大功率電動機等都是電力系統(tǒng)中的關鍵設備，因其容量大，采用50Hz 工頻電壓進行主絕緣的現(xiàn)場試驗，需要大量的試驗變壓器和低壓試驗電源，從而使現(xiàn)場工頻試驗變得十分困難。因此，必須采用其他試驗手段來進行試驗。目前，在現(xiàn)場應用的試驗系統(tǒng)主要有工頻交流試驗系統(tǒng)、直流試驗系統(tǒng)、超低頻試驗系統(tǒng)、振蕩電壓試驗系統(tǒng)等。

2.1 工頻交流試驗系統(tǒng)

工頻高壓試驗設備由電源控制器、調壓器、升壓變壓器、保護球隙等構成。其中，調壓器用于調整工頻試驗電壓的幅度和上升速率，試驗變壓器用于提供被試品所需要的高壓。這種設備在工頻試驗中起到了很大的作用，但是也有其不足之處，比如需要大容量、高電壓的受試品，需要增加調壓器和升壓變壓器的容量，使得這種設備體積龐大，占地面積大，難以搬運，給現(xiàn)場的試驗帶來了極大的不便[3]。

2.2 直流耐壓試驗系統(tǒng)

早期的直流電壓發(fā)生器通常是利用工頻電壓通過高電壓的硅堆整流來實現(xiàn)直流電壓。由于設備體積大，穩(wěn)定性差，紋波系數(shù)大，長期以來一直不被人們所接受。目前只有少數(shù)試驗室自制，在精度要求不高的情況下才能見到。基于工頻整流法，研制出一種工頻倍壓型高壓發(fā)電機。它具有線路簡單、過載能力大、故障率低等優(yōu)點，但由于采用的是工頻倍壓，通常沒有閉環(huán)反饋，因此電壓穩(wěn)定程度不高，保護動作遲緩。

2.3 0.1Hz 超低頻交流耐壓試驗系統(tǒng)

由于直流電壓和交流電壓的等值問題，在進行工頻試驗時，考慮到某些對象的電容較大，因而要求試驗變壓器的體積較大，而造成難以進行現(xiàn)場試驗。在此基礎上，就有了一種基于0.1Hz 的超低頻試驗方法，其電容值與試驗電壓的頻率呈正相關關系，其電容值只有工作頻率下的1/50。這種方法可以極大地減少試驗電源的重量，很適合現(xiàn)場試驗。

目前，超低電壓（0.1Hz）的電壓試驗仍然是交流試驗，建議在中壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的試驗中使用。一方面，本試驗不會使交聯(lián)聚乙烯絕緣體產生空間電荷，使局部電場發(fā)生畸變。另一方面，本試驗可在低壓下檢測出電纜絕緣的老化等缺陷，從而降低了交聯(lián)聚乙烯電纜的絕緣損傷[4]。

2.4 高頻振蕩波（OSI）試驗

高頻振蕩波耐壓試驗法是1990 國際電網大會21.09.1 工作組建議采用的一種新的試驗方法，用于高壓聚乙烯絕緣電力電纜的現(xiàn)場試驗，并可用于常規(guī)的預防性試驗。目前，該技術主要應用在110kV 及以上的高壓電纜上。該高頻振蕩波耐壓試驗的基本原理是：由直流電容器對電容器C1 進行充電，當電荷達到一定幅度時，電容器就會放電，當電流達到一定幅度時，電容器就會停止放電，這時，樣品上的試驗電壓經過電感線圈、被試驗品電纜Cx、電阻器R1、R2構成振蕩放電環(huán)路，由此，在樣品上獲得的電壓為約1kV 的衰減振蕩波電壓。采用高頻振蕩波作電纜鋪設后的交接性試驗或預防性試驗，其優(yōu)點和不足之處如下。

2.4.1 優(yōu)點

該方法更易于在樣品上獲得所需要的高壓，且對現(xiàn)場供電要求低。同時，振蕩波試驗法能更好地檢測出水樹形絕緣缺陷和機械損傷。

2.4.2 缺點

該設備需要高壓電抗器、高壓電容等控制設備，這些設備體積較大，造成現(xiàn)場操作不便。此外，高頻振蕩波試驗方法的有效性不高，在實際應用中，在長電纜線路上很難解決高頻電壓波在長距離傳輸后幅度維持的問題。同時在實際應用中，需要對高頻振蕩波試驗和工頻試驗進行比較。圖1 為耐壓試驗儀，圖2 為直流高壓試驗儀工作原理。

圖1 直流耐壓試驗儀

圖2 直流高壓試驗器工作原理

3 高壓試驗安全設計方法

在高壓試驗中，對安全設計有著特別的要求，其安全性設計的好壞，將直接影響到試驗結果的精確性和工作人員的人身安全。高壓試驗安全設計一般應從接地、防止感應電壓、放電反擊和安全距離等3 個方面進行。

3.1 接地設計

為了確保高壓試驗的精確性和人身安全，高壓試驗應具有良好的接地系統(tǒng)，并具有小于0.5Ω 的接地電阻。在接地系統(tǒng)良好的情況下，六邊形屏蔽試驗室內被視為一等電位體。應接地的高壓試驗裝置及試件外殼應接地，并與被試驗裝置的接觸點進行可靠的金屬連接。試驗室的金屬結構、金屬防護柵欄、采暖水管、工藝循環(huán)水管等都必須與屏蔽接地網緊密相連，并在接點上有顯著的標識。高壓試驗設備、試件及電力分配設備中使用的帶狀接地導線，采用多股編織裸銅絲或外層涂有透明絕緣層的銅軟絞或銅帶。采用特殊的導線夾具將移動式接地線與導線相連接，接地線與接地體之間采用螺栓連接。接地線要盡量短，不能采用纏繞的方法進行接地。將50mm 乘以5mm 的扁鋼接地線和臨時接地栓安置在貫穿試驗室的主電纜溝槽內，用于高壓試驗設備、試驗品和電力分配設備使用的帶式接地線，并將接地排與屏蔽基板網進行多點可靠的電氣連接。在高壓試驗裝置及試件中使用的接地導線，其斷面應符合試驗要求，但不能少于4mm2。用于電力分配設備的承載式接地導線，其截面不能少于25mm2。在高壓試驗中，六邊形法拉第籠兼做避雷器和引出器時，六邊形法拉第籠應與建筑物的地基絕緣，因為六邊屏蔽罩是一個小的接地，而在高電壓試驗中，六邊形屏蔽罩是通過多個接地孔與接地系統(tǒng)相連，所以在試驗完成后，六邊形法拉第籠應在多點接地位置，以達到防雷接地的目的。

3.2 防止感應電壓和放電反擊的措施

在進行高電壓試驗時，相鄰的其他儀表應采取防止感應電的措施，相鄰的其他儀表裝置應短接，接地可靠。在電容器間安裝一套專門的短路接地孔，并將試驗室內的空閑電容裝置進行短路。為了避免在高電壓試驗中受到電磁場的影響和提高電動勢而導致的反沖，試驗室必須采取相應的安全技術措施。試驗室內采用六邊封閉式屏蔽體，便于在試驗室中進行等電位連接。但試驗中放電時，由于六面屏蔽體與建筑物周圍的地電勢存在一定的電勢梯度，所以在進入試驗室的高壓電纜必須用金屬管進行埋設，其長度不得少于15m，并以5m 的間隔與地電極相連接。在六邊形法拉第籠周圍及進出人員時，應采用均勻或隔離等方法，以減少跨步電壓，使接地網均壓環(huán)的外緣封閉，外邊緣形成圓弧。通常在人們進出的地方鋪設瀝青路面，或在地面上安裝兩個“帽檐式”的接地網片。同時，對于重要的電氣、弱電設備，應安裝防放電反擊及感應電壓的防護措施。

3.3 安全距離與絕緣隔離

高壓試驗場地四周要有柵欄，柵格的直徑不得超過50mm（IP10），高度不得小于2m，接地牢固。在圍欄上貼上“止步，高壓危險”的標志。試驗中的高壓導線和試驗裝置的帶電段到柵欄之間的間距都要有一定的安全距離。

4 電力設備高壓試驗的安全管理措施

4.1 做好接地系統(tǒng)的安全管理

良好的接地系統(tǒng)能保障試驗儀器及工作人員的人身安全；同時，試驗室應采用六面屏蔽式等電位器，其外殼、高壓試驗裝置應接地良好，并有可靠的連接檢驗裝置和被試驗儀器的接觸點。試驗室的金屬結構、采暖水管、安全屏蔽柵格等必須與屏蔽接地緊密相連，接地線的橫截面必須符合試驗的要求，并在接點上有顯著的可見標記。用于電力分配設備的接地導線應超過25mm2。在高壓試驗中，為了達到防雷的目的，應將多個接地井與地面系統(tǒng)相連，在試驗完成后，應將接地刀閘閉合，以達到多點接地的目的。

4.2 做好試驗的安全警示工作

在進行高電壓試驗時，必須對試驗地點進行安全警示，并將其設置在試驗地點附近。其次，要有專門的人員來維持試驗場地的秩序。所有的安全警告標志都要貼上，既能給不相干的人一個良好的警示，保障他們的生命安全；同時也能有效的防止外部因素干擾各種試驗的有序進行。

4.3 做好高壓試驗的相關準備工作

隨著社會的發(fā)展，高壓試驗的范圍不斷擴大，試驗的內容也日趨復雜，對試驗環(huán)境的要求也隨之提高，所以在進行相關的高壓試驗時，必須做好相應的準備工作，以確保高壓試驗的順利進行。比如，在高壓試驗之前，要盡可能的詳細，要對試驗環(huán)境、試驗內容、試驗目標進行合理的規(guī)劃。以保證所制訂的試驗方案符合有關規(guī)定并具有可操作性和安全性。另外，在試驗中要充分考慮各種突發(fā)事件，并采取相應的預防措施[5]。

4.4 做好安全監(jiān)督工作

高壓試驗需要根據(jù)相關記錄數(shù)據(jù)來分析電力設備的性能情況，是一項研究性試驗，這就要求工作人員具備相關的專業(yè)知識[6]。在日常試驗過程中，要注重給工作人員傳授相關操作經驗，保證工作人員能夠將理論與實踐相結合，充分掌握試驗操作過流程，同時對于錯誤的試驗操作出現(xiàn)的問題也要找出相關原因，吸取經驗教訓，結合數(shù)據(jù)進行分析，避免類似錯誤重復發(fā)生。相關專業(yè)知識的具備有利于試驗順利開展。

4.5 加強高壓試驗的安全設計工作

在高壓試驗中，最重要的就是安全，這一點絕對不能忽略。在此基礎上，試驗的關鍵是最后的試驗結果，它不僅與試驗本身的安全性息息相關，而且還與試驗的成功與否相關[7]。從這一點就可以看出，試驗設計必須引起極大的關注，要做好各種控制措施，對試驗的各項指標進行清楚的規(guī)定，確保試驗的準確性。

5 結語

總之，直流高壓試驗作為一項技術含量高、技術含量高、涉及面廣的項目，與其他高壓試驗一樣，必須實行科學的現(xiàn)代化管理，以確保高壓試驗工作的順利進行，同時高壓試驗的安全性設計也要考慮全面周到。