交流工频耐压试验

2024-07-14

交流工频耐压试验（精选4篇）

交流工频耐压试验篇1

1 引言

电力设备在运行中,其绝缘强度长期受电场、温度和机械振动的作用,会逐渐发生劣化,形成绝缘缺陷。工频交流耐压试验就是对电力设备施加一定的电压,并保持一定时间,以考察电力设备绝缘承受各种电压的能力[1]。工频交流耐压试验的电压、波形、频率和在电力设备绝缘内部电压的分布均符合实际运行情况,因此能有效地发现电气设备存在的绝缘缺陷,是检验电力设备绝缘承受各种过电压能力最严格、最有效的方法,是保证设备安全运行的重要手段。其他的试验方法,如绝缘电阻试验、吸收比试验、泄漏电流和直流耐压试验以及介质损失角正切值tgδ测量试验等,虽然也能发现很多绝缘缺陷,但因其试验电压低于被试品的工作电压,往往对一些绝缘缺陷不能及时发现[2]。因此,工频交流耐压试验可在上述试验均合格后进行。如在这些试验中已查明有绝缘缺陷,则应设法消除,并重新试验合格后进行工频交流耐压试验,以免在工频交流耐压试验过程中,发生绝缘击穿,使绝缘缺陷扩大,检修时间延长,增加检修的工作量。

工频交流耐压试验会使被试品原来存在的绝缘水平降低(但又不至于在耐压时击穿),使绝缘耐受强度逐渐衰减,形成绝缘内部劣化的积累效应。试验电压越高,发现绝缘缺陷的有效性越高,但被试品被击穿的可能性越大,积累效应也越严重。反之,试验电压低,则不能有效发现设备潜在的绝缘缺陷,增加了设备在运行中击穿的可能性。绝缘击穿电压值不但与所加电压有关,而且还与加压的持续时间有关,尤以有机绝缘特别明显,其击穿电压随加压时间的增加而逐渐下降。因此,必须正确选择试验电压和耐压时间。国家根据各种设备的绝缘材质和可能遭受的过电压倍数,规定了相应的试验电压和时间标准。现有标准规定耐压时间为1min,一方面是为了便于观察被试品的情况,使有弱点的绝缘能够暴露,特别是固体绝缘发生热击穿需要一定的时间;另一方面又不至于因时间过长而引起不应有的击穿[3]。

鉴于工频耐压试验在电气设备质量鉴定中的重要地位,相应的工频耐压试验设备的性能成为质量鉴定的成败关键。本文研究的全自动工频耐压试验设备满足新时期试验要求,对现代化工频耐压试验具有重要现实意义。

2 工频耐压试验设备现状和发展趋势

传统工频耐压成套设备采用调压器和升压变压器产生试验电压,指针式电压表或数字电压表显示试验电压值,过电流继电器对试验全过程自动检测,若泄漏电流超过整定值,则自动切断高压输出,并有指示灯和报警器同时进行“超漏”报警。试验持续时间由数显时间继电器显示。若规定时间到,且没有出现击穿故障,指示灯显示“正常”,并有铃声报讯。工作原理图如图1所示。

目前国内制造行业所使用的各类工频耐压试验设备多为自耦调压器(或移卷调压器)手工调压,或由同步电机带动自耦调压器(或移卷调压器)的半自动升压方式[4]。击穿报警电流只能在非常有限的几个电流点上设置,仪器仅根据泄漏电流是否超过所设置的报警电流对被试验电机做合格或不合格判断,而对于击穿(或泄漏)电流值的实际大小并不测试。相对而言,这种方式工作强度大,工作效率偏低,而且只能从有限的几个报警电流限值中选取相应电流作为报警电流上限值,人为因素影响大,测试结果不直观,测试精度低,且安全度不高。

为了适应新的工程需要,急需开发出新型的自动化程度高、测试准确、使用方便的工频耐压测试设备。针对这一需求,近年来出现了各种以单片机为核心的新型全自动工频耐压试验设备,以满足现代试验要求,且可以通过软硬件的升级,增加各种功能[5]。

3 自动工频耐压试验设备

自动耐压试验设备所需主要元器件包括微机、调压器、变压器、A/D转换芯片、D/A转换芯片、通讯接口等。

微机是自动耐压测试系统的核心,可选择的范围十分广泛,如8031、89C51、PII400等,具体选择要看电路选择的其它元器件的要求。

高压试验变压器有额定功率要求,高压绕组输出电压值高,且高压输出电流也有数值的要求,一般为0.1~0.5A,此外,高压绕组还有一端接地、持续工作时间短的特点。

调压器应能从零开始平滑地调节电压,以满足试验所需要的任意电压。调压器的输出波形,应尽可能地接近正弦波,容量也应满足试验变压器的要求,通常与试验变压器容量相同。如试验变压器工作时间较短,调压器的容量可略小些。在目前的市场上,使用最为广泛的调压器为自耦调压器和移卷调压器。

3.1 一种自动工频耐压试验设备的方案设计

1)手动和全自动工作方式兼容,手动方式和自动方式两者相互独立又相互联系。手动控制台完全保留了传统控制台的所有功能,可以手动升压、降压及微调试验电压,能完成基本工频试验。全自动方式时可根据耐压试验要求自动完成所有试验项目,以提高工作效率,减轻工作强度。

2)每次高压输出自动从零开始上升,电压输出范围设定为500~3000V,10V步进;泄漏电流报警值设定为1~500mA,1mA步进。测试过程中升压、加载、检测等环节均由仪器自动控制,试验电压及泄漏电流值同时显示。

3)采用步进电机控制的自耦调压器控制试验电压的上升。

4)配备串行通讯接口与上位机通讯,可方便地与其它参数测试仪器一起构成电机检测自动测试系统。

3.2 一种自动工频耐压试验设备系统的设计

3.2.1 硬件设计

3.2.1. 1 手动控制台

为了防止计算机故障和一些特殊的需要,保留了手动控制台,但和传统的控制台不同,其控制信号与微机并联,微机停止工作时可单独工作,两者相互独立又相互联系。手动控制台完全保留了传统控制台的所有功能,设有自动计时元件、自动微调电压元件、二次分压电路、过流过压保护电路,可以手动升压降压及微调试验电压,能完成基本工频试验。

3.2.1. 2 主要元件

1)微处理器

微处理器是系统的心脏,担负着采集、处理、控制等功能。本方案微控系统采用的是89C51,进行控制测量工作。

2)步进电机

步进电机驱动自耦调压器在本系统中起着举足轻重的作用,通过单片机输出的控制信号自动控制步进电机运行,达到控制试验电压按设定值自动上升的目的。

3)A/D芯片的选择

A/D转换在系统中起着关键作用,是闭环控制系统不可缺的部分。本系统对采集的精度和稳定性要求较高,故采用AD574模数转换芯片[6]。

4)232卡的使用

步进电机自耦调压器使用RS-232口通讯。该通讯只使用两根信号线,靠两根信号线之间的电压差来传输信号。

5)看门狗电路

若单片机运行失控,则将单片机复位,保证单片机的正常运行。

根据设计指导思想设计全自动工频耐压试验系统如图2所示。

单片机89C51作为整个系统的控制中心,步进电机自耦调压器输出电压经升压变压器升压后作为试验电压,其大小与送给自耦调压器的参考电压VREF成正比,调节VREF即可控制试验电压的大小。VREF由D/A转换器的输出电压经隔离放大器隔离后给出。试验电压及被试对象的泄漏电流分别经由电压互感器VT和电流互感器CT检出送至耐压测试仪的输入通道,再经放大滤波及精密整流后,送给A/D转换器转换成数字信号由单片机处理。试验电压的大小以电压互感器检出的实际值为准。试验电压及报警电流限值均由面板上的拨码开关预先设置。RS-232通讯接口负责与上位机之间的通讯。

3.2.2 软件设计

软件主程序流程设计如图3所示。

在开机进行必要的初始化后,单片机通过扩展接口读入面板上拨码开关设定的试验电压及泄漏电流报警限值,并进行相应数制转换。在对键盘的扫描过程中,判断测试键是否按下,若有测试键按下,则置位测试标志。测试标志位除了可测试键置位外,自动测试状态下由上位机发来的测试指令也可置位测试标志位。因而在键盘扫描判断与测试程序之间插入一条测试标志位判断。

进入测试程序后,首先试升压。在试升压阶段,通过边升压边检测的方法,保证步进电机自耦调压器给出的试验电压值与面板设定值之间误差不大于1%。然后接入被试产品,检测被试产品在试验电压下的泄漏电流,并将检测结果与设定报警电流限值比较,根据比较结果决定是否应报警。测试结束后,关闭步进电机自耦调压器,显示测试结果。

图4是串行口中断服务程序流程图。进入串行口中断服务程序后,首先判别上位机发出的指令。若是开始测试,则置位测试标志。这样在退出中断服务程序返回到主程序之后,就可以根据测试标志而进入测试程序。若串行口发来的指令为回送数据,则将上次测试结果转换成协议规定的数据格式传回给上位机。

出于抗干扰的考虑,在软件编排上,充分使用指令冗余方法及设置软件陷阱,以提高操作的可靠性。在程序一旦逸飞之后,可利用陷阱进行拦截,并引导至程序入口处。软件方法与看门狗电路相配合,确保仪器不会长期处于失控状态。

4 结束语

本文剖析了传统工频耐压试验设备的优劣。在此基础上,提出了满足现代自动化要求的新型工频耐压试验设备的设计方案,并重点介绍了其工作原理及软硬件设计。

本设计方案具有自动化程度高、测试准确、使用方便等优点,必将得到广泛应用。

参考文献

[1]季培良.工频耐压试验问题的探讨[J].江苏电器,2000(3):47.

[2]贺以燕.工频高压试验设备的现状及其发展(上)[J].变压器,1994(5):32.

[3]贺以燕.工频高压试验设备的现状及其发展(下)[J].变压器,1994(6):51.

[4]蔡根明.试谈耐压试验判断[J].上海计量测试,1995,22(3):36.

[5]黎兵才.如何对电力设备进行工频交流耐压试验[J].农村电气化,2002(5):39.

[6]许世芬,黄树波.用PIC单片机制作的时间继电器[J].电子世界,2004(5):30-32.

交流工频耐压试验篇2

北京城北500kV 变电站GIS 系统的交流耐压试验刘铁成,程金梁,刘凯乐

(北京送变电公司,北京市,102401 [摘要]城北500kV 变电站GIS 系统的交流耐压试验,根据GIS 设备结构复杂、间隔数量众多、整体电容

量较大等特点,合理选择了耐压设备组合方式来满足试验容量的要求,并采用了母线连同GCB 单元整体加压的方法。既圆满完成了试验,又最大程度减少了试品的加压次数,从而降低了对试品的绝缘损坏。[关键词] 500kV 变电站GIS 交流耐压试验中图分类号:TM63文献标识码:B 文章编号:1000-7229(200611-0008-03 收稿日期:2006-09-20 作者简介:刘铁成(1976-,男,从事高电压试验工作。1工程概况

北京城北变电站本期建设2台1200MVA 的主变,500kV 进线2回,220kV 出线8回。变电站 500kV 系统为内桥接线方式,220kV 系统为双母

线双分段接线方式,桥断路器及分段断路器均断开运行。

城北变电站的220kV 系统、500kV 系统均使用了平高东芝公司生产的GIS 设备,按照交接试验要求,需对全站的GIS 系统进行交流耐压试验。城北变电站的GIS 系统规模较大,220kV 系统包括18个电气间隔,500kV 系统包括3个电气间隔,电磁式电压互感器(PT 内置于罐体内。本次交流耐压试验要附带电压互感器一起进行,这就要求在耐压过程中除考虑GIS 的耐压标准外,还需避免PT 发生谐振,导致铁芯饱和,从而损害被试品本体。所以,交流耐压试验的频率要控制在一定范围内,需要制定一个科学、完备、安全的交流耐压试验方案。

2GIS 系统交流耐压试验方案的确立 2.1GIS 系统交流耐压试验标准

按照《电气装置安装工程电气设备交接试验标

准》(GB50150—91、《气体绝缘金属封闭开关设备现场交接试验规程》(DL/T 618—1997、《华北电网有限公司电力设备交接和预防性试验规程》的要求,编制试验方案。GIS 常规试验项目包括主回路电阻测量、GIS 元件调试、SF 6气体微水含量和检漏试验等。交流耐压试验应在被试设备的常规试验全部结束,且试验合格后进行。

2.2GIS 系统交流耐压试验流程

GIS 现场交流耐压试验的第1阶段是老练净化,其目的是清除GIS 内部可能存在的导电微粒或

非导电微粒。老练净化可使导电微粒移动到低电场区或微粒陷阱中,并烧蚀电极表面的毛刺,使其对绝缘没有危害作用。老练净化电压值应低于耐压试验电压值,时间可取15min。第2阶段是耐压试验,即在老练净化过程结束后进行耐压试验,时间为1min。

AC Voltage-withstand Test of GIS System at North Beijing 500kV Substation LIU Tie-cheng,CHENG Jin-liang,LIU Kai-le

(Beijing Transmission and Distribution Company,Beijing City,102401 [Abstract ] The AC voltage-w ithstand test of GIS system at north Beijing 500kV substation is characterized by complex structures of GIS equipment, many number of compartment and big capacity of integral capacitance.So it is necessary to select rationally the combination of the voltage-withstanding devices to meet the requirements for the test.A compression method applied on the bus with the integral GCB unit was adopted,which has completed the test and reduced the compression numbers on the samples to the maximum extent.As a result,the insulation damage on the samples was reduced.[Keywords ] 500kV substation;GIS;AC voltage-withstand test 电力建设

Electric Power Construction 第27卷第11期2006年11月 Vol.27No.11 Nov,2006 8 第11期・・

B 1—— —

调压器;B 2———激励变压器;U R ———有功损耗的等效电阻;C

1、C 2——— 电容分压器高、低压臂电容;C X ———被试品;V ———

电压表;F ———熔丝;U L ———电抗器。交流耐压试验的流程:试验准备→空升试验→耐压前绝缘电阻测试→交流耐压试验→耐压后绝缘电阻测试→后期工作。

2.3GIS 系统交流耐压试验设备

采用CHX(U-f-4000kVA/800kV 型调频式串联谐振耐压试验装置,其输出电压最高可达到800kV ,输出电流5A。该设备的基本原理如图1所示,在RLC 串联回路中,当感抗与试品容抗相等时,电抗

中的磁场能量与试品电容中的电场能量相补偿,试品所需的无功功率全部由电抗器供给,电源只供给回路的有功损耗。此时,电路的cos φ=1,即电源电压与谐振回路电流同相位,电感上的电压与电容上的压降大小相等,相位相反,即ωL= ωC

。当回路中L、C 参数固定时,调节电源的频率等于回路谐振频率时,即f=1 2πLC ",可产生谐振,此时: Uc=I 1ωC =I ωL

则品质因数:Q= Uc U 1=I ωL IR =ωL R 设备主要技术参数:电源输入380V ±10%三相,50Hz;额定试验容量4000kVA;谐振电压0~ 800kV;频率调节范围30~300Hz;频率调节分辨率

0.01Hz;波形畸变率不大于1%;电抗器Q 值≥70;电抗器电感量100H/节,共4节;分压器4节串联分压比为2000/1。

2.4GIS 系统交流耐压试验方案2.4.1 交流耐压试验加压过程

试验程序由现场试验人员编制,经制造厂和用户同意后,确定采用图2的加压方案。

2.4.2交流耐压试验方案的设计

交流耐压试验电压值U t 按《华北电网有限公司

电力设备交接和预防性试验规程》的要求,最终确定为:220kV 系统耐压值为356kV ,500kV 系统耐

压值为612kV。试验采用调频法,在50%的试验电压以下进行谐振点调节,GIS 组合电器频率应控制在30~300Hz。考虑到PT 耐压试验时对频率的要求比较特殊,根据城北变电站使用PT 的特点,将耐压频率确定在以下范围:220kV 系统为120~300Hz , 500kV 系统为60~300Hz。

在交流耐压试验过程中,试验电压应施加到每相导体和外壳之间,可以每次一相加压,一相加压时其他相的导体应与接地的外壳相连。试验电源可接到被试相导体任一部位。试验程序的设计原则上应使每个部件都至少施加1次试验电压,同时必须尽可能减少固体绝缘的重复试验次数。

2.4.3 220kV GIS 系统交流耐压试验方案的确定现场实测220kV GIS 系统相关数据如下: 电容量:GCB 单元700pF/相,母线40pF/m ,母线PT 250pF/只,线路PT 200pF/只。

PT 分布:A 相———

母线PT 2只、线路PT 4只;B 相———母线PT 2只;C 相———母线PT 2只。城北变电站220kV GIS 系统共有14个GCB 单元,若按照常规试验方法,对GCB 单元逐个进行耐

压试验,不但耗时耗力,而且要对母线多次加压。交流耐压试验属于破坏性试验,对试品反复加压会对其绝缘造成损伤,所以耐压方案必须尽可能减少加压次数。

根据现有设备的容量,我们采取如下加压方式(以A 相为例,B、C 相参照A 相方法进行:(1以GIS 设备一端的1号主变进线为加压端,将4号母线上的所有主刀合闸、地刀分闸,5号母线上的所有主刀分闸、地刀合闸;靠近1号主变进线的

7个GCB 单元断路器合闸;B、C 相从其他出线侧接地。这样4号母线、1号主变进线及7个GCB 单元

能够耐受电压。

(2以GIS 设备另一端的2号主变进线为加压端,将5号母线上的所有主刀合闸、地刀分闸,4号母线上的所有主刀分闸、地刀合闸;靠近2号主变进线的7个GCB 单元断路器合闸;B、C 相从其他出线侧接地。这样5号母线、2号主变进线及7个GCB 单元能够耐受电压。

图1串联谐振交流耐压原理图图2交流耐压试验加压过程

北京城北500kV 变电站GIS 系统的交流耐压试验 9 第27卷电力建设・・

线用量(使变电站的总长度和管母线长度都缩小了 12m ,经济性较高。间隔宽度变为12m 后,我们进

行了电气距离的校验。

出线相间距满足手册中间隔宽度为12m 时的最小相间距(3750mm 和相对地距离(2250mm ,悬垂串相间距为3m ,满足设备最小相间距,可见增加出线悬垂串后,边相的对地距离满足要求,同时也减小了导线的风摆。

2.3.3主变的布置

主变压器2组1200MVA 主变压器布置。采用

单相变压器,每相容量400MVA ,变压器单列排列,变压器间设置防火墙,主变出口处采用管母线,减小了纵向尺寸。(我们考虑过本站采用单台三相变压器的型式,因为采用三相变压器的一大特点是节约占地。但是就本站而言,其横向距离主要由220kV GIS 设备控制,所以三相变压器减少占地,节约投资的特点在本站不明显。

2.3.4电气总平面布置的确定

电气总平面的布置是在各级电压配电装置布置

优化的基础上进行组合。结合总图专业的要求,使之在电气布置上合理,进出线顺畅、功能分区明确,所区总平面规整,工程总投资经济。本变电站的电气总平面布置如图2所示。

3小结

该变电站地处北京市近郊,土地资源珍贵,而 GIS 设备在供电可靠性和节约土地方面优势明显, 故500,200kV 均采用GIS 设备,节省占地2.44hm 2。220kV 配电装置每个间隔按照12m 设置,比原来敞开式布置缩小1m ,既能在电气距离上满足要求,又节省了占地和GIS 设备的封闭管母线用量,经济性较

高。该变电站主变低压侧选择66kV 电压等级,既保证今后扩建方便及配电装置的可靠性,又节省了投资。

(责任编辑:马明表1 220kV GIS 系统交流耐压试验结果

注:使用激励变输出电压10kV 抽头,电抗器两串两并,加装均压环,试验电压356kV。

表2500kV GIS 系统交流耐压试验结果

选择上述加压方法可以分相6次完成整个系统的耐压工作,而且实现了所有试验部分仅承受1次加压,最大程度地减少了对其绝缘的损伤。

2.4.4500kV GIS 系统交流耐压方案的确定

现场实测500kV GIS 系统相关数据如下:电容量:GCB 单元330pF/相,母线50pF/m ,母

线PT 700pF/只,线路PT 700pF/只。PT 分布:A 相———

母线PT 2只、线路PT 2只;B 相———母线PT 2只;C 相———母线PT 2只。GCB 单元共3个。

根据现有设备的容量,我们采取如下加压方式:

从任一套管处加压,每次耐压一相。所有GCB 单元和主隔离刀处于合闸状态,所有地刀处于分闸状态,分3次进行。按这样的方案能够顺利完成交流耐压试验。

3GIS 系统交流耐压试验的实施和结果

方案制定完成后进入最后实施阶段。在试验前,我们考虑到现场试验电晕损耗较大的问题,有针对性地对耐压设备进行了改进,包括:修缮了部分变形的均压环,选用了直径300mm 的高压引线来代替原有引线,完善操作台保护系统等,为试验顺利进行

做了充分的准备工作。试验于2006年5月26、27日进行,试验结果见表1、2。

这次交流耐压试验均一次通过,升压过程中没有发生放电和闪络现象,且试验数据在被试品允许范围内,所以GIS 系统交流耐压顺利通过。

(责任编辑:李汉才

相别频率/Hz 调压器输出电压/V 调压器输出电流/A 输入电流/A A 122.5928011020 B 137.0326010515C 137.25 265 109 17 相别频率/Hz 调压器输出电压/V 调压器输出电流/A 输入电流/A A 84.0828013835

交流工频耐压试验篇3

关键词：XLPE（交联聚乙烯）；电流现场；试验时间；交流耐压

中图分类号：TM247 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2013）14-0099-02

自20世纪80年代以来，我国对XLPE电缆直流耐压试验缺陷进行了研究，如果不能正确模拟世纪状况生成空间电荷，就会让水树枝直接变为电树枝，进而让交联聚乙烯电缆出现记忆效应，甚至存储在单极性电荷中。对于上述情况不仅不能正确检验出XPLE电缆缺陷，甚至还会出现XLPE电缆被击穿的现象。因此，从20世纪80年代后期开始，很多电力部门开始对交联聚乙烯电缆进行交流试验，20世纪90年代我国也开始这项研究工作。目前，我国很多电力部门已经禁止对交联聚乙烯电缆进行直流耐压试验。广义上的交流试验包括：振荡波、0.1 Hz的超低频VLF、交流耐压试验法等。由于设施限制，超低频VLF虽然在低压电缆中有应用，但是仍然不能完全应用到高压电缆中。振荡波法也由于等效作用影响，仍然处于研究过程，应用的比较少。

1 110 kV及以上交流耐压试验频率和电压选择

1.1 110 kV及以上交流耐压试验频率

在电力系统中，交流耐压频率作为相对独立的参数，和时间、电压的相关性比较小。在电流耐压试验频率中，虽然也有不同的观点，但是仍然集中在工频区域、较宽的频率范围和临近工频的区域。在理论上，工频区域的交流耐压试验最满足实际应用的电压分布，也最为合理，由于相关试验设备限制，科学合理的工频频率在电力系统试验现场仍然有很大困难。

针对上述情况，国内外学者也曾经大规模研究过用其他频率代替工频有效性，在不同的交流频率中，通过测量损坏程度一致，并且有绝缘缺陷的击穿电压样品，得出不同频率下找出绝缘缺陷的概率。经过大量科学数据以及实验结果表明，在很宽的频率区域内部，绝缘体内部介质的电压电流分布仍然相同，在典型的电缆缺陷击穿中，击穿电压也没有过多的差异。尤其是ISH 99伦敦会议中，相关论文得出了不同的波形和频率下的电压击穿试验结果。

根据上述试验结论，考虑到电力现场试验是工业试验的范畴，影响因素很多，所以不可能绝对的严格，因此在交流耐压试验中，一般选择频率较宽的范围。当整个工程实验频率大于300 Hz时，随着频率增大，串联试验变压器和谐振电抗器的损耗程度就会降低。由于被试验样品电容性质发热极化的问题突出，所以选用大于300 Gz的试验频率是不可取的。目前我国普遍使用的是：IEC60627、IEC60840與国际通用的GB50150-2006推荐的20～300 Hz的频率区域。

1.2 交流耐压电压试验选择

在110 kV及以上的交流耐压试验中，耐压时间和试验电压选择具有很大的关联性。通过正常绝缘电缆使用周期方法，利用二维韦伯进行试验时间、电压、概率三者击穿关系表示。在这过程中，F表示电缆击穿概率，E表示电场强度，t表示试验时间，a、b、c分别为绝缘材料、缺陷性质、电缆尺寸等相关常数，并且和r、E没有太大关联。具体的公式为：F（t，E）=1-exp（-ctaEb）。

从击穿公式中可以看出，如果击穿概率一定，E和t就以反比关系呈现，试验电压和E以正比关系呈现。相关研究表明：由于质量缺陷引入，通常会在1～2 a的运行电压中出现故障，因而在竣工后的现场交流电压中，为了能让试验时间满足击穿概率，让各个缺陷及时暴露，并且试验电压始终高于正在运行电压。在实际工作中，一般会习惯性选择KU0的额定电压，对于110 kV等级的K，一般选择1.7～2.0，对于220 kV或者以上的XLPE电缆，由于整个绝缘裕度逐渐降低，所以在质量控制中，和110 kV的XLPE电缆相比更加严格。所以就有了随着电压等级升高，K会随之减小的结论。

2 110 kV及以上的交流耐压试验时间探讨

缩短时间、提高电压作为考核电气设施绝缘能力的主要方法，一旦试验电压的绝缘能力确定后，施加电压的时间就会成为考核不同种类的电气设备绝缘水平最有效、最直接的参量。对于交联聚乙烯电缆，近年来国内外技术人员针对这种技术进行了研究，并且已经积累了很多工作经验，但是也存在很多问题，需要进一步考证研究。从20世纪80年代后期开始，CIGRE、IEC逐渐推出了XLPE电缆交流耐压试验标准。在早期试验中，试验时间被定为5 min，结果表明：5 min的试验时间得到的缺陷效果仍然不太明显，所以后来将标准延长到1 h。

我国电力部门在20世纪90年代后期也逐渐开始了XLPE电缆交流耐压试验检验，并且国内电力部门陆续制定了各自的试验标准。但是目前国内实行的标准在试验时间上仍然存在很多争论，绝大部分选择了1 h或者5 min，但是也有少数选择30 min。

根据原有的固体介质击穿理论，常见的固体介质击穿有：热、电、电化学击穿三种情况。由于三种击穿形式发展时间不同，所以电压作用、固体介质之间的关系和不同击穿生成的范围不尽相同。

根据电子击穿理论，传导电子通常由电场得到，通过晶格电离能量得到电子崩，当其发展到足够强大时，固体介质就会被击穿。在这过程中，电击穿的作用时间相对较短，并且电场均匀程度和击穿场强具有直接联系，热击穿一般由介质发热引起。当电场作用在固体介质时，介质就会出现损耗发热，进而介质温度升高，介质电阻具有温度系数的现象，由于温度升高，所以电阻值就会降小，在电流增大的同时，损耗增加。因此，同一时间的介质热量超过发热热量时，介质温度也会不断增加，进而出现介质碳化、分解，直到介质被击穿。电击穿比热击穿需要的时间段，电化学击穿在由树枝化、局部放电造成的局部缺陷，进而在介质劣化的过程中被击穿，所需的时间更长。

对于XLPE电缆安装、运输，引入的缺陷主要包括：接头制作工艺不好、接地不良、划伤绝缘、绝缘嵌入半导电以及绝缘吸潮等。在现场交流试验中，为了将缺陷在试验时间内展现，很多电力单位已经将经验技术集中在一个小时和5 min。在国内国际报道中，已经多次报道了XLPE电缆通过5 min交流耐压的试验，但是经常在搬运后就出现事故。

3 结语

110 kV及以上电压等级XLPE电缆现场交流耐压试验作为一项长期统计和探索的问题，从目前的使用情况来看，60 min是比较合理的，不能再延长。

参考文献：

[1] 王超，张丽涛.110 kV电力电缆串联谐振交流耐压试验分析[J].电气制造，2012，（1）：58-59.

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[3] 王学锦，黄友滔，戴瑞海，等.采用串联谐振对110 kV交联电缆进行交流高电压耐压试验[J].医药工程设计，2008，（3）：60-62.

交流工频耐压试验篇4

在电力系统、电力设备制造企业、研究机构、高等学校等单位需要进行大量的工频耐压试验,尤其是高电压实验室里面进行相关的试验和研究。目前,工频耐压试验大都采用手动方式控制电源的分合闸以及电压的升降。操作比较麻烦,且缺乏安全方面的考虑[1]。近些年来,出现了一些自动化装置,例如基于数据采集卡的工频耐压试验装置[2]。本文以单片机为核心开发了计算机控制的新型工频耐压测控系统,具有很好的通用性,且可方便实现多种终端控制。随着电子技术的迅猛发展,以单片机为核心的微机自动测控系统逐步取代了常规试验设备。本文旨在开发集成度较高且智能化的仪器,以提高试验的可靠性和安全性。该系统采用AVR系列单片机中功能较强的ATmega128,该芯片具有比较丰富的片上资源,其内部集成了128 KB的FLASH存储器、4 KB的E2PROM、53个可编程I/O口和8路10位A/D转换通道,用于供电系统测控时,可以省去扩展程序存储器和A/D转换器,也可以把终端的采集数据存储到单片机本身的E2PROM中,使测控系统结构紧凑,速度更快、功能更强、可靠性更高、造价也更低[3,4]。在该系统的设计中还引入了虚拟仪器技术,可以方便地实现数据采集、分析、处理、管理、图形化显示等功能。而单片机和LabVIEW只需通过串口通信连接起来就可以正常的工作[5,6]。

1 系统总体功能及设计思路

1.1 总体功能

系统的总体结构如图1所示。

系统具备以下功能:

(1) 多种调压方式。例如:通过鼠标或键盘控制步进升压和降压,自动升至预置电压、电压自动归零等;

(2) 电压、电流检测与显示。实时监测试验电压、电流大小并在LabVIEW虚拟电表上显示;

(3) 耐压计时。进行耐压试验时可以自由设定耐压时间,由 LabVIEW进行倒计时控制,耐压时间到后有语音提示,系统立即记录耐受电压幅值,之后调压器自动回零;

(4) 分合闸。为保障人身安全,提高操作的便捷性,将电磁继电器接入到升压控制台继电器中,可以实现对总电源的开闭控制;

(5) 语音提示和报警。正常操作时语音提示当前的试验操作以及对应的状态。若用户进行了违反高压试验的操作规程,系统能进行语音警告。

1.2 设计思路

LabVIEW是一种基于图形语言的开发工具,能便捷地开发出实用美观的界面,AVR单片机能够灵活地实现底层控制和测量功能。该系统将二者的优势有机结合起来。同时,辅以电机、采样环节等必要的外围电路,使系统设计功能得以实现。在系统的控制上,电机控制是核心,为精确控制旋转式自耦变压器转角进而实现电压大小的调节,选用大转矩的步进电机,由单片机精确控制步进电机正反转步数实现电压的升降调节,通过多次试验根据实际情况选择合适转速以保证整个系统的安全稳定运行。在电压、电流采样环节中,利用精密传感器将待测交流电压、电流转换成微弱电流,放大后经有效值芯片处理,滤波后再由单片机片内A/D采集。在试验电源分合闸控制中,单片机I/O信号经过驱动电路控制继电器的开合,继电器控制交流接触器控制线圈的通断,从而实现试验电源的分合闸。电源带电状态通过小型变压器,经降压、整流转换成直流高低电平,可通过单片机I/O口进行检测。

2 系统硬件设计

2.1 数据采集

测量过程是通过互感器将待测AC电压、电流转换为电流信号,然后利用运算放大器转换成大小合适的电压信号,经过有效值转换电路后由单片机片内A/D采集(见图2)。

以电压采集过程为例给予说明如下:

系统对电压的采集点位于调压器的输出端,其输出电压的范围为0～250 V,在保证精确性的前提下,为尽量减小采样电路对后续电路的影响,选用了输入/输出电流为毫安级的精密电压互感器。接着,利用运放和阻容等元件组成的I/V变换电路将电流信号线性地转换成直流电压信号。考虑到单片机A/D的片内基准源电压为2.56 V,为增大A/D转换精度,应使放大后的电压Vo3最高值接近2.56 V。故在必要情况下可根据需要加入运算放大电路,此处加入同相比例放大电路,是因为其输入阻抗很高,使电路网络级联带来的影响最低。由于高压试验过程中流过较大的工频电流,会产生很强的电磁干扰,使得传递给单片机A/D口的电压信号含有纹波噪声,故本设计在软件上采用了滑动中值滤波[7],硬件上加入有源滤波电路,从而保证了A/D采样的精度。试验过程中经过示波器观测,纹波中含有二倍工频、幅值8%(直流电压偏移)的低频噪声和幅值3%的高频(大于10 kHz)噪声。针对这个问题,系统引入有源低通滤波电路,从实际滤波效果来看,滤除了90%的噪声,大大提高了采样精度。有源滤波电路的引入,尤其是电容的加入理论上会增加信号采集时间和降低采样的实时性。采用专用的有效值转换芯片AD637对放大后的电压信号进行有效值转换,避免了繁琐的FFT运算,大大简化了单片机程序,而且硬件电路也不是很复杂。AD637属于高准确度的单片真有效值-直流转换器,测量误差小于等于±(2%×读数±0.5 mV),能计算任何复杂波形的真有效值、平均值、均方值、绝对值。其输入端具有过压保护功能,不容易烧坏,电源电压范围宽,规定为±3～±18 V,输入阻抗高,输出阻抗高[8]。

最后,把有效值输出口直接连接到单片机的ADC端口进行实时检测和实时读取。

2.2 电机驱动与控制

步进电机可以作为一种控制用的特种电机,利用其没有积累误差(精度为100%)的特点,广泛应用于各种开环控制[9]。该系统选用的是宁波鄞州飞宏精密电机有限公司的23HD002-1型号电机,扭矩为1.8 N·m。在转动过程中考虑到力矩平衡:

$Μ = F \cdot D (1)$

通过实际测量该系统所采用的调压器扭矩约为2.5 N·m,若采用1∶5的齿轮直径比,相当于用扭矩为9 N·m的电机直接驱动负载了。满足一般性的选择规则:最大静力矩是负载力矩的2～3倍[10]。

步进电机有集成驱动,但是一般价格比较昂贵,故搭建了较为简单而实用的驱动电路。步进电机本质上就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”),它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的;同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度,从而达到调速的目的。在编写程序时只需按照这种时序的变换就可以让电机中的线圈按照时序的变化进行顺序性的导电,时序改变的频率就可以响应的影响到电机转速的快慢。如图3所示。

L298为意大利SGS半导体公司所生产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ,内部包含4信道逻辑驱动电路,是一种二相和四相步进电机的专用驱动器,可同时驱动2个二相或1个四相步进电机,内含2个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器,接收标准:TTL逻辑准位信号,可驱动46 V,2 A以下的步进电机,且可以直接通过电源来调节输出电压;该芯片可直接由单片机的I/O端口来提供模拟时序信号[11,12]。用L298实现二相步进电机控制,将IN1,IN2和IN3,IN4两对引脚分别接入单片机的某个端口(本系统中分别接在PC0,PC1,PC2,PC3),各端口按照控制的需要输出连续的脉冲信号。给出信号的快慢决定了电机的转速,改变绕组脉冲信号的顺序即可实现正反转。同时为了简化接线和提高稳定性,将两个使能端ENABLE A和ENABLE B分别在硬件连接上接高电平。让4个端口始终处于使能状态。该驱动的优点是使用元件少,组件的损耗小,可靠性高体积小,软件开发简单,同时使得硬件费用大大减小。整个外围使用了快恢复二极管FR207,同时在检测端口接入了阻值为2 Ω的大功率电阻。具体的接线方式为:L298的OUT1,OUT2,OUT3,OUT4分别接步进电机的A,C,B,D相。为了避免电机在不运行状态时仍有电流通过,在编程时注意将不运行时的I/O口赋值为0,这样可以保护电机。同时要考虑到散热问题等,选用较大的散热片也是很有必要的。步进电机的驱动电压可以从12～36 V,但是不同的驱动电压对应的最佳转速有所差异,这个需要根据实际负载的静力矩和最佳转速等来确定为好,该系统采用的是24 V,100 W的开关电源。

2.3 检测与保护

2.3.1 总闸闭合检测部分

当实验人员手动闭合试验总电源后,自耦调压器输入/输出端开始带电,为满足高压试验安全要求,设置了一个总闸分合状态检测电路,检测电路由整流部分、滤波部分和稳压部分组成,可将自耦调压器输入端220 V电压变换成5 V高电平,连接至单片机通用I/O(PB0)口以供检测。一旦电源合上,单片机将检测到高电平,为安全起见,单片机先自动控制调压器回零,同时将信息发送到上位机,预示着高压试验可以开始。

2.3.2 合闸、分闸操作

高压试验电路前向干路由控制台内大型触点继电器控制开关,控制电路图如图4所示。

而继电器受手动交流接触器控制,该系统引入可由单片机自由控制通断的电磁继电器,接入交流接触器控制电路,实现了单片机对闸门的分合控制。电磁继电器选用了JQX-115F型号,其绝缘电阻高达1 GΩ(DC 500 V),动作时间小于7 ms,恢复时间小于3 ms,最大允许电流16 A,不仅满足了高速响应,也具备驱动交流接触器的驱动力。但是单片机I/O口的驱动电流有限,不能直接驱动电磁继电器动作,在I/O输出口加上功率三极管进行扩流,然后去驱动继电器,如此即可通过I/O口输出高低电平来控制电磁继电器的通断继而控制交流接触器内部继电器的通断,以此来实现试验干路的合分闸操作。

3 系统软件设计

3.1 单片机程序

在该系统中,AVR单片机是硬件执行机构的控制中枢,一方面将采集的数据发送到上位机显示,另一方面,正确获取上位机发出的命令,快速响应控制执行机构动作,为保障通信过程的准确性,并考虑尽可能快的发送速度,设计了单位为7 B的数据命令帧,由4 B的校验数据和3字节命令数据组成,单片机每收到完整一帧都按照编制好的校验规则进行高效率的校验,如果命令帧校验失败,下位机丢弃命令并要求上位机重发,校验通过则判断命令含义,随后执行相应的子程序控制硬件动作。单片机的流程图见图5,考虑到高压试验一些特殊情况下的操作,增设了“急停电机”这一命令,并在软件上配以较高优先级,以增加试验方便性和安全性。由于采用安装在自耦调压器两极值位置的限位开关来检测,电压回零后让电机朝反方向旋转一个小角度使限位开关切好打开,保证下一次检测的正确进行,也避免了开关由于撞击和挤压损坏。

3.2 上位机LabVIEW实现

LabVIEW上位机是系统的终端,它直接面向用户,界面友好,用户只需点击鼠标即可操作耐压试验的整个过程,用户的操作译成不同的命令帧,通过串口通信发给下位机,然后接受下位机的回应帧命令,进入下一轮循环。界面如图6所示。

4 结语

采用ATmegal28单片机进行测控系统设计,不仅具有采集速率高,传输速度快,控制实时性较好的优点,而且,该系统还兼有简单易用、小型化、低成本、传输可靠等特点。对一般工业测控系统的设计也有一定的指导和借鉴意义[12]。该系统已经在中国农业大学信息与电气工程学院高电压实验室投入使用,从实际的运行效果来看,各项功能均能有效的发挥,达到了预期的设计目标。接下来的工作,将会把人身安全防护功能集成到该系统当中,从而进一步提高该系统的安全性[1]。

摘要：设计一种基于单片机和LabVIEW的工频耐压试验系统。根据实际试验过程中的需要,该系统具有数据采集、串行通信、虚拟界面、参数实时检测、继电器保护、电机控制等功能。该测控系统的硬件采用模块化结构,包括实时数据采集模块、电机控制模块、检测与保护模块;软件实现是基于稳定性较好的AVR Mega128单片机和功能强大的LabVIEW软件,单片机和PC机之间以串口的形式实现通信,有机地整合各硬件模块。该系统大大提升了试验过程的安全性并提高了高压工频耐压试验设备的自动化程度,同时考虑了低廉的开发成本。

关键词：工频耐压,AVR,数据采集,电机控制,检测保护

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