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    0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術及應用
    來源: | 作者:pmo9f0423 | 發布時間: 2020-05-04 | 4864 次瀏覽 | 分享到:
    (http://www.elecfans.com/article/85/126/2008/2008101414057.html)
    摘 要 本文著重介紹了國際上普遍采用的0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術及運用這一技術的耐壓測試設備。美國高電壓公司最新推出的90kV耐壓測試儀,解決了我國35kV交聯聚乙烯絕緣電纜無合適耐壓試驗設備的難題。該測試設備直接產生一種真正的正弦波,同時不會增加額外的技術難度。這樣不僅減輕了重量節約了成本,而且也簡化了它在診斷測試,諸如介損測試、局放測試和現場故障定位等領域內的應用。本文還引入了美國電子與電氣工程師協會在2003年8月最新發布的IEEE P400.2/D1標準的核心內容,此標準可用于指導現場屏蔽電力電纜系統的耐壓、診斷試驗。

    關鍵詞 超低頻 正弦波 90kV 耐壓試驗 放電電阻

    一. 前言
            保證供電可靠性的重要措施之一就是對(地埋)電力電纜進行耐壓試驗(預防性試驗)即檢查電力電纜的絕緣狀況。
    70年代以來,聚乙烯/交聯聚乙烯電纜得到廣泛應用并逐步取代傳統的油紙電纜,特別是中低壓電力電纜,直流耐壓試驗方法已不適用于這類電纜。原因是在直流電壓作用下,空間電荷效應嚴重,直流耐壓試驗危害交聯聚乙烯電纜的介電強度和壽命。在現場工頻測試中使用交流測試設備也有它自己的問題。測試設備往往既龐大又笨重,同時價格也昂貴。超低頻檢測設備多年來一直用于檢測大型旋轉電機,比如大型水輪發電機。但這種技術并沒有用于電纜,過去所能利用的設備通常使用的是頻率為0.1周(Hz)并有多種不同波形的電壓,如矩形波和三角波等。該設備在某種形式上有合理的成本和重量因素,并沒有彌補這些非標準的波形測試電纜技術數據的缺乏。
            由此可見,大家熟知且行得通的老辦法:直流試驗已說明是無效的,在有些情況下還會擴大損傷而在試驗時并不能發現。交流試驗是有效的,但是由于電纜為容性負載,需要很大的試驗容量
            (S=ωCUS2=2πfCUS2 kVA)
            式中:
            C—被試電纜電容量 μf/km       
            US—試驗電壓 kV         
            f—工頻頻率,我國為50Hz 
            傳統的超低頻技術又不適用于電纜,因此需要研究一個新的電纜檢測方法。

    二.0.1Hz超低頻正弦波技術
            早在70年代美國高電壓公司就致力于超低頻電纜檢測方法的研究。他們采用了新的方法,生產的電纜檢測設備能產生真正的高壓正弦波,而且設備很輕,成本接近直流測試系統。實踐也證實:使用超低頻高壓的固體絕緣電纜的擊穿電壓與使用交流工頻所得到的電壓值是相當的。
            新的設計方法允許以通常的耐壓水平測試負荷遠遠超過5微法的電纜進行測試,并且僅使用電壓為120伏、頻率為60Hz(或220伏50Hz)的電源。而且,該項設計還可擴展到一些頻率為0.05、0.02、0.01Hz的更低頻率操作中去(0.01Hz的頻率測試針對超長電纜)。

    1.系統設計原理
            該設計的基本思路是產生像正弦波那樣的超低頻波形。用超低頻以低充電電流,相對長一點的時間間隔對試品充電至高壓,這里超低頻的波形是關鍵,特別適合的是正弦波,因其避免了其他波形可能產生的高頻諧波,而該高頻諧波會對測試目標產生駐波或有害的電壓突變。該新設計的基本理念已經在圖1中展示出來了。系統所需的輸入功率是從一個正常的120伏60Hz或220伏50Hz的電源處獲得。輸出電壓的振幅是由自動可調變壓器控制的,由圖1中的T1來表示。該變壓器的輸出用相應需要的超低頻來調節,如0.1Hz。該過程在圖1中用T2來表示。T2的輸出以正弦波模式周期性地增加或減少,頻率是兩倍的輸出頻率,這樣就會產生一個60(或50Hz)電壓,振幅變化見圖2(a)。該調制工頻電壓經過高壓變壓器逐步升壓,即圖1中的T3。該高壓變壓器的輸出通過一個能產生單極電壓的全波整流器來整流,見圖2(b)。最后,整流器與終端之間的一個極性開關每隔半個周期就會將整流后的電壓的極性顛倒一下。輸出電纜和被測試品的電容將提供充足的濾波,以便將120Hz的波動減至一個可接受的水平,其最終波形是在圖2(c)中顯示出來的一個高壓超低頻正弦波。圖2中所顯示的波形并沒有考慮到被測試品的能量儲存情況。超低頻檢測設備主要應用于大型電力設備元件的高壓測試。該類被測試品有很大的電容,當外加電壓的相角處于90o-180o或270o-360o之間的時候,電容必須要放電。

    圖1  VLF系統原理圖

    圖2 系統各階段輸出波形
                                                         
    2. 試品電容的放電  
            大容量容性試品被施加交流電時必需要在每個半波放電,傳統的工頻交流試驗在試品和電源之間有很大的能量流動,這需要大型的變壓器,調節器等。在超低頻系統中,所需功率非常低,與50Hz系統相比,0.1Hz系統要小500倍。結果,這些能量在測試裝置自身中進行交換便非常容易了?! ?br />         本章論述的是一項用于試品放電的專利技術,它能確保高壓輸出是真正的正弦波。系統連續接入一系列阻性負載至輸出回路對試品電容放電。正常情況下,應用電阻與電容并聯使電容電壓以指數曲線衰減。電阻的選擇使電壓經過RC混和放電回路降至標準正弦波下方。   
            因此,電阻接入回路時,系統高壓變壓器的正弦電壓通過補償放電電阻所需電流來保持正弦波型。最初的RC回路指數曲線衰減變化率很高,隨著時間變低。最后來自高壓變壓器的電壓達到與負載電壓平衡。這時快速接入第二個放電電阻,減少RC時間常數按需要重復這一過程可保持輸出電壓的正弦波型?! ?br />         圖3說明了應用三個放電電阻接入輸出回路的這一技術。第一個電阻與負載電容的指數衰減曲線表示為RC1。指數曲線與施加正弦波在一個相位的2.41弧度處,此時并入第二個電阻,衰減   曲線表示為RC2,在相位約2.86弧度處,第三個電阻并入回路,指數曲線衰減表示為RC3。    

    圖3 負載放電特性
                                     
            通過高壓變壓器的電源功率補償需要的正弦波和指數衰減曲線之間的空間(能量差),在這個設計中一個重要的因素是可在負荷變化最大時,所需的時間常數基礎上選擇放電電阻。無論輕載或重載都能產生滿意的波形,電阻的選擇與負荷無關?!?br />         放電電阻的電流很低,功率損耗很容易解決。三個放電電阻完全滿足40-60kV輸出電壓的要求。也可增加電阻的數量,應用相同的原理,用于90、120kV等更高電壓等級的系統。

    3. 頻率 
            系統的工作頻率可通過前面討論過的技術,即調整圖1中的T2獲得。目前常用的是0.1Hz VLF試驗,調整T2可得到0.05、0.02、0.01Hz等不同的工作頻率,較低的頻率可測試超長電纜。

    三.0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設備的特點及應用 
            如前所述,直流耐壓試驗不適用于聚乙烯、交聯聚乙烯絕緣電纜,因為在直流電場下形成的空間電荷會保存在電纜絕緣層中,當試驗完畢重新投入運行后,殘存的空間電荷(電場)會與運行電壓的電場疊加,對在實際上仍能運行的電纜造成擊穿。交流工頻耐壓試驗最為有效,但由于電力電纜的電容很大。需要大容量試驗設備,設備笨重難以對聚乙烯/交聯聚乙烯電纜進行預防性耐壓試驗(現場試驗)。針對中壓聚乙烯/交聯聚乙烯電纜的現場耐壓試驗問題,在VLF正弦波理論研究、設備開發一直處于領先地位的美國高電壓公司早在70年代就致力于此項技術的研究,0.1Hz超低頻正弦波的耐壓試驗設備具有以下顯著特點。正因為這些特點,使這一耐壓試驗設備得到廣泛應用。
            a) 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設備消耗功率小,是50Hz耐壓試驗設備的1/500?! ?br />         b) 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設備的輸出電壓較高,已有250kV交流輸出試驗設備,用于更高等級電壓系統?! ?br />         c) 由于輸入功率小,設備的尺寸和重量也小,均為兩件或三件式便攜設計?! ?br />         d) 0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設備可試驗較長的電纜(電容較大),最大可達50微法的VLF試驗設備,是國外同類產品的十倍?! ?br />         e) 具有電容測試電路,可測量被測電纜電容,預計電纜長度?! ?br />         除了這些特點以外,0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設備的正弦輸出,還可用于診斷測試,傳統的現場測試只是看耐壓通過不通過,現在更科學的方法是診斷測試——局放測試和介損測試,用于檢測絕緣中的水樹,全面地評價電纜的絕緣狀況,正弦波可有效地用于局放測試和介損測試。該設備還具有快速降阻燒穿功能,自動限制燒弧電流,從而可用于快速定位和修復故障,成本效益顯著?! ?br />         VLF-90CMF是美國高電壓公司最新推出的一款交流耐壓試驗設備,適用于中壓等級10kV、35kV的XLPE、PE、EPR、PILC電纜及其連接頭。該設備可連續輸出0-90kV電壓,可獲得0.1、0.05、0.02Hz等不同頻率的正弦波,波形與電容性負載無關,可以測試7500米長的電纜。兩件套便攜式設計既可以安裝在電纜測試車上,也可配備手推車,方便移動。
            主要技術參數如下:
            輸入:230V,50/60Hz,最大6A,平均2.5A  
            輸出:正弦波,0-90kV交流峰值電壓(0—63.6kV交流有效值電壓),0.1Hz/0.05Hz/0.02Hz連續工作, 屏蔽輸出電纜  
            測量:3.5”表,0-90kV峰值電壓 ; 3.5”表,0-100mA峰值電流,0-6μF電容  
            負載:0.55 μF @0.1Hz      
                      1.1 μF @0.05Hz      
                      2.75 μF @0.02Hz
            尺寸:(w長;h高;d寬)
                      控制器:635mm w × 406mm h × 330mm d
                      高壓器:185mm w × 685mm h × 330mm d  
            重量:控制器:34kg  
                      高壓器:82kg
      
            除90kV外,該公司還生產40kV、60kV、120 kV、180 kV、250kV等系列耐壓試驗設備,最大限度的滿足了我國對此類產品的需求。對于我國10kV及以下的電纜,可選用40kV的耐壓試驗設備?! ?br />         美國高電壓公司的產品得到了世界許多國家的電力系統及企事業的公認,在我國本溪鋼鐵集團、凌原鋼鐵集團、咸陽機場供電站等單位應用,均顯示了0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗設備的優越性能。

    四. 電力電纜耐壓試驗規范  
            在0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術得到廣泛應用以后,為了規范對交聯聚乙烯電纜、油浸紙電纜以及混合電纜的耐壓試驗方法,美國電子與電氣工程師協會在2003年8月發布了最新IEEE P400.2/D1標準?! ?br />         標準規定15-35kV電壓等級的電纜在安裝和驗收試驗時,試驗電壓應為3U0;對于5-8kV的電纜,試驗電壓應大于3U0;維修時的試驗電壓是驗收試驗電壓的80%,如果進行多次循環試驗,試驗電壓可再降低20%。表1列出了屏蔽電力電纜正弦波耐壓試驗的電纜額定電壓。雖然只列出了5-35kV的電纜,但VLF仍可用于更高電壓的電力電纜。表中給出的測試電壓既可作為有效值,也可作為峰值,如果作為峰值使用,則測試時間需加倍。原因是有效值是峰值的0.707倍。
            
            超低頻正弦波測試電壓1
    電纜等級相對相   kV(有效值)
    安裝2相對地   kV(有效值)
    驗收2相對地   kV(有效值)
    維護3相對地   kV(有效值)
    5
    12
    14
    10
    8
    16
    18
    14
    15
    25
    28
    22
    25
    38
    44
    33
    35
    55
    62
    47

            1 選擇有效值還是峰值取決于可能的機械損傷,如果此電壓作為峰值,則測試時間加倍。 
            2 推薦的測試時間為15到60分鐘。實際的測試時間要根據供應商、用戶來定并且依賴于測試條件、電纜系統、安裝條件、測試的頻繁程度以及選擇的測試方法。當測試被打斷時,計時器歸零重新測試。     
            3 推薦的維護測試時間為15分鐘。VLF測試方法的頻率范圍為 0.01 Hz 到0.1 Hz。最為常用的為0.1Hz,其它可用的頻率范圍還可從0.0001 Hz 到0.1 Hz。如果頻率低于0.1Hz,相應的測試時間加長。 

            測試要點  
            · 需要準備好線路圖以便工作人員熟悉所測的電纜,斷開連接點的位置,在哪更容易接近電纜或連接點以及所測電纜的結構類型。   
            · 在耐壓試驗中若發現故障,應進行故障定位。   
            · 在診斷測試中,若測試電纜嚴重老化,在測試結束之前就會引起擊穿。   
            · 當VLF測試結束或中斷時,試品應立即接地放電。 

    五.0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術在中國應用的探討 
            0.1Hz超低頻正弦波耐壓試驗技術經過近三十年的研究、發展和應用的檢驗,成為比較完善的一項耐壓試驗技術,它不僅對聚乙烯/交聯聚乙烯電纜的耐壓試驗提供了一個可靠和有效的方法,而且也可用于油紙電纜的耐壓試驗。超低頻系統的設計由一個便攜的、輕巧的、經濟的裝置提供高壓輸出。該輸出的波形是正弦波,這樣可以使得它能夠被運用到許多診斷技術中去,既能對電纜老化程度進行評估,又能發現電纜存在局部缺陷。所以0.1Hz超低頻耐壓試驗技術已經在世界許多國家的電力系統及企業得到普遍應用。如:美國電子與電氣工程師協會的IEEE標準、德國電工委員會制定的交聯聚乙烯電纜0.1Hz耐壓試驗標準、華北電力集團公司的電纜試驗標準也已經把0.1Hz超低頻耐壓試驗列入試驗標準。尤其美國高電壓公司針對中國市場最新推出的一款90kV交流高壓試驗設備,填補了我國對35kV電纜無合適耐壓試驗設備的空白。在我國本鋼、凌鋼等率先應用的40kV耐壓測試設備特點突出、運行穩定,受到業內人士的好評。 
            綜上所述0.1Hz超低頻正弦波的耐壓試驗技術在中國必然會成為普及推廣的技術。
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