基于高频脉冲振荡法的电抗器匝间绝缘检测方法研究

杜金钟

（云南电网有限责任公司丽江供电局，云南丽江674100）

电抗器线圈匝间绝缘的损坏，严重影响了电力系统的安全稳定运行[1-2]。尤其是近年来真空开关的普遍使用，使得电抗器承受的操作过电压的幅值大幅度增加，严重威胁了电抗器的稳定运行[3-4]。为了对电抗器的匝间绝缘水平进行有效监测，预防事故的发生，并做好防范，国家出台了相应的电抗器匝间绝缘检测的相关标准。2011年开始，电力系统检测单位相继采用GB1094.6中建议的高频脉冲振荡法对干式空气电抗器进行匝间过电压试验[5-6]。

基于实际工作的需求，本文通过对电抗器匝间绝缘检测的电路分析，利用高频脉冲振荡法设计了一种电抗器匝间绝缘检测电路。该设备能够按照GB1094.6中的要求，完成对电抗器匝间绝缘水平的检测。

1 系统电路设计

如图1所示为利用高频脉冲振荡法测量电抗器匝间绝缘的电路原理图。

图1 电路原理图

在一个工频周期内，电容Cc先由整流电源充电。当被充电至试验电压值时，可控放电球隙S放电，电容Cc与被试线圈L形成阻尼振荡[7-9]。振荡放电电压衰减到足够小时电弧熄灭，下一工频周期重复以上过程。每周期完成1次充放电，1分钟完成3 000次放电，工频电压波形和主电容Cc上的电压波形如图2所示。

图2 工频电压波形与电容C上的电压波形

按照测量要求电路原理图可以分为3部分，分别为充电回路、放电回路和测量回路。

电抗器匝间绝缘检测过程中，充电回路通过调压器、试验变压器、高压硅堆、限流电阻等电路元件，将电网中的电能送到充电电容器中进行存储。充电回路示意图，如图3所示。

图3 充电回路示意图

放电回路是在一定时间内释放电容器中所存储的电能，从而给试品电抗器加压，起到对电抗器匝间绝缘检测的目的。放电回路通过球隙开关产生高频脉冲，当球隙开关接受到脉冲信号时，球隙发生放电，电路形成通路。此时，R2、Cc和L形成一个典型的RLC振荡回路[10-11]。如图4所示为系统放电回路示意图。

图4 放电回路示意图

为了对电容上的充电电压和被测电抗器上的放电电压进行监测，确定电抗器的匝间绝缘水平是否满足要求。因此，有必要选择合适的分压器对其进行测量。由于测试过程中的试验电压较高，采用电阻分压器时会产生明显的热效应，误差较大。故本文在检测过程中，选用电容分压器进行测量。

2 电路参数分析

为了合理的确定试验电路的参数，本文对图1电路进行了分析。由电感L和电容Cc组成的阻尼振荡回路，振荡频率为[12-13]：

其阻尼振荡过程中电流i为：

式中，Uc为电容Cc两端的电压。

试验电抗器两端的电压UL为[14-15]：

式（2）和式（3）中的参数分别为：

由上式可得，电容Cc的值为[16]：

充电过程中电容两端的电压为[17]：

为了消除误差，取：

3 主要元件设计

3.1 放电球隙

放电球隙开关在放电回路中主要用于控制高压脉冲的产生，是获得高频脉冲放电的关键部件，在电抗器绝缘检测设备中起到决定性作用。本文设计的放电球隙开关内部结构，如图5所示。

为了降低放电球隙整体高度，设计的球隙开关采用上下两个半球电极。同时，通过改进触发电极结构方式增加新型球隙电极的触发深度、提高工作电压和频率。图中，1为高压球电极；2为触发球电极；3为瓷管；4为瓷管套；5为触发针电极；6为压缩空气腔；7为针电极安装件；8为压缩空气腔进气孔；9为绝缘支撑；10为触发信号高压线螺纹连接孔；11为触发信号地线螺纹连接孔；12为触发球电极的铝座；13为触发信号导线管；14为压缩空气导管；15为控制触发球电极上下移动的传动轴。

图5 球隙开关内部结构

触发球电极的结构为触发针电极的外部做成一个绝缘的密闭腔体，其可以放入到触发半球电极的内部。该腔体只有两个孔，分别是位于腔体中部高度处的压缩空气进气孔和平行于触发针电极圆筒装的出气孔。圆柱的外径等于触发球电极上开孔的直径，进气孔可以连接有触发球连入的压缩空气导管，出气孔安装于触发球电极的小孔内。针电极的端面与触发球电极球面平行。

在球隙开关的工作过程中向腔体内通入压缩空气，由此在触发球电极安装触发针电极的圆孔位置将有空气吹出。无电弧时，由于针电的球面平行，极间电场为稍不均匀场，自然击穿电压较高。控制开关导通（间隙空气击穿）的过程中，空气将针电极与触发球电极间形成的电弧吹起形成类似于针—球的电极结构，球间电场变为极不均匀场，击穿电压大幅度降低，从而大幅增加了可控深度。当球隙直径一定时，可以控制更高的电压。在放电结束控制球隙关断的过程中，从下球触发电极安装孔吹向上球的空气可最大限度的带走间隙中上次间隙击穿过程中所残留的带电粒子，加速空气绝缘的恢复速度。即快速关断球隙开关，从而大幅度提高了开关的工作频率。

3.2 试验变压器

变压器的选择首先要考虑到磁饱和现象与电路的容升效应，因试验电路采用的是半波整流电路。在该种情况下，试验变压器易出现磁饱和现象而导致电流畸变。同时，由于磁饱和显现的出现，会降低变压器的工作效率[16-17]。

变压器的容升效应是指变压器在充电过程试验回路的电容电流会在变压器的漏抗上引起反向压降，导致电容器的电压高于电源电压。容升效应可用如图6所示等效电路图进行分析。

图6 变压器等效电路图

由变压器等值电路图可知，当变压器的绕组阻值可以忽略不计时，容升电压值为：

式中：UC为充电电容电压值；U为变压器高压侧输出电压；xc为电容器容抗；R为变压器等效电阻值；xl为变压器等效电抗。

通过上式确定变压器的额定电压之后，由式（11）可以估算得到变压器的容量。

根据式（10）可计算得到，电容器的充电电压为变压器输出电压峰值的1.2倍。当变压器的有效值为143 kV时，应选用额定容量为28 kVA的实验变压器。

3.3 电容分压器

电容分压器主要有两种形式，一种是分布式电容分压器，一种是集中式电容分压器。分布式电容分压器由多个电容元件串联而成，造价便宜且测量精度高，故本文选用其对试验电压进行测量。

理想条件下，分布式电容分压器的分压比为：

其中，C1为高压臂电容，C2为低压臂电容。

但实际使用过程中，实验室周围的物体和电容分压器之间的等效电容会对分压器的测量产生影响，故分压比为：

式中，Ce为高压臂的等效电容值。

一般情况下，为了减小杂散电容的影响，分压器的高压臂电容值应取一个较大值。但同时考虑到设备的制造成本，文中选择C为150～250 pF的分压器进行试验。

考虑到过电压试验是破坏性试验，且被试验的干式空心电抗器已经运行一定的年限。因此，初步确定采用国家标准规定试验电压的80%作为现场试验电压。现场试验结果表明，文中所设计的电抗器匝间绝缘检测设备能够满足现场测量要求。

4 结束语

根据电力系统电抗器匝间绝缘检测的要求，本文研究了基于高频脉冲振荡法的电抗器匝间绝缘检测方法，并对电力原理图进行了理论分析。同时，详细介绍了检测装置的球隙结构、试验变压器和电容分压器的选型。文中设计的装置能够满足现场测试的要求，对于电抗器匝间绝缘现场测量具有重要意义。