周学明，阚 毅，李籽剑，胡丹晖，黄泽琦，冯志强，张耀东

（1.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院，湖北 武汉430077；2.湖北方源东力电力科学研究有限公司，湖北 武汉430077）

0 引言

高压绝缘子是电力系统中广泛使用的设备之一，其优劣程度直接关系到电力系统的安全，稳定运行［1-3］。绝缘电阻是表征绝缘子优劣程度的一个重要参数，良好的绝缘电阻是保证其正常运行的重要前提，近几年新投运及挂网运行特高压瓷绝缘子零值问题日渐频繁，给跨区域电网运行安全带来隐患［4-6］。根据《GB/T 50832-2013 1 000 kV系统电气装置安装工程设备交接试验标准》规定，悬式绝缘子交接试验应满足两方面要求：安装前应采用5 000 V兆欧表测量每片悬式绝缘子绝缘电阻，不应低于500 MΩ；应进行交流耐压试验，试验电压值应为60 kV。在安装前或者必要时检测绝缘子的绝缘性能，确定其满足规定的使用要求对电网安全运行有重要的意义［7-9］。

目前，对于特高压线路绝缘子零值检测手段最主要的还是采用高压兆欧表，输出电压为2 500 V 和5 000 V 档位，但运行经验和试验数据表明，对于大吨位特高压绝缘子的绝缘电阻值，由于传统高压兆欧表测试电压过低，不能有效测试出低零值绝缘子［10-12］。现场交流耐压试验供电电源不易获取，60 kV 交流耐压试验设备笨重，不易搬运［13-15］。为了实现大吨位零值或者低值高压绝缘子现场快速、准确检出，急需开展特高压输电线路大吨位瓷绝缘子零值测试方法研究，研制便携有效的测试装置［16-18］。

1 特高压零值绝缘子检测方法试验研究

目前，针对现场绝缘子零值检测的技术方式有限，并且存在一定的误判，造成绝缘电阻表检出低零值绝缘子的准确率较低，按照规程进行交流耐压试验，在野外不容易获取试验电源且耐压装置笨重不易运输，考虑采用脉冲高压下进行大吨位绝缘子的绝缘性能检测［19-21］。脉冲高压电源体积小，可采用电池供电，能有效解决交流耐压试验设备笨重，不易搬运的问题［22-24］。

为验证脉冲高压法零值绝缘子检测方法的有效性，选取高值和低值绝缘子，分别采用绝缘电阻表法、高压脉冲法和交流耐压试验法进行检测，对比测量结果。特高压零值绝缘子绝缘电阻表测试接线图如图1所示。

图1 特高压零值绝缘子绝缘电阻表法测试接线图Fig.1 UHV zero-value insulator insulation resistance meter test wiring diagram

按照图1 接线，采用5 000 V 兆欧表（WHDY-4000），在2 500 V、5 000 V 电压下测量各个时刻的绝缘电阻值。读取1 s、5 s、15 s、60 s 等时刻的绝缘电阻值，测试结果如表1所示。

表1 特高压零值绝缘子绝缘电阻表法试验结果Table 1 Test results of insulation resistance meter method for UHV zero-value insulators

特高压零值绝缘子脉冲高压法测试接线如图2所示。

图2 特高压零值绝缘子脉冲高压法测试接线图Fig.2 Test wiring diagram of UHV zero-value insulator pulse high voltage method

采用直流高压发生器对脉冲电容器（5 μF/50 kV）充电至试验电压，高压开关GK进行合/分操作，通过电阻R 将高压试验脉冲施加到被试绝缘子上端，高压脉冲宽度由高压开关合/分闸间隔决定，试验脉冲电压采用分压器（1 250∶1）取样，在高压尾串接200 K/2 W 电阻取样脉冲电流，信号接入示波器［25-27］。

检测到如图3 的脉冲电压和脉冲电流，求取两个信号的平均值，相除后，得到高压脉冲下的电阻。设定高压脉冲宽度分别为60 ms、100 ms、500 ms、1 s进行测量计算，结果如表2所示。

图3 脉冲电压和脉冲电流Fig.3 Pulse voltage and pulse current

表2 特高压零值绝缘子脉冲电压法试验结果Table 2 Test results of UHV zero-value insulator pulse voltage method

特高压零值绝缘子交流耐压试验接线图如图4所示。

图4 特高压零值绝缘子交流耐压试验测试接线图Fig.4 UHV zero value insulator AC withstand voltage test test wiring diagram

用50 kV 交流试验变压器升压，在10 kV、20 kV、30 kV、40 kV、50 kV电压下进行耐压试验，记录是否通过耐压试验，试验结果如表3所示。

表3 特高压零值绝缘子交流耐压试验结果Table 3 AC withstand voltage test results of UHV zero-value insulators

比较表3中数据，绝缘电阻表在2 500 V和5 000 V试验电压下测量的高值和低值特高压绝缘子，绝缘电阻都远大于500 M，不能正确地反映特高压绝缘子的绝缘特性；脉冲高压法在电压幅值10 kV条件下，测量结果也远大于500 M，检测结果不准确，脉冲电压幅值50 kV 条件，低值绝缘子测量结果小于250 M，高值绝缘子大于1 G，能够准确检出低值特高压绝缘子；交流耐压试验电压低于40 kV 时，低值绝缘子也不会发生击穿，不能有效检出缺陷绝缘子，试验电压44 kV 时，低值绝缘子击穿，高值绝缘子通过耐压试验，有效检出缺陷绝缘子［28-30］。

较低的交流耐压试验的试验电压和脉冲法试验电压检出缺陷绝缘子的准确度低，10 kV 脉冲高压和40 kV的交流高压下，绝缘子的缺陷也未被击穿，表明试验电压的幅值需要达到一定的水平，才能有效激发特高压低值绝缘子缺陷，实现正确可靠的检测。

不同的高压脉冲宽度下，测量的特高压绝缘子电阻值有一定的变化，需要对高压脉冲宽度与绝缘电阻测试结果的关系进行试验分析，选取合适的试验脉冲宽度，达到准确检测的目的。试验结果表明，选取适当幅值和宽度的脉冲高压对特高压绝缘子进行测试，可以有效检出低（零）值绝缘子，代替交流耐压试验，解决交流耐压试验现场供电电源不易获取和运输不便的问题。

2 便携式特高压零值绝缘子检测装置总体设计

2.1 总体要求

1）装置功能要求

输出宽度和幅值可调整的高压脉冲，对特高压绝缘子电阻进行测量；为确保测试安全，采用蓝牙无线通讯方式控制装置工作状态，启动高压脉冲输出和信号采集；试验数据通过蓝牙通讯传输至手持式控制设备，进行数据显示和分析判断。

2）装置关键技术指标要求

最大输出电压：DC 60 kV；高压脉冲宽度：50 ms、100 ms、200 ms，可设置；电压测量分辨率：0.1 kV；电压测量精度：±（5%+1 个读数）；电流测量分辨率：0.05 μA；电流测量精度：±（5%+1个读数）；高值绝缘子测试次数：5 000次；供电电源：DC24V。

2.2 装置总体结构

根据零值绝缘子高压脉冲法检测的要求设计测试装置样机，整体结构如图5所示。

图5 高压脉冲零值绝缘子检测装置框架Fig.5 The frame of the high-voltage pulse zero-value insulator detection device

高压脉冲零值绝缘子检测装置分为两部分，一部分为蓝牙手持设备，一部分为高压脉冲试验装置。蓝牙手持设备完成无线设置高压脉冲宽度、无线启动控制高压脉冲输出、无线收集测量数据和测量结果显示和分析等功能。高压脉冲试验装置采用工业级微处理器为核心，包括供电电池和电源管理模块、蓝牙无线通讯接口模块、信号脉宽控制和脉冲发生器模块、信号变换和采集模块，蓝牙手持装置按照接收的高压脉冲设置宽度，完成高压脉冲输出和信号变换及采集，并将结果上传。

3 便携式特高压零值绝缘子检测装置设计

3.1 设计框架

根据总体设计方案，对设计方案进一步细化，详细设计结构图如图6所示。直流电源锂电池经推挽电路逆变整流到第一级中间直流母线，再将中间直流母线电压经半桥电路逆变成中频方波电压，经中频高压变压器升压到中频高压，再经6倍压整流，最后输出直流高压。处理器通过RELAY1 控制电源导通，控制RELAY_GROUP 切换输出电压档位，控制RELAY2 接通高压脉冲输出，控制导通时间从而控制高压脉冲周期。通过电压反馈电路1号来调节脉宽调制控制器使第一级直流母线输出维持恒定。AD 采集部分采集锂电池电压检测电量变化；采集中间反馈电压监测第一级升压大小；采集高压反馈电压检测高压输；采集采样电阻电压监测负载电流大小。处理器通过蓝牙模块和手持终端通过蓝牙通信进行数据传输，手持终端进行数据处理和显示。

图6 详细设计信号流程Fig.6 Detailed design signal flow

3.2 脉冲高压模块

第一级升压电路采用推挽将直流低电压升压到所需第一级直流母线电压，将直流低压电源产生的直流低压通过变压器升压到设定的第一级电压，第一级升压电路如图7所示。

图7 第一级升压电路Fig.7 The first stage boost circuit

在第一级升压电路中，通过反馈和高压输出程控换挡部分，用于调节第一级直流母线电压输出。第一级升压电路通过带隔离的闭环反馈控制系统实现输出电压可控可调，处理模块控制第一级升压的幅值大小，反馈调压电路如图8所示。

图8 反馈调压电路Fig.8 Feedback voltage regulator circuit

中频电压通过高压包把电压升压为中频高压，通过6倍压整流成为直流高压。此中频电压经高压包升压电路升压到设定的第二级中频电压，处理模板控制第二级升压输出的周期，倍压整流电路如图9所示。

图9 倍压整流电路Fig.9 Voltage doubler rectifier circuit

第二级升压部分，采用半桥拓扑结构将直流母线电压逆变成中频的方波电压，第二级升压电路将第一级升压电路输出的直流母线电压通过半桥逆变电路，逆变成中频电压，逆变电路如图10所示。

该整流电路提供了一种基于高压脉冲法的绝缘子测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

图10 逆变电路Fig.10 Inverter circuit

（1）直流低压经过升压逆变和倍压整流处理，并控制升压幅值和周期产生设定周期的直流脉冲高压输出；

（2）将直流脉冲高压分压处理成低压脉冲；

（3）采集绝缘子两端的脉冲低压信号和与绝缘子串联的采样电阻两端电压信号；

（4）通过采集的脉冲低压信号计算出绝缘子两端的实际电压；通过采集的采样电阻两端电压信号，计算出绝缘子两端的实际电流，并通过绝缘子两端的实际电压和实际电流得到绝缘子绝缘性的测试结果。

步骤（4）中的测试结果通过通讯模块发送至显示及操控终端进行结果显示；显示及操控终端通过通讯模块控制步骤（1）中的升压幅值和周期。

3.3 装置本体

本装置可输出幅值和宽度可调的脉冲高压，对绝缘子电阻进行测量，并能将试验数据通过蓝牙通讯传输至手持式设备，进行数据显示，分析判断和图像处理，同时也可等效交流耐压试验。此测试仪体积较小、质量较轻、使用简便等特点，同时采用可充电锂电池供电方式携带方便，便于野外测量，可以实现快捷、廉价、有效地检测劣化瓷绝缘子。检测装置样机外观如图11所示，检测装置样机重量约为2.4 kg，直径35 mm，高3 800 mm，通过手持平板进行操作。

图11 装置本体Fig.11 Device body

4 结语

绝缘电阻表不能有效检出特高压低值和零值绝缘子，大吨位特高压绝缘子交流耐压检测方法在工程现场受到条件限制，检测工作效率低且不易实施。高压脉冲检测特高压低值或者零值绝缘子有较高的准确率，采用高压脉冲检测特高压零值绝缘子的方法研究和便携式检测装置研制具有重要的意义。

1）完成的便携式绝缘子检测装置采用小型化的高压脉冲试验电源，进行了试验电压幅值和宽度对测量结果影响的研究，确定输出的脉冲电压大于60 kV，脉冲宽度100 ms。检测装置质量不大于3 kg，设备小巧便携。电压测量偏差小于±5%；绝缘电阻测试范围0～5 000 M，测量偏差小于±10%；单次充电可连续使用5 000次。

2）通过对比绝缘电阻表和交流耐压测试的结果，研制的便携式特高压零值绝缘子检测装置能够有效判断零值、低值和高值特高压绝缘子。检测速度快，单片绝缘子检测时间10 s，适应大批量特高压绝缘子现场准确、高效检测的要求。