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高壓測試試驗室的屏蔽與接地

小結

高壓測試試驗室需要有一個電磁屏蔽來進行電力裝置及電纜的局部放電測量。這種屏蔽必須與一根深埋的接地桿相連來阻止由地表循環(huán)電流引起的干擾。在實驗區(qū)需要有一個等電勢的平面來進行脈沖試驗。

本文回顧了高壓試驗室屏蔽、接地和過濾系統(tǒng)的識別特征，論證了在電纜測試工業(yè)屏蔽室內(nèi)進行的局部放電測量性能測試中的已得結論。

導論

已經(jīng)設計了高壓測試試驗室來進行有局部放電測量的低頻試驗、操作和雷擊沖擊試驗及電力裝置的潮濕試驗。試驗廳的設計按照限定驗收試驗的標準與規(guī)范來進行。

例如，必須安裝一個高頻電磁屏蔽和特殊的接地系統(tǒng)以確保高壓交聯(lián)聚乙烯電纜測試的局部放電測量中有極小的背景噪音。

試驗廳需要有大的尺寸和足夠高以防止物質噴濺到墻壁和房頂?shù)拈g隙來進行超高壓斷電的操作沖擊試驗。

需要在試驗廳的大部分地板上嵌入緊密的銅絲編織層且需要有敷設待測電纜的屏蔽管道來進行雷擊沖擊試驗。

試驗室地面必須是傾斜的且必須提供一個合適的排水系統(tǒng)來收集潮濕試驗時濺在絕緣體上的水。

大功率變壓器的試驗需要有大舉重能力的起重機或可以用氣墊層運送大變壓器的涂有樹脂的地面。

必須提供特殊的污染室來進行線、柱或絕緣體的人工污染試驗。

要符合所有這些要求是困難的且耗資巨大，因此一個工業(yè)高壓試驗室經(jīng)常用來測試一種類型的裝置。

盡管如此，局部放電測量和脈沖試驗仍必須在同一個試驗室廳內(nèi)進行而且該試驗室廳的電磁屏蔽必須由一個等電勢的平面來完善。

本文回顧了器械制造商、公共事業(yè)單位及研究中心使用的高壓試驗室所實施的不同設計方法和技術解決措施。

電磁屏蔽

   理想的屏蔽能形成一個可以覆蓋試驗廳墻、屋頂及地面的連續(xù)的金屬罩。法拉第發(fā)現(xiàn)影響這種屏蔽的外部電磁場能感應出一種在墻壁、屋頂或地面流動的電流。這種電流使外部磁場不能穿透金屬罩。用AM模式播音的無線電站發(fā)射此種干擾性電磁場。此外，可以通過內(nèi)部燃燒引擎的點火系統(tǒng)，通過電機車縮放儀和牽引線間的燃火，通過電弧焊以及通過許多別的方法來產(chǎn)生一個瞬間電磁場。

實際上，電磁屏蔽不可能是連續(xù)且完全封閉的。因為它是由邊緣連在一起的金屬板，由門和窗構成的。必須保證金屬板間及門的邊緣有低阻抗的接觸點。

屏蔽內(nèi)由，比如說廣播電站感應出的非常小的電流可以通過門與框間的潤滑接觸或通過由螺栓連在一起的金屬板上的一層氧化層而改變方向。電磁場通過屏蔽的這種不連續(xù)性或“打開”進入高壓試驗廳從而在局部放電測量線路中產(chǎn)生類似于天線的干擾。這種干擾掩蓋了微弱的局部放電信號且使已檢測的高壓絕緣物不能被識別。

屏蔽效率指屏蔽區(qū)內(nèi)部與外部電/磁場元件之比。屏蔽效率越高，背景干擾效率越低。當然，屏蔽效率越高，高壓試驗廳的花費就越高。每種器械都界定有容許的局部放電值，大小從電力變壓器的幾百pC到交聯(lián)聚乙烯電纜的單個pC。高壓電力變壓器的背景干擾不應超過幾十pC；而測試交聯(lián)聚乙烯電纜時背景干擾應降到接近1pC。

由供電電纜和控制電纜及接地系統(tǒng)傳導的干擾

設計良好的電磁屏蔽能有效的減少局部放電測量線路中產(chǎn)生的干擾。

然而，供電電纜和控制電纜或試驗室地表也能傳導干擾。電力電纜和控制電纜帶有工頻電流和含有高頻光譜元件的疊加傳導干擾。置于串聯(lián)饋電線內(nèi)的射頻過濾器阻止這些高頻電流進入屏蔽罩。

此外，在工業(yè)環(huán)境中，零星的電流在土壤上層，在供電變壓器不同的接地點間，在大的發(fā)電機及安裝在不同工廠內(nèi)別的負載上循環(huán)。高壓試驗廳的屏蔽金屬罩為這些零星的電流提供了一個低阻抗通道。接通與斷開這種電流會在局部放電測量線路中產(chǎn)生瞬間干擾。

據(jù)報道，由單一正弦電壓波測出的局部放電量要低于在同一物體上用曲形電壓波測出的值。然而，工廠經(jīng)常使用配有可控硅速控驅動的大型發(fā)電機。這種驅動在供電系統(tǒng)中產(chǎn)生出電流與電壓較高的和諧性。變形的電源電壓影響測試電壓波形，并且使在已測物體上測出的局放值變大。

高壓供電變壓器感應電壓測驗中的局部放電測量

   需要有一個非常大的試驗室來檢測超高壓供電變壓器。這個大的試驗廳需要由一個能進行寬帶局放測量的電磁屏蔽來保護。已經(jīng)為Montreal世界上最大的IREQ高壓試驗室設計了此種屏蔽。從該屏蔽調(diào)試起就已經(jīng)收集了重要的實踐經(jīng)驗。對這些經(jīng)驗及有關該屏蔽性能的一些發(fā)現(xiàn)的評論可能對進行新安裝工程的設計者有利用價值；這些在本文中將有所闡述。將以一個備有電磁屏蔽的大型高壓試驗廳（82×67m，到廳頂?shù)拈g隙為52m）為例來論述此電磁屏蔽的識別特征。電磁場部件的屏蔽效率在690kHz下測量且以如圖1所示的等衰減線的形式來表示。變壓器測試試驗室的經(jīng)驗表明磁場部件衰減60dB一般上足以把局放的背景干擾降到所需的10pC。

一些制造商使用起重機把變壓器從生產(chǎn)地運到高壓試驗區(qū)。起重機橫桿和饋線進入屏蔽測試廳，從而降低屏蔽效率�，F(xiàn)代化的工廠用氣墊層移動變壓器，從而可以有效的關閉屏蔽測試廳。

應該考慮足夠大可以進行400kV供電變壓器試驗且有到廳頂和墻壁必需間隙的高壓試驗廳內(nèi)電磁屏蔽的耗資問題。一些小的制造商無力支付這項巨資，從而嘗試在八小時內(nèi)進行感應電壓試驗；因為在此時間段內(nèi)，大部分干擾源處于不活躍狀態(tài)。然而，干擾的存在和強度是隨意且不可預見的。大的制造商必定要根據(jù)緊湊的日程安排來運送變壓器從而不能進行“合適時間”測試。

濾除傳導干擾

   設計且安裝良好的屏蔽把外部磁場產(chǎn)生的干擾降到可以忽略不計。高質量的高壓試驗設備提供沒有局部放電的試驗電壓。這時，主要的干擾是由供電、控制及接地系統(tǒng)傳導出的。

要有一個很低干擾的要求使試驗廳設計者們注意到另一種進入到測試回路中的干擾。這種干擾是由供電、控制及測量電纜傳導出的。接入已屏蔽高壓試驗廳的所有線路都被裝上了特殊的過濾器來衰減傳導出的干擾信號。過濾器的復雜程度和花費取決于所需的衰減性和必須流過該過濾器的工頻電流。

氣核反應器衰減有區(qū)別的傳輸模干擾而有雙線纏繞的磁核反應器則減小普通傳輸模干擾。后一種干擾由相導線傳導且通過地面返回。原則上來說，載流電流不應滲透反應器的核，因為雙線纏繞抵消了往返電流產(chǎn)生的磁流量。

此外，高壓過濾器與局放測量線路中的阻塞阻抗和耦合電容器一起同時起作用。

由和聲引起的測試電壓波形的變形

   工業(yè)試驗室要解決的一個實際問題是保持試驗電壓光譜上的單一波形。

   通常情況下，高壓試驗室建在生產(chǎn)地附近。它們由同一個變電站供電，有時甚至由同一個變壓器供電。大型機器和其它非線性負載的可控硅控制驅動使電流變形從而使供電電壓的波形變形。這種變形被轉移到試驗電壓上，從而破壞局部放電測量。

     例如，實心絕緣體內(nèi)氣泡的局放強度隨測試電壓的升高而增大。較高和聲量的增加使電壓曲線變得更陡，從而產(chǎn)生較高的局放強度。該問題已被查明；有關這種變形的典型例子示于圖5中。高壓試驗室應由不同的電力變壓器供電來減小此問題帶來的影響。 

“法拉第絞籠”的接地

   在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，上層土壤傳導接地電流特別是工頻電流的較高和聲。這種電流由可控硅控制負載，比如電氣發(fā)動機或整流器，產(chǎn)生出。

   應該注意，第三和第九和聲電流在同一相位內(nèi)流過三相導線。

   因此，這些和聲電流像流過一個普通導體一樣流過三相導線。（正好相反的）如圖6所示。

   這種電流通過“零”線也通過與“零”導體平行的接地系統(tǒng)流回供電處。（變電站的電力變壓器）較高頻率下，“零”導體阻抗一般上高于接地回路的阻抗。

   例如，截面為300m“零”線的電抗在第三次和聲時為X₀=2π.3.50[Hz].1[mH/m].300[m]≈0.3 W而在第九次時X₀接近1W。

   接地系統(tǒng)一般上有較低的阻抗和較高的和聲而且瞬間普通干擾電流易于流過上層土壤。這種瞬間干擾電流是由弧焊接，接觸斷開處的火花，電牽引電機車的火花和類似物產(chǎn)生的。埋在地下的任何金屬物都能提供有較低阻抗的路徑而且“聚集”接地電流。例如，高壓試驗廳的鋼結構及任何金屬電纜屏蔽或埋于地下的管子都聚集較高的和聲電流。這示于圖7中。

   為阻止零星電流流進電磁屏蔽內(nèi)，必須把電磁屏蔽與局部地線及與局部地線相連的結構元件分離開。一根特殊的接地棒被深驅動于土壤中且與上層土壤絕緣。電磁屏蔽必須與這種深驅動的接地棒相連并且與所有局部接地的結構絕緣。

交聯(lián)聚乙烯電力電纜驗收試驗中的局放測量

由于非常低的容許局放值，高壓交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜是局放測量中最難測的試驗物。通常情況下，測試標準允許的pC值為1pC，2pC或最多5Pc。盡管測試線路有大的尺寸，背景干擾也應小于1pC。

例如，裝在支撐物上額定電壓為400kV電纜的端套可以高達10米。即使不大的電磁干擾場也能在這種天線中產(chǎn)生強大的信號。高壓試驗室的電磁屏蔽應有高的效率，應超出屏蔽范圍中的100dB而且達到局放測量儀器頻率的上限。如有可能，想在由把金屬板焊接臨時做成的電磁屏蔽內(nèi)得到如此高的衰減是相當困難的。

需要有配有特殊、預制接縫和接頭的屏蔽房來獲得所需的屏蔽效率。

典型的屏蔽房符合國際和美國國家標準的要求。衰減性是與美國軍事和國家安全機構的屏蔽效率規(guī)范相比較而制定的。改屏蔽的典型屏蔽效率示于圖8中。

屏蔽墻由雙層鍍鋅鋼護層構成，中間夾有膠合板來保證結構的堅固性。由一排螺栓緊固的特殊設計的模壓把相鄰板的邊緣連接在一起。應特別注意大到可以允許大型和重型高壓電纜盤運進的門。（達5×5m）

有時沿著門框的邊緣安裝了被稱為“手指”的電磁墊圈。當關門時，門窄而鋒利的邊被擠入這些“手指”中。這些“手指”由堅硬的鈹-銅合金構成且被焊接到門框上。每次開門、關門時，有彈性的尖“手指”會刮擦門的邊緣，除去灰層，從而使屏蔽和門間的鍍鋅接觸層清潔。

屏蔽物的擠壓空氣通風管道配備有蜂窩狀的電磁擋水層，從而無干擾的光固定物不會產(chǎn)生背景干擾。

高壓和超高壓電纜的電纜盤非常重，經(jīng)常用叉形升降裝置來移動。屏蔽房的地板應由鋼筋混凝土做成來移動這種負載。加固層的鋼桿在交叉點被焊接在一起，但與房內(nèi)的屏蔽物相絕緣。屏蔽房內(nèi)有一個與中心接地點的單一連接。

使用高壓共振試驗系統(tǒng)來進行交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜的例行試驗�？梢园唁摬鄯磻�器用于測試電壓達400kV的中壓和高壓電纜的測試中。彼此堆在一起的，直線型連接的絕緣槽反應器可以產(chǎn)生高于400kV的試驗電壓，從而可以用于測試超高壓電纜。

鋼槽反應器容許如圖9所示的測試系統(tǒng)布置。鋼槽是屏蔽的一組成部分，因為它與屏蔽墻相連接。諧振線路exciting變壓器同樣被裝于鋼槽內(nèi)部，而供電RF過濾器則直接裝在鋼槽的表面。這會產(chǎn)生一個屏蔽效果好的小型測試場布置。

用待測的電力電纜測量出了背景噪音值。在于耦合電容器相連的電纜端上進行了局部放電的校準，（電纜端A示于圖4中）從而減小了沿電纜傳播的局放脈沖的形變。局放測量設備的頻率范圍由約20kHz到10MHz。在不同電纜型號、長度、額定電壓及導體橫截面上測出的背景噪音通常小于1pC，有時噪音被降到小于0.2pC。后一個值（0.2pC）似乎是配有最先進局放測量器械的工業(yè)屏蔽室所能達到的噪音的極限。電力電纜“遠”端的校準已被用來估量沿電纜傳播的脈沖的頻率緩沖的影響。盡管電纜很長（達2500m），已經(jīng)發(fā)現(xiàn)pC值為1pC和2pC的校準脈沖。 

進行脈沖試驗的高壓試驗室的地面設計

   高壓電力裝置的脈沖試驗在試驗室墻壁和地板間產(chǎn)生出瞬間電流。這種電流在脈沖發(fā)生器、分壓器、轉壓器和測試物接地點間產(chǎn)生了瞬間電位差。分壓器和轉壓器發(fā)出的信號通過同軸電纜傳到脈沖記錄器上。個別接地點間的瞬間電位差產(chǎn)生出一個影響已記錄信號的強大普通模干擾。

     結論

●    用以在電力器械驗收試驗中進行局放測量的高壓試驗室必須配備一個電磁屏蔽。對測試交聯(lián)聚乙烯電力電纜高壓試驗室電磁屏蔽有效性的要求做了最嚴格的規(guī)定。

●    高壓測試廳的電磁屏蔽耗資大，因此必須達到但不能超出要求的屏蔽效率。在電力變壓器廠，屏蔽可以由焊接在一起的鋼板構成。然而，交聯(lián)聚乙烯電纜廠需要購買專業(yè)設計的有合適裂縫和接點的屏蔽。

●    除了外部磁場產(chǎn)生的干擾外，接入屏蔽物的供電、控制和測量系統(tǒng)也可能傳導干擾。需要高效的過濾系統(tǒng)來減小穿透屏蔽的傳導干擾。

●    可控硅控制驅動和其它非線性負載產(chǎn)生出局部供電線路流出電流的較高的和聲。這影響了供電電壓，使測試電壓的波形變形且使高壓絕緣中測出的局放值變大。直接從變電所為高壓測試試驗室供電的單個電力變壓器減小了和聲的變形。

●    較高的和聲及瞬間干擾電流由工廠接地系統(tǒng)來傳導。大部分這種電流循環(huán)在上層土壤中。為了減少這種干擾，電磁屏蔽必須與工廠接地相絕緣且與一個與上層土壤絕緣的深驅動桿相連接。

●    高壓脈沖試驗經(jīng)常在同一個測試試驗室內(nèi)進行，而且必須把低阻抗的接地板嵌于試驗室地板上。接地編織層和敷設測試電纜的管道的花費占整個試驗室花費的很大一部分，因此必須仔細設計與計算。

●    考慮了所有減少干擾的因素，高壓屏蔽試驗室的工業(yè)安裝也可以對長交聯(lián)聚乙烯絕緣電力電纜進行精確的局部放電測量。

［500kV110 在 2010-12-6 14:49:17 編輯過］