固体电制热储热装置绝缘测试实验平台开发

邢作霞，樊金鹏，葛维春，杨长龙，颜 宁

固体电制热储热装置绝缘测试实验平台开发

邢作霞1，樊金鹏1，葛维春2，杨长龙3，颜 宁1

（1. 沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870；2. 国家电网有限公司，辽宁 沈阳 110004；3. 国网辽宁省电力有限公司沈阳供电公司，辽宁 沈阳 110042）

结合实际应用和教学实践需求，针对固体电制热储热装置的绝缘测试问题，开发了一种固体电制热储热装置绝缘测试实验平台，通过加热测试设备和加压测试设备实现了固体电制热储热装置绝缘测试的高温高压环境模拟与绝缘检测。该实验平台功能完善，可操作性强，能满足学生的研究实践，对提高学生的实践认知有重要作用。

固体电制热储热装置；高温高压；绝缘测试；教学实践

固体电制热储热是近年来新兴的一种清洁供暖方式，由于可以利用风电或谷电进行储热供暖，因此具有优秀的清洁能源消纳能力和辅助电网调峰能力，并且在我国北方得到了广泛应用[1]。为了进一步提高储热容量，固体电制热储热系统的储热温度和使用电压等级被不断提升[2]。高温绝缘套管和加热电阻丝作为固体电制热储热系统的主要高压设备，为满足逐步提升的储热要求，也进行了不断地创新和改进。与此同时，固体电制热储热系统的绝缘测试却没有可靠的测试平台，常规测试方法与固体电制热储热系统的实际工作环境相差很大[3]，容易产生检测误差。为提高固体电制热储热装置绝缘测试的可信度和创造一个可供学生进行高温高压绝缘测试实践的条件，开发了一种固体电制热储热装置绝缘测试实验平台。该测试实验平台功能完善，可操作性强，测试方便，能完全模拟固体电制热储热装置的实际工况，实现固体电制热储热装置绝缘的可靠测试。

1 测试实验平台设计

固体电制热储热装置绝缘测试实验平台主要由加热测试设备和加压测试设备两部分组成。加热测试设备通过外部加热器对储热室进行加热，使套管和加热电阻丝达到高温测试条件。加压测试设备对套管电极施加测试电压，使其满足高压测试条件。

固体电制热储热装置绝缘测试实验平台的加热测试设备布置见图1。绝缘测试实验平台中，瓷套管为被测试套管，通过绝缘支撑、绝缘支柱和底座实现对地绝缘和支撑。加热电阻丝嵌入由储热砖所砌筑成的结构体内，并按测试要求首尾相连，构成储热结构体。外部加热器接入电源后，通过风机、挡风板和循环风道使储热室内的空气产生循环流通，使储热室内的设备均匀升温。为防止热量耗散，储热室外墙设有保温墙进行保温。储热室的实时温度由测温热电偶测量[4]，当温度达到测试温度后，切断外部加热器电源，并进行高压绝缘测试实验。测试时，墙体及瓷套管法兰需通过接地线可靠接地[5]。

图1 加热测试设备布置

加压测试设备电路见图2，其中T表示实验变压器，V表示峰值电压表，CD1、CD2为电容分压器，T0为瓷套管试品。实验变压器接入电源，经变压后输出工频测试电压，并施加在电容分压器和试品两端[6]。通过电容分压器分压，将高电压变为可测量的低电压，由峰值电压表采集电压信息。

图2 加压测试设备电路

图3为固体电制热储热装置绝缘测试实验相对地、相间绝缘测试原理，分别测量高温绝缘套管和加热电阻丝的相对地、相间绝缘。测试高温套管的相对地绝缘时，需断开高温电极，对套管接线端子施加工频测试电压。测试套管相间绝缘时(如BC相绝缘)，需断开高温电极，在B相连接测试电源，C相接地。加热电阻丝绝缘测试同上，但需连接高温电极。上述绝缘测时，墙体均需接地。

图3 相对地、相间绝缘测试原理图

加压测试设备的布置见图 4。工频高压实验控制台为测量和调压设备，可以实时监控测量电压值，当试品发生击穿或闪络时，过流继电器将自动动作，切除电源，说明测试未通过。工频无晕实验变压器和电容分压器在实验时可以保证不发生局部放电，降低实验测量误差[7]。此外，工频无晕实验变压器、电容分压器、工频高压实验控制台实验时应可靠接地。

图4 加压测试设备布置

2 测试实物平台

图5为固体电制热储热装置绝缘测试实物平台，测试试品为耐高温绝缘瓷套管，可耐受电压66 kV、高温1100 ℃。根据国标GBT 4109-2008，1 min工频耐压测试电压为160 kV。根据标准DB21∕T2018-2012，储热装置内1 min工频耐压实验测试电压为133 kV。

图5 固体电制热储热装置绝缘测试实物平台

固体电制热储热装置绝缘测试实物平台中的绝缘支柱为高压陶瓷绝缘支柱，绝缘支撑为MZ-92型镁基氧化物，与储热砖材质相同，具有可靠绝缘能力[8]。外部加热器额定电压220 V，额定功率10 kW，加热电阻丝选用铁铬铝电热合金；保温墙选用珍珠棉为填充材料，高温电极为不锈钢。

图6为加压测试设备实物平台，其中电容分压器电容为3000 pF，额定电压400 kV。工频无晕实验变压器输入电压380 V，输出电压160 kV。工频高压实验控制台额定电压220 V，具有调压、测量、保护、合闸、计时、报警等功能。

图6 加压测试设备实物平台

3 测试实验平台操作方法

本文以66 kV固体电制热储热装置高温绝缘套管的绝缘测试为例，介绍测试实验平台的操作方法。为满足高温绝缘套管工作环境要求，要求通过加热测试设备和加压测试设备使瓷套管达到700 ℃高温和160 kV高压。其具体实验步骤如下：

（1）按照测试要求接线，测量环境及设备的不确定度，测量固体储热电源接引套管试品介质损耗因数、电容量和局部放电量，检查高温套管是否发生损伤[9]；

（2）将外部加热器接入220 V电源，对储热室进行加热，观察测温热电偶所测量实时温度是否达到700℃；温度达到700 ℃后，断开外部加热器电源；

（3）在高温绝缘套管的接线端子施加160 kV工频电压，75%实验电压前可自由升压，75%实验电压后均匀升压，直至实验电压[10]；

（4）持续施加工频电压1 min，观察是否发生闪络或击穿，如果没有出现闪络或击穿则认为套管通过了实验，如果出现一次闪络，则实验应再重复一次，如在重复实验时未出现闪络或击穿，则认为通过本实验，否则不通过。

图7为测试程序。

图7 测试实验平台测试程序

4 测试实验平台教学应用

依托本实验平台，学生可以进行认知实验，开展介质损耗测量仪、兆欧表、局部放电检测仪等一系列绝缘测试仪器操作实验，开展固体电制热储热装置绝缘测试操作实验，进行团队协作实验。

依据固体电制热储热装置绝缘测试步骤，在进行绝缘测试实验前需测量环境及设备的不确定度，通过不确定测量，学生可以掌握相关测试仪器的使用方法，学习不确定度的计算方法，直观了解不确定度的实际意义[11]。根据测量结果，在实验结果不确定度低于5%的条件下，环境温度和湿度的测量误差分别在±0.6 ℃和±2.6% RH内。局部放电测量系统当放电量小于20 pC时，测量误差为±1.5 pC；放电量在20~50 pC时，测量误差为±2.0 pC；放电量大于50 pC时，测量误差为±14 pC。在实验结果不确定度低于5%的条件下，无线电干扰电压测量系统、电压测量系统和冲击电压波形时间测量系统误差分别为±0.6 dB、0.42%和1.5%。

固体电制热储热装置绝缘测试实验前还需对瓷套管试品绝缘电阻值、介质损耗因数和局部放电量等参数进行测量。选用2500 V兆欧表测量瓷套管绝缘电阻，将兆欧表的两个端子分别接在套管的引出电极和法兰上进行测量，所测绝缘电阻值不应小于1000 MΩ。瓷套管的介质损耗角正切值和电容值可通过介质损耗测量仪测得，要求介质损耗角正切值不大于2%，电容值与出厂值相比偏差不超过±5%。瓷套管局部放电量由局部放电检测仪测量，其值不应大于3 pC。若上述测试均通过，证明套管无损伤[12]。

固体电制热储热装置绝缘测试的实验操作分为加热操作和加压操作两部分。按测试要求接线后，开启热电偶测温仪和外部加热器。待测温仪显示温度达到700 ℃后，关闭电源；开始调节工频高压实验控制台快速升压至75%实验电压，75%实验电压后均匀升压至实验电压，持续该电压1 min，观察有无闪络或击穿发生；时间到后，将电压降为0 V，断开电源，并挂接地线，对套管放电。实验结果见表1。

表1 绝缘测试实验结果

5 结论

固体电制热储热装置绝缘测试实验平台具有可操作性强、实验内容丰富、实验效果直观的特点。该绝缘测试实验平台能模拟固体电制热储热装置的实际工况，学生利用该实验平台，可以实践多种绝缘测试仪器，提高团队协作能力，增强学生对各种高温高压绝缘测试及各种绝缘放电现象的直观认识。

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Development of insulation test platform for solid electric heat storage device

XING Zuoxia1, FAN Jinpeng1, GE Weichun2, YANG Changlong3, YAN Ning1

(1. School of Electrical Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870, China; 2. State Grid Electric Power Co., Ltd., Shenyang 110004, China; 3. Shenyang Electric Power Supply Company, State Grid Liaoning Electric Power Co., Ltd., Shenyang 110042, China)

According to the practical application and teaching practice, an experimental platform for insulation test of solid electrical heating and heat storage device is developed to solve the insulation testing problem of solid electrical heating and heat storage device. High temperature and high pressure environment simulation and insulation detection for insulation test of solid electric heating and storage device are realized by heating test equipment and pressure test equipment. The experimental platform has perfect functions and strong operability, which can satisfy students’ research practice and play an important role in improving their practical awareness.

solid electric heat storage device; high temperature and high pressure; insulation test; teaching practice

TM925.6；G484

A

1002-4956(2019)09-0069-04

2019-01-09

国家科技支撑计划项目（2015BAA01B00）；国家电网公司科技项目（2018ZX-03）

邢作霞（1976—），女，河南新乡，博士，教授，博士生导师，研究方向为风力发电技术及智能电网。

E-mail: xingzuox@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.018