高压测试试验室的屏蔽与接地

小结

高压测试试验室需要有一个电磁屏蔽来进行电力装置及电缆的局部放电测量。这种屏蔽必须与一根深埋的接地杆相连来阻止由地表循环电流引起的干扰。在实验区需要有一个等电势的平面来进行脉冲试验。

本文回顾了高压试验室屏蔽、接地和过滤系统的识别特征，论证了在电缆测试工业屏蔽室内进行的局部放电测量性能测试中的已得结论。

导论

已经设计了高压测试试验室来进行有局部放电测量的低频试验、操作和雷击冲击试验及电力装置的潮湿试验。试验厅的设计按照限定验收试验的标准与规范来进行。

例如，必须安装一个高频电磁屏蔽和特殊的接地系统以确保高压交联聚乙烯电缆测试的局部放电测量中有极小的背景噪音。

试验厅需要有大的尺寸和足够高以防止物质喷溅到墙壁和房顶的间隙来进行超高压断电的操作冲击试验。

需要在试验厅的大部分地板上嵌入紧密的铜丝编织层且需要有敷设待测电缆的屏蔽管道来进行雷击冲击试验。

试验室地面必须是倾斜的且必须提供一个合适的排水系统来收集潮湿试验时溅在绝缘体上的水。

大功率变压器的试验需要有大举重能力的起重机或可以用气垫层运送大变压器的涂有树脂的地面。

必须提供特殊的污染室来进行线、柱或绝缘体的人工污染试验。

要符合所有这些要求是困难的且耗资巨大，因此一个工业高压试验室经常用来测试一种类型的装置。

尽管如此，局部放电测量和脉冲试验仍必须在同一个试验室厅内进行而且该试验室厅的电磁屏蔽必须由一个等电势的平面来完善。

本文回顾了器械制造商、公共事业单位及研究中心使用的高压试验室所实施的不同设计方法和技术解决措施。

电磁屏蔽

   理想的屏蔽能形成一个可以覆盖试验厅墙、屋顶及地面的连续的金属罩。法拉第发现影响这种屏蔽的外部电磁场能感应出一种在墙壁、屋顶或地面流动的电流。这种电流使外部磁场不能穿透金属罩。用AM模式播音的无线电站发射此种干扰性电磁场。此外，可以通过内部燃烧引擎的点火系统，通过电机车缩放仪和牵引线间的燃火，通过电弧焊以及通过许多别的方法来产生一个瞬间电磁场。

实际上，电磁屏蔽不可能是连续且完全封闭的。因为它是由边缘连在一起的金属板，由门和窗构成的。必须保证金属板间及门的边缘有低阻抗的接触点。

屏蔽内由，比如说广播电站感应出的非常小的电流可以通过门与框间的润滑接触或通过由螺栓连在一起的金属板上的一层氧化层而改变方向。电磁场通过屏蔽的这种不连续性或“打开”进入高压试验厅从而在局部放电测量线路中产生类似于天线的干扰。这种干扰掩盖了微弱的局部放电信号且使已检测的高压绝缘物不能被识别。

屏蔽效率指屏蔽区内部与外部电/磁场元件之比。屏蔽效率越高，背景干扰效率越低。当然，屏蔽效率越高，高压试验厅的花费就越高。每种器械都界定有容许的局部放电值，大小从电力变压器的几百pC到交联聚乙烯电缆的单个pC。高压电力变压器的背景干扰不应超过几十pC；而测试交联聚乙烯电缆时背景干扰应降到接近1pC。

由供电电缆和控制电缆及接地系统传导的干扰

设计良好的电磁屏蔽能有效的减少局部放电测量线路中产生的干扰。

然而，供电电缆和控制电缆或试验室地表也能传导干扰。电力电缆和控制电缆带有工频电流和含有高频光谱元件的叠加传导干扰。置于串联馈电线内的射频过滤器阻止这些高频电流进入屏蔽罩。

此外，在工业环境中，零星的电流在土壤上层，在供电变压器不同的接地点间，在大的发电机及安装在不同工厂内别的负载上循环。高压试验厅的屏蔽金属罩为这些零星的电流提供了一个低阻抗通道。接通与断开这种电流会在局部放电测量线路中产生瞬间干扰。

据报道，由单一正弦电压波测出的局部放电量要低于在同一物体上用曲形电压波测出的值。然而，工厂经常使用配有可控硅速控驱动的大型发电机。这种驱动在供电系统中产生出电流与电压较高的和谐性。变形的电源电压影响测试电压波形，并且使在已测物体上测出的局放值变大。

高压供电变压器感应电压测验中的局部放电测量

   需要有一个非常大的试验室来检测超高压供电变压器。这个大的试验厅需要由一个能进行宽带局放测量的电磁屏蔽来保护。已经为Montreal世界上最大的IREQ高压试验室设计了此种屏蔽。从该屏蔽调试起就已经收集了重要的实践经验。对这些经验及有关该屏蔽性能的一些发现的评论可能对进行新安装工程的设计者有利用价值；这些在本文中将有所阐述。将以一个备有电磁屏蔽的大型高压试验厅（82×67m，到厅顶的间隙为52m）为例来论述此电磁屏蔽的识别特征。电磁场部件的屏蔽效率在690kHz下测量且以如图1所示的等衰减线的形式来表示。变压器测试试验室的经验表明磁场部件衰减60dB一般上足以把局放的背景干扰降到所需的10pC。

一些制造商使用起重机把变压器从生产地运到高压试验区。起重机横杆和馈线进入屏蔽测试厅，从而降低屏蔽效率。现代化的工厂用气垫层移动变压器，从而可以有效的关闭屏蔽测试厅。

应该考虑足够大可以进行400kV供电变压器试验且有到厅顶和墙壁必需间隙的高压试验厅内电磁屏蔽的耗资问题。一些小的制造商无力支付这项巨资，从而尝试在八小时内进行感应电压试验；因为在此时间段内，大部分干扰源处于不活跃状态。然而，干扰的存在和强度是随意且不可预见的。大的制造商必定要根据紧凑的日程安排来运送变压器从而不能进行“合适时间”测试。

滤除传导干扰

   设计且安装良好的屏蔽把外部磁场产生的干扰降到可以忽略不计。高质量的高压试验设备提供没有局部放电的试验电压。这时，主要的干扰是由供电、控制及接地系统传导出的。

要有一个很低干扰的要求使试验厅设计者们注意到另一种进入到测试回路中的干扰。这种干扰是由供电、控制及测量电缆传导出的。接入已屏蔽高压试验厅的所有线路都被装上了特殊的过滤器来衰减传导出的干扰信号。过滤器的复杂程度和花费取决于所需的衰减性和必须流过该过滤器的工频电流。

气核反应器衰减有区别的传输模干扰而有双线缠绕的磁核反应器则减小普通传输模干扰。后一种干扰由相导线传导且通过地面返回。原则上来说，载流电流不应渗透反应器的核，因为双线缠绕抵消了往返电流产生的磁流量。

此外，高压过滤器与局放测量线路中的阻塞阻抗和耦合电容器一起同时起作用。

由和声引起的测试电压波形的变形

   工业试验室要解决的一个实际问题是保持试验电压光谱上的单一波形。

   通常情况下，高压试验室建在生产地附近。它们由同一个变电站供电，有时甚至由同一个变压器供电。大型机器和其它非线性负载的可控硅控制驱动使电流变形从而使供电电压的波形变形。这种变形被转移到试验电压上，从而破坏局部放电测量。

     例如，实心绝缘体内气泡的局放强度随测试电压的升高而增大。较高和声量的增加使电压曲线变得更陡，从而产生较高的局放强度。该问题已被查明；有关这种变形的典型例子示于图5中。高压试验室应由不同的电力变压器供电来减小此问题带来的影响。 

“法拉第绞笼”的接地

   在工业生产环境中，上层土壤传导接地电流特别是工频电流的较高和声。这种电流由可控硅控制负载，比如电气发动机或整流器，产生出。

   应该注意，第三和第九和声电流在同一相位内流过三相导线。

   因此，这些和声电流像流过一个普通导体一样流过三相导线。（正好相反的）如图6所示。

   这种电流通过“零”线也通过与“零”导体平行的接地系统流回供电处。（变电站的电力变压器）较高频率下，“零”导体阻抗一般上高于接地回路的阻抗。

   例如，截面为300m“零”线的电抗在第三次和声时为X₀=2π.3.50[Hz].1[mH/m].300[m]≈0.3 W而在第九次时X₀接近1W。

   接地系统一般上有较低的阻抗和较高的和声而且瞬间普通干扰电流易于流过上层土壤。这种瞬间干扰电流是由弧焊接，接触断开处的火花，电牵引电机车的火花和类似物产生的。埋在地下的任何金属物都能提供有较低阻抗的路径而且“聚集”接地电流。例如，高压试验厅的钢结构及任何金属电缆屏蔽或埋于地下的管子都聚集较高的和声电流。这示于图7中。

   为阻止零星电流流进电磁屏蔽内，必须把电磁屏蔽与局部地线及与局部地线相连的结构元件分离开。一根特殊的接地棒被深驱动于土壤中且与上层土壤绝缘。电磁屏蔽必须与这种深驱动的接地棒相连并且与所有局部接地的结构绝缘。

交联聚乙烯电力电缆验收试验中的局放测量

由于非常低的容许局放值，高压交联聚乙烯绝缘电力电缆是局放测量中最难测的试验物。通常情况下，测试标准允许的pC值为1pC，2pC或最多5Pc。尽管测试线路有大的尺寸，背景干扰也应小于1pC。

例如，装在支撑物上额定电压为400kV电缆的端套可以高达10米。即使不大的电磁干扰场也能在这种天线中产生强大的信号。高压试验室的电磁屏蔽应有高的效率，应超出屏蔽范围中的100dB而且达到局放测量仪器频率的上限。如有可能，想在由把金属板焊接临时做成的电磁屏蔽内得到如此高的衰减是相当困难的。

需要有配有特殊、预制接缝和接头的屏蔽房来获得所需的屏蔽效率。

典型的屏蔽房符合国际和美国国家标准的要求。衰减性是与美国军事和国家安全机构的屏蔽效率规范相比较而制定的。改屏蔽的典型屏蔽效率示于图8中。

屏蔽墙由双层镀锌钢护层构成，中间夹有胶合板来保证结构的坚固性。由一排螺栓紧固的特殊设计的模压把相邻板的边缘连接在一起。应特别注意大到可以允许大型和重型高压电缆盘运进的门。（达5×5m）

有时沿着门框的边缘安装了被称为“手指”的电磁垫圈。当关门时，门窄而锋利的边被挤入这些“手指”中。这些“手指”由坚硬的铍-铜合金构成且被焊接到门框上。每次开门、关门时，有弹性的尖“手指”会刮擦门的边缘，除去灰层，从而使屏蔽和门间的镀锌接触层清洁。

屏蔽物的挤压空气通风管道配备有蜂窝状的电磁挡水层，从而无干扰的光固定物不会产生背景干扰。

高压和超高压电缆的电缆盘非常重，经常用叉形升降装置来移动。屏蔽房的地板应由钢筋混凝土做成来移动这种负载。加固层的钢杆在交叉点被焊接在一起，但与房内的屏蔽物相绝缘。屏蔽房内有一个与中心接地点的单一连接。

使用高压共振试验系统来进行交联聚乙烯绝缘电力电缆的例行试验。可以把钢槽反应器用于测试电压达400kV的中压和高压电缆的测试中。彼此堆在一起的，直线型连接的绝缘槽反应器可以产生高于400kV的试验电压，从而可以用于测试超高压电缆。

钢槽反应器容许如图9所示的测试系统布置。钢槽是屏蔽的一组成部分，因为它与屏蔽墙相连接。谐振线路exciting变压器同样被装于钢槽内部，而供电RF过滤器则直接装在钢槽的表面。这会产生一个屏蔽效果好的小型测试场布置。

用待测的电力电缆测量出了背景噪音值。在于耦合电容器相连的电缆端上进行了局部放电的校准，（电缆端A示于图4中）从而减小了沿电缆传播的局放脉冲的形变。局放测量设备的频率范围由约20kHz到10MHz。在不同电缆型号、长度、额定电压及导体横截面上测出的背景噪音通常小于1pC，有时噪音被降到小于0.2pC。后一个值（0.2pC）似乎是配有最先进局放测量器械的工业屏蔽室所能达到的噪音的极限。电力电缆“远”端的校准已被用来估量沿电缆传播的脉冲的频率缓冲的影响。尽管电缆很长（达2500m），已经发现pC值为1pC和2pC的校准脉冲。 

进行脉冲试验的高压试验室的地面设计

   高压电力装置的脉冲试验在试验室墙壁和地板间产生出瞬间电流。这种电流在脉冲发生器、分压器、转压器和测试物接地点间产生了瞬间电位差。分压器和转压器发出的信号通过同轴电缆传到脉冲记录器上。个别接地点间的瞬间电位差产生出一个影响已记录信号的强大普通模干扰。

     结论

●    用以在电力器械验收试验中进行局放测量的高压试验室必须配备一个电磁屏蔽。对测试交联聚乙烯电力电缆高压试验室电磁屏蔽有效性的要求做了最严格的规定。

●    高压测试厅的电磁屏蔽耗资大，因此必须达到但不能超出要求的屏蔽效率。在电力变压器厂，屏蔽可以由焊接在一起的钢板构成。然而，交联聚乙烯电缆厂需要购买专业设计的有合适裂缝和接点的屏蔽。

●    除了外部磁场产生的干扰外，接入屏蔽物的供电、控制和测量系统也可能传导干扰。需要高效的过滤系统来减小穿透屏蔽的传导干扰。

●    可控硅控制驱动和其它非线性负载产生出局部供电线路流出电流的较高的和声。这影响了供电电压，使测试电压的波形变形且使高压绝缘中测出的局放值变大。直接从变电所为高压测试试验室供电的单个电力变压器减小了和声的变形。

●    较高的和声及瞬间干扰电流由工厂接地系统来传导。大部分这种电流循环在上层土壤中。为了减少这种干扰，电磁屏蔽必须与工厂接地相绝缘且与一个与上层土壤绝缘的深驱动杆相连接。

●    高压脉冲试验经常在同一个测试试验室内进行，而且必须把低阻抗的接地板嵌于试验室地板上。接地编织层和敷设测试电缆的管道的花费占整个试验室花费的很大一部分，因此必须仔细设计与计算。

●    考虑了所有减少干扰的因素，高压屏蔽试验室的工业安装也可以对长交联聚乙烯绝缘电力电缆进行精确的局部放电测量。

［500kV110 在 2010-12-6 14:49:17 编辑过］