GIS現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)方法及裝置參數(shù)研究

朱秦川，吳經(jīng)鋒，張璐，韓彥華

（1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安 710048；2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安 710100）

自20世紀(jì)60年代問(wèn)世以來(lái)，SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（Gas insulated switchgear，簡(jiǎn)稱GIS）得到了迅速發(fā)展[1-5]。與敞開(kāi)式空氣絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備相比，GIS占地面積小、受自然環(huán)境影響小、運(yùn)行安全可靠、檢修和維護(hù)周期長(zhǎng)，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[6-11]。在我國(guó)，GIS已廣泛用于110 kV、220 kV、330 kV、500 kV主干線變電站，1 000 kV晉東南變電站也采用了GIS[12]。

GIS從設(shè)計(jì)到投運(yùn)，需進(jìn)行型式試驗(yàn)、出廠驗(yàn)收試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)等。型式試驗(yàn)和出廠驗(yàn)收試驗(yàn)分別用于檢測(cè)GIS設(shè)計(jì)和制造的缺陷，一般在工廠完成。而大型GIS一般均是出廠解體，運(yùn)輸至現(xiàn)場(chǎng)后進(jìn)行組裝。眾所周知，SF6氣體對(duì)局部高場(chǎng)強(qiáng)非常敏感。運(yùn)輸裝配過(guò)程中出現(xiàn)的電極表面刮傷、導(dǎo)電微粒進(jìn)入[13]等均會(huì)使GIS絕緣強(qiáng)度大幅降低。此外，GIS中隔離開(kāi)關(guān)、斷路器在進(jìn)行多次分合閘操作后，機(jī)械磨損會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生金屬粉末。以上懸浮金屬微粒的出現(xiàn)，使得GIS在工頻電壓下絕緣強(qiáng)度迅速降低，嚴(yán)重威脅其安全運(yùn)行。因此，GIS在現(xiàn)場(chǎng)組裝和大修后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)必不可少。

GIS的現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)主要包括交流耐壓試驗(yàn)和沖擊耐壓試驗(yàn)。研究表明，交流耐壓試驗(yàn)對(duì)GIS中懸浮導(dǎo)電微粒的檢測(cè)很靈敏，而對(duì)固定導(dǎo)電微粒和尖端、毛刺等缺陷的檢測(cè)有效性差，靈敏度很低[14]。而雷電沖擊對(duì)固定導(dǎo)電微粒的檢測(cè)靈敏度非常高，是對(duì)GIS現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)的有效補(bǔ)充[15]。目前，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)GIS，一般只進(jìn)行交流串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)。而對(duì)于特高壓GIS的現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)僅有西安交通大學(xué)和江蘇電科院在特高壓南京站開(kāi)展了有益探索。一方面，超、特高壓GIS組裝完成后電容量很大，一般的現(xiàn)場(chǎng)沖擊電源受尺寸和重量限制，輸出沖擊電壓波形很難滿足要求。另一方面，國(guó)內(nèi)外對(duì)GIS現(xiàn)場(chǎng)沖擊耐壓試驗(yàn)，尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，有些情況下甚至是根據(jù)試驗(yàn)設(shè)備條件確定試驗(yàn)方法和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，存在一些問(wèn)題。因此，本文僅針對(duì)目前主流的交流耐壓試驗(yàn)進(jìn)行分析和探討。

1 串聯(lián)諧振基本原理

串聯(lián)諧振裝置工作原理如圖1所示，其中圖1（a）為原理圖，圖1（b）為等值電路圖。當(dāng)R、Lx、C串聯(lián)回路中的感抗Lx與容抗Cx相等時(shí)，電感中的電場(chǎng)能量和電容中的磁場(chǎng)能量相互補(bǔ)償，試品所需無(wú)功功率全部由電抗器供給，電源僅提供回路有功損耗[16]。此時(shí)，有ωLx=1/ωC，諧振頻率為：

圖1 串聯(lián)諧振裝置工作原理Fig.1 Principle of series resonant device

調(diào)節(jié)變頻諧振裝置的電源頻率等于上述諧振頻率，使回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振。此時(shí)的回路電流I和試品Cx兩端電壓分別為：

式中，Q為品質(zhì)因數(shù)，可表示為：

由式（3）可見(jiàn)，當(dāng)回路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，試品Cx兩端施加電壓UC為變壓器副邊輸出電壓U的Q倍，Q值越大，串聯(lián)諧振回路輸出效率越高，對(duì)變壓器輸出電壓的放大作用越明顯。式（5）表明，變壓器輸出的有功功率P僅為試品Cx兩端無(wú)功功率的1/Q，回路的有功損耗很小。

2 串聯(lián)諧振裝置參數(shù)選取

串聯(lián)諧振試驗(yàn)回路參數(shù)選取首先應(yīng)滿足以下兩個(gè)條件：①諧振頻率f在標(biāo)準(zhǔn)DL/T 555-2004《氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)耐壓及絕緣試驗(yàn)導(dǎo)則》規(guī)定的范圍10 Hz～300 Hz之內(nèi)；②回路品質(zhì)因數(shù)Q值較高，使得試品兩端電壓滿足現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)值。

一般而言，在滿足試驗(yàn)要求的前提下，為使得現(xiàn)場(chǎng)攜帶的電抗器盡可能少，諧振頻率f值一般較大，選擇在100 Hz～200 Hz之間。而為了提高輸出電壓的效率，品質(zhì)因數(shù)Q的范圍一般為30～50。

由式（1）和式（4）聯(lián)立可得：

一般，回路等值電阻R包含串聯(lián)電抗Lx的等值電阻，回路引線電阻以及回路電暈等效電阻等，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)R一般約為10 kΩ。f取100 Hz～200 Hz，Q取30～50。帶入式（6）和式（7），得到回路等效電容C≈1.6 nF～5.3 nF，等效電抗L≈239 H～796 H。

表1為不同電壓等級(jí)GIS每間隔等效電容值?？梢?jiàn)，110 kV～500 kV GIS單獨(dú)間隔電容量在1 nF左右，以上計(jì)算得到的回路等效電容C≈1.6nF～5.3nF，故電容分壓器總電容Cn選擇為1 nF即可滿足串聯(lián)諧振要求。而為了降低試驗(yàn)設(shè)備尺寸和重量，此時(shí)的電抗值可選擇計(jì)算的下限值附近，即300 H。

表1 不同電壓等級(jí)GIS每間隔等效電容值Tab.1 Equivalent capacitance of every interval for GIS with different voltage classes

表2為不同電壓等級(jí)GIS出廠電壓及現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)值。表2中出廠電壓參照GB7674-2008給出的標(biāo)準(zhǔn)值，試驗(yàn)電壓值1為DL/T555-2004規(guī)定的GIS現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)值，該值為出廠試驗(yàn)電壓的80%。試驗(yàn)電壓值2為GB7674-2008規(guī)定的GIS現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)值?？梢?jiàn)，對(duì)于GIS現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)值，GB7674-2008與DL/T555-2004有略微差別。對(duì)于110 kV～330kV GIS，GB7674-2008規(guī)定的現(xiàn)場(chǎng)耐壓值高于DL/T555-2004，國(guó)標(biāo)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)GIS的考核較電力標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格。而500 kV～1 000 kV GIS，兩標(biāo)準(zhǔn)的耐壓值基本相同。

表2 不同電壓等級(jí)GIS出廠電壓及現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)值Tab.2 Factory voltage and field withstand voltage for GIS with different voltage classes

3 GIS設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)采用變頻式串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置，各元件具體參數(shù)如下：①變頻電源：輸入電壓380 V，輸出電壓0～350 V，電壓頻率范圍30～300 Hz。②勵(lì)磁變壓器：輸入電壓0～350 V/550 V，副邊輸出電壓0～40 kV/80 kV。③2臺(tái)高壓電抗器：每臺(tái)電感200 H，額定電流5 A，額定電壓300 kV。④電容分壓器：額定電壓450 kV，電容量1 000 pF。

3.2 諧振回路參數(shù)計(jì)算

由3.1節(jié)可知，串聯(lián)諧振回路總電感Lx=400 H，分壓器電容Cn=1 000 pF，330 kV GIS間隔試品電容Cx=1 200 pF，則負(fù)載總電容為C=Cn+Cx=2 200 pF。表3中的第1～5列為串聯(lián)諧振回路電壓、電流及諧振頻率測(cè)量值，第6及第7列分別為品質(zhì)因數(shù)Q和回路等值電阻R的計(jì)算結(jié)果。

由表3中的原邊電壓與原邊電流乘積可計(jì)算出諧振回路的有功功率P，由副邊電壓與副邊電流乘積可計(jì)算出諧振回路的無(wú)功功率Wc，則由式（5）可得到回路的品質(zhì)因數(shù)Q值，進(jìn)一步由式（4）計(jì)算得到諧振回路的等效電阻值R，如表3所示。

由表3可見(jiàn)，隨著試品兩端電壓增大，回路等值電阻R增大，品質(zhì)因數(shù)Q減小。這是由于試品電壓增加，回路引線電暈加劇，電暈損耗增大，回路等值電阻R增大。而此時(shí)的等效電感Lx和等效電容C基本不變，則由式（4）可見(jiàn)，此時(shí)的品質(zhì)因數(shù)Q逐漸減小。品質(zhì)因數(shù)減小導(dǎo)致回路試驗(yàn)效率降低，即在變頻電源輸出相同電壓時(shí)，諧振回路輸出電壓降低。因此，有必要研究串聯(lián)諧振回路裝置參數(shù)對(duì)品質(zhì)因數(shù)的影響，對(duì)諧振回路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到獲得更大Q值的效果。

表3 諧振回路等值參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of equivalent parameters for resonant circuit

3.3 現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)

為了檢測(cè)某330 kV GIS在大修后的絕緣情況，徹底排除設(shè)備存在的隱患，對(duì)該變電站330 kV GIS進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)。按照標(biāo)準(zhǔn)DL/T 555-2004《氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)耐壓及絕緣試驗(yàn)導(dǎo)則》的相關(guān)要求，現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓為416 kV，時(shí)間為1 min。電清掃施加電壓為210 kV持續(xù)5 min，330 kV持續(xù)3 min。整體加壓程序如圖2所示。

圖2 交流耐壓試驗(yàn)程序Fig.2 The AC withstand testing procedure

圖3為某330 kV變電站主接線圖，變頻耐壓裝置接入其中一帶電間隔進(jìn)線。為對(duì)I母及斷路器主絕緣進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，對(duì)相應(yīng)的隔離開(kāi)關(guān)和斷路器進(jìn)行分合閘操作，使相應(yīng)的母線及開(kāi)關(guān)帶電，如圖3中紅色實(shí)線所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，GIS主絕緣可耐受規(guī)定的試驗(yàn)電壓，無(wú)內(nèi)部擊穿放電及其它異?，F(xiàn)象，試驗(yàn)通過(guò)。

圖3 I母及斷路器主絕緣耐壓試驗(yàn)帶電示意圖Fig.3 Electrified schematic diagram of main insulation withstand voltage test for bus I and circuit breaker

4 串聯(lián)諧振裝置Q值影響因素

串聯(lián)諧振裝置的品質(zhì)因數(shù)Q是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)需要考慮的關(guān)鍵因素。Q值與試品兩端電壓和試品電容量等多種因素相關(guān)。

圖4為某330 kV GIS間隔在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)時(shí)的品質(zhì)因數(shù)Q及回路等值電阻R與試品兩端施加電壓關(guān)系曲線。

圖4 品質(zhì)因數(shù)Q及等值電阻R與試品施加電壓關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between quality factor Q and equivalent resistance R with voltage of testing object

由圖4可見(jiàn)，試品電容量一定，隨試品兩端電壓增大，回路品質(zhì)因數(shù)Q減小，回路等值電阻R增大。當(dāng)試品兩端電壓超過(guò)一定值后，回路等值電阻增大速度變快，品質(zhì)因數(shù)迅速降低。這是由于電壓超過(guò)一定值后，回路電暈突然加劇所致。電暈損耗包括回路引線電暈損耗、分壓器和電抗器等的電暈損耗等。因此，為減小電暈損耗，增大品質(zhì)因數(shù)，可采取以下措施：①增大連接導(dǎo)線截面，如將連接線換成波紋管。②將實(shí)驗(yàn)設(shè)備布置更緊湊，縮短連接導(dǎo)線。③分壓器、電抗器高壓側(cè)加裝屏蔽罩。

現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)中，實(shí)際GIS的間隔數(shù)目不定，試品電容量也會(huì)隨之變化，這將影響串諧裝置的品質(zhì)因數(shù)值。當(dāng)試品兩端輸出電壓值一定時(shí)，GIS試品電容量增大，由式（1）可知此時(shí)的諧振頻率f值減小。若按照理想狀況處理，不考慮回路電暈損耗與電壓頻率的關(guān)系，則品質(zhì)因數(shù)隨電容量增大逐漸減小。實(shí)際中，試品電容減小，諧振頻率增大，電暈損耗增大，回路等值電阻增大，由式（4）可見(jiàn)此時(shí)的品質(zhì)因數(shù)變化不定。

5 結(jié)語(yǔ)

調(diào)頻式串聯(lián)諧振現(xiàn)場(chǎng)耐壓裝置具有體積小、重量輕、電源能耗小、易滿足現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)值等優(yōu)點(diǎn)，可用于大容量GIS現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)GIS的電壓等級(jí)和間隔數(shù)目估算所需電抗器及分壓器容量，選擇試驗(yàn)變壓器輸出電壓等級(jí)。同時(shí)，為保證裝置輸出效率，應(yīng)盡量減小試驗(yàn)回路中的電暈損耗引起的等效電阻，以提高回路品質(zhì)因數(shù)，確保試品兩端電壓滿足要求。

[1]YUNGE Li.Analysis of very fast transient overvoltages（VFTO）from onsite measurements on 800 kV GIS[J]. IEEE Transactions on Dielectrics&Electrical Insulation，2012，19（6）：2102-2110.

[2]SRIVASTAVA K，MORCOS M.A review of some critical aspects of insulation design of GIS/GIL systems[C].Proceedings of the 2001 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition，Atlanta，Georgia，USA，2001：787-792.

[3]TEKLETSADIKK，CAMPBELLL.SF6breakdowninGIS[J]. IEE Proceedings on Science，Measurement and Technology，1996，143（5）：270-276.

[4]SABOT，A.GIS insulation co-ordination：on-site tests and dielectric diagnostic techniques.A utility poin to fview[J].Power Delivery IEEE Transactions on，1996，11（3）：1309-1316.

[5]MEPPELINK，J.Very fast transients in GIS[J].Power Delivery IEEE Transactions on，1989，4（1）：223-233.

[6]RIECHERT U，HOLAUS W.Ultra high-voltage gasinsulated switchgear-a technology milestone[J].European Transactions on Electrical Power，2012，22（1）：60-82.

[7]LI C，HE JL，HU J，et al.Switching transient of 1000-kV UHV system considering detailed substation structure[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2012，27（1）：112-122.

[8]GU DX，ZHOU PH，DAI M，et al.Overvoltages and insulation coordination of 1000-kV AC transmission systems in China[J].European Transactions on Electrical Power，2012，22（1）：83-93.

[9] 陳維江，顏湘蓮，王紹武，等.氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備中特快速瞬態(tài)過(guò)電壓研究的新進(jìn)展[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（31）：1-11. CHEN Weijiang，YAN Xianglian，WANG Shaowu，et al. Recent progress in investigations on very fast transient overvoltage in gas insulated switchgear[J].Pro-ceedings of the CSEE，2011，31（31）：1-11.

[10]HITOSHI OKUBO.Recent trend and future perspectives in electrical insulation techniques in relation to sulfur hexafluoride（SF6）substitutesforhighvoltageelectric pow[J]. IEEE Electrical Insulation Magazine，2011，27（2）：34-42.

[11]RIECHERT U，NEUMANN C，HAMA H.Very fast transient overvoltage（VFTO）in gas-insulated UHV substations[R].CIGRE Advisory Group Report，Paris，CIGRE，2010：56-67.

[12]谷定燮，修木洪，戴敏，周沛洪.1 000 kV GIS變電所VFTO特性研究[J].高電壓技術(shù)，2007，33（11）：27-32. GU Dingxin，XIU Muhong，DAI Min，et al.Study on VFTO of 1000 kV GIS Substation[J].High Voltage Engineering，2007，33（11）：27-32.

[13]李秀衛(wèi)，陳玉峰，王慶玉.提高GIS現(xiàn)場(chǎng)交流耐壓試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)探討[J].山東電力技術(shù)，2012，15（2）：22-26. LI Xiuwei，CHEN Yufeng，WANG Qingyu.Discussion on improving AC withstand voltage test standard of gasinsulated metal-enclosure switchgear on site[J].Shandong DianLi JiShu，2012，15（2）：22-26

[14]蔣英圣，盛國(guó)釗，彭兆銀.GIS現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)評(píng)述[J].高壓電器，1991，27（6）：35-41. JIANG Yingsheng，SHENG Guozhao，PENG Zhaoyin. Review on GIS field withstand voltage test[J].High Voltage Apparatus，1991，27（6）：35-41

[15]孫強(qiáng)，董明，任重，等.現(xiàn)場(chǎng)用GIS沖擊耐壓試驗(yàn)及局部放電檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].高電壓技術(shù)，2012，38（3）：639-644. SUN Qiang，DONG Ming，REN Zhong，et al.Field test and analysis of partial discharge on GIS under impulse voltage[J].High Voltage Engineering，2012，38（3）：639-644

[16]陳金祥，林一弘，徐升昊.用調(diào)頻式串聯(lián)諧振裝置對(duì)GIS進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)耐壓試驗(yàn)[J].高壓電器，2003，39（4）：76-78. CHEN Jinxiang，LIN Yihong，XU Shenghao.Comments on series resonant device with variable frequency for GIS field test[J].High Voltage Apparatus，2003，39（4）：76-78.