黑麋峰抽水蓄能電站500kV高壓電纜與GIS聯合耐壓試驗方案研究

劉平

（五凌電力有限公司黑麋峰抽水蓄能電廠 長沙市 410213）

根據黑麋峰抽水蓄能電站實際地理位置特點，超高壓500kVGIS分為地上、地下兩部分，采用500kV超高壓電纜連接成500kV配電裝置系統。根據國家規程規定，GIS及高壓電纜安裝完成后，都需要進行交流耐壓交接試驗，以檢查GIS與高壓電纜是否存在局部缺陷，是否能長期承受運行及特殊情況下的過電壓。

黑麋峰電站GIS為國內生產，高壓電纜為日本進口。兩者的設計制造所依照的標準不一樣，耐受電壓的水平也不一樣。黑麋峰地下GIS因設備間狹小，無法布置高壓試驗套管，也無法布置高壓耐壓試驗設備，因此只能將地上GIS、地下GIS與高壓電纜連接起來后從地上GIS出線套管處加壓進行耐壓試驗。

本研究成果就是針對這一難題，既考慮檢驗設備安裝質量的實際需要，兼顧盡量減少對設備的損害，又能滿足相應的國家標準和IEC標準對設備高壓耐壓的檢驗要求，在充分研究了黑麋峰電站GIS與高壓電纜性能參數和提煉其他電站成功經驗后，提出GIS與高壓電纜整體串聯諧振交流耐壓的試驗方案成果。該成果較好地解決了施工中遇到的工程難題，節省了試驗費用，也降低了工程造價。

1 概 述

1.1 黑麋峰工程概述

黑麋峰抽水蓄能電站安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機-發電電動機組，單機容量 （發電工況）300 MW，總裝機容量1200MW，以一回500kV電壓等級并入華中電網。投產后將擔負湖南及華中電網的調峰、填谷、調頻、調相及緊急事故備用等任務。電站樞紐建筑物包括上庫、下庫、引水系統、廠房洞室群及500kV地面開關站與副廠房等。

黑麋峰電站500kVGIS由地下和地上兩部分組成，以兩回500kV交聯聚乙烯高壓電纜連接，所用500kV干式電纜終端為國內首次使用。地上GIS以一回出線與出線平臺設備相連，預留一回出線。GIS設備包括管母線、斷路器、隔離刀閘、接地刀閘、快速接地刀閘、避雷器、電容式電壓互感器、出線SF6/空氣套管等。生產廠家為沈陽新東北電氣高壓開關有限公司，型號為ZF15－550，額定電壓550kV，額定電流4000A。高壓電纜由日本VⅠSCAS公司生產，型式為單相銅導體交聯聚乙烯擠包絕緣，銅導體截面積為800mm2，額定電壓500kV，額定電流875A，三相回路總損耗不超過80kW/km。

高壓電纜與地上、地下GIS連接終端處均因場地狹小，均不滿足高壓交流耐壓試驗的安全距離要求，因此高壓電纜只能從地上GIS出線套管處加壓，地下GIS則只能通過高壓電纜加壓。為避免多次交流耐壓試驗對設備造成損害，只有對GIS、高壓電纜同時耐壓。但二者各自的試驗標準不一致，且高壓電纜為進口產品，還必須考慮IEC標準。黑麋峰電廠籌建處在詳細研究比較各種規程標準，參考國內實際經驗，與行業內專家、設備廠家技術人員研討后，提出了折衷的試驗方案，能夠滿足考核產品和保證安全的目的。

1.2 交流耐壓基本方法

對GIS、發電機和變壓器、交聯電纜、高壓斷路器等電容量較大、試驗電壓高的被試品進行交流耐壓試驗，需要大容量的試驗設備，可采用串聯諧振試驗裝置，它能夠以較小的電源容量對較大電容和較高試驗電壓的被試品進行耐壓試驗，回路由被試品負載電容和與之串聯的電抗器和電源組成，如圖1所示。

圖1 串聯諧振回路原理接線

2 被試產品相關技術參數

2.1 高壓電纜資料

制造廠家：日本VⅠSCAS；型式：單相銅導體交聯聚乙烯擠包絕緣電纜；銅導體截面積：800mm2；額定電壓：500 kV；額定電流：875A；三相回路總損耗：低于80kW/km；導體交流電阻：0.0228Ω/km；導體直流電阻：0.0221Ω/km。

2.2 GIS資料

制造廠家：沈陽新東北電氣高壓開關有限公司；型號：ZF15-550；額定電壓：550kV；額定電流：4000A。

3 聯合耐壓方案

3.1 U0值的確定

會上首先就U0值的標準進行討論。IEC62067與GB50150-2006中規定500kV系統U0為290kV，但行業標準（DLT5228-2005水力發電廠交流（110～500）kV電力電纜工程設計規范）中規定U0為運行電壓300kV。各方一致認為，較高的電壓更能發現缺陷，根據桐柏電站的經驗，取U0為300kV是設備能夠承受的，因此本試驗也選擇U0值為300kV。

3.2 設備廠家的意見

湖南電力試驗研究院編制的初步聯合耐壓方案為：對地上、地下GIS與高壓電纜同時按136kV/2min—272 kV/10min—408kV/min—510kV/min—349kV （1.1Um/程序進行耐壓。專家建議，高壓電纜按IEC62067和GB50150-2006中規定的1.7U0/h耐壓能有效發現缺陷，24h1.1U的方式雖然也符合IEC62067和GB50150-2006的規定，但因試驗電壓與運行電壓相差無幾，實際上不一定能發現潛在的缺陷。GIS廠家因擔心GIS在高電壓下耐壓時間超過30min會導致盆式絕緣子絕緣激活，不同意GIS與高壓電纜共同耐壓510kV/h。對次，何永泉專家指出，根據桐柏電站的經驗，500kVGIS與高壓電纜共同耐壓1h是能夠通過的。但考慮到桐柏電站GIS為ABB進口產品，運行經驗較豐富。而黑麋峰安裝的GIS為新東北公司首次在蓄能電站中應用的產品，缺乏實際運行經驗，且在工廠試驗中交流耐壓時間均未超過1min，因此可以對510kV/h的聯合耐壓等級、時間進行討論修改。但對于專家組依據國內成功經驗提出的500kV/h或是500kV/0.5h的方案，GIS廠家仍表示不能接受。

高壓電纜廠家最關注的問題是對聯合耐壓設備可能暴露的缺陷的責任劃分，因此反復提出要明確GIS與高壓電纜的分界，其建議的試驗步驟如下：

（1）先單獨作地面GIS耐壓（按GIS廠家的程序作、136kV×2m、272kV×10m、408kV×1m、544kV×1m）。

（2）接上地面GIS和電纜、分開地下GIS和電纜的連接、對地上GIS與高壓電纜同時耐壓。（按GIS廠家的程序作、136kV×2m、272kV×10m、408kV×1m、544kV×1m）。

（3）最后連接上地下GIS、電纜及地面GIS作整體線路加壓（按折中方案加壓、136kV×2m、272kV×10m、408 kV×1m、510kV×1m、349kV×24hr）。

電纜廠家提出試驗方案后，各方均認為，整個試驗過程地上GIS將重復耐壓3次，不符合DL/T555-2004Cl 8.2.1的規定。可能會對GIS造成損傷。方案第二步的最后階段耐壓為544kV/min，超過了IEC標準中500kV交聯聚乙烯電纜的現場交流耐壓試驗電壓值，有不妥之處。因此此方案不宜采用。對電纜廠家的要求，籌建處當場向其保證，聯合耐壓時須由高壓電纜與GIS廠家代表同在現場見證，試驗過程如出現異常或設備缺陷，則按缺陷發生的物理位置進行責任劃分。雙方廠家代表均表示認可。

3.3 GIS、高壓電纜聯合耐壓試驗方案的確定

聯合耐壓試驗方案必須即達到有效考核被試品的目的，又滿足設備廠家出于己方利益提出的要求。專家組根據以往經驗指出，GIS設備一般不會存在絕緣缺陷，相比之下高壓電纜存在缺陷可能性更大，因此必須以電纜耐壓標準為依托，盡量使GIS耐壓符合電纜的耐壓方式。電纜與GIS共同耐壓時，據行業內經驗高壓電纜運行中可能出現的過電壓的計算值為額定電壓的1.3～1.4倍，因此可選擇400kV/h的加壓方式。這樣即滿足并超過了規程規定的330kV/h的要求，也達到了電纜運行中實際可能出現的過電壓，能夠發現可能影響安全運行的缺陷。因規程規定GIS的耐壓等級為544kV/min，而高壓電纜按規程要求是不能照此方式耐壓的。為盡量有效的考核GIS，可在400kV/h之前進行510kV/min的聯合耐壓。對于地上GIS，可以單獨進行規程規定的544kV/min耐壓，這樣在整個試驗過程中，只有地上GIS進行了兩次耐壓，即能有效考核設備，又不會對GIS造成額外損傷。綜合考慮，確定如下折中聯合耐壓試驗方案：

（1）地面GIS安裝完成后按DL/T555-2004的規定單獨進行老練耐壓試驗，方案為：136kV/2min—272kV/ 10min—408kV/min—544kV/min，分相耐壓。試驗接線如圖2，圖3。

圖2 地面GIS交流耐壓試驗接線圖

圖3 地面GIS老練及耐壓加壓時序圖

（2）高壓電纜與地上、地下GIS連接后整體耐壓，方案為：136kV/2min—272kV/10min—408kV/min—510 kV/min—400kV/h，分相耐壓。試驗接線如圖4。

圖4 GIS與高壓電纜聯合交流耐壓試驗接線圖

老練及耐壓加壓時序圖如圖5。

圖5 GIS與高壓電纜老練及耐壓加壓時序圖

4 試驗設備初步選型計算

4.1 地面GIS耐壓試驗設備選型

根據GIS廠家提供的參數，地面GIS單相母線長37 m，單位電容值為161.35pF/m，單個斷路器電容值為320 pF，單個隔離開關電容值為80pF，每相有2個斷路器和4個隔離開關，可算出地面GIS單相總電容為C＝161.35× 37＋320×2＋80×4＝7930pF。又因GIS廠家提出應將諧振頻率控制在100Hz以下，則串聯電抗器電感值L應滿足：

代入電容與電抗數值，可算出使用此電抗后的諧振頻率f0為：f0＝1/≈73Hz。根據電抗器電阻參數與GIS電阻參數估算高壓回路等效電阻R為6100Ω，進而可知，試驗回路的品質因數為Qs=ω0.L/R≈44.5。最高試驗電壓為544kV，所以激勵變壓器至少應能輸出544kV/ 44.5=12.22kV電壓。湖南試研院所用電源變頻裝置輸出電壓范圍為（0～365）V，因此激勵變的變比應至少不小于12.22/0.365=33.4。出于保留一定裕度與保證調壓靈敏性的考慮，最好選擇變比在40左右的變壓器。

地面GIS單相最大試驗電流Im＝ω0.C.Um＝73×6.28×7.93× 10－9×544000≈1.97A。因諧振時電路不從外界吸收無功功率，所以試驗回路最大功率為P＝U.Im＝12.22×1.97×1000＝23.876kW，選擇的激勵變壓器的容量必須在此之上。

現場能提供380V，300A的試驗電源，能滿足試驗的容量要求。

4.2 地面、地下GIS與高壓電纜整體耐壓試驗設備選型

黑麋峰高壓電纜安裝后單根長度約為415m，單位電容量為0.15μF/km，則電纜的電容0.15×0.415＝0.06225 μF＝62250pF。地下GIS長28m，只有1個隔離開關，單相電容值計算為161.35×28＋80＝4660pF。因此GIS與高壓電纜總體電容值為62250＋7930＋4660＝74840pF。

要依照GIS廠家要求控制諧振頻率在100Hz以下，串聯電抗器電感值L應滿足：

使用此電抗后的諧振頻率f0為：f0＝1/LC)≈55 Hz。根據設備參數可知試驗回路等效電阻約為553Ω。因此品質因數計算值為Qs=ω0.L/R≈70。

老練加壓程序中最高試驗電壓為510kV，所以激勵變壓器應能輸出510kV/70=7.28kV以上電壓。試驗所用電源變頻裝置輸出電壓范圍為（0～365）V，因此激勵變的變比應至少不小于7.28/0.365=20。為保留一定裕度與保證調壓靈敏性，選擇變比為25左右的變壓器最合適。

最大試驗電流 Im＝ω0.C.Um＝55×6.28×74.84×10－9× 510000≈13.18A。諧振時電路不從外界吸收無功功率，所以試驗回路最大功率為P＝U.Im＝7.28×13.18×1000＝95.95kW。激勵變壓器的容量必須大于此最大功率值。現場提供380V，300A的試驗電源功率為380×300×10－3＝114kW，符合試驗容量要求。

5 總 結

最終試驗方案是本著對設備安全與質量負責的態度，綜合考慮了業主與設備廠家的共同利益后研究出的。相信對以后其他工程的類似情況也具有指導作用。值得高度重視的是，高壓電纜終端在耐壓中是最易出現問題的，宜興蓄能電站的地面GIS、地下GIS、高壓電纜共同進行500kV、30min的交流耐壓過程中就有兩個電纜頭因終端處電場分布不均被打爆。黑麋峰電站高壓電纜的環氧樹脂干式終端在國內尚無運行經驗，因此終端制作的質量控制是重中之重的工作。

1 GB/311-83.高壓輸電設備的絕緣配合、高電壓試驗技術[S].

2 GB50150-2006.電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S].

3 GB/T16927.1-1997.高電壓試驗技術第一部分：一般試驗要求[S].

4 DL/T474.4－2006.現場絕緣試驗實施導則[S].

5 DL/T555-2004.氣體絕緣金屬封閉開關設備現場耐壓及絕緣試驗導則[S].

6 DLT5228-2005.水力發電廠交流110kV～500kV電力電纜工程設計規范[S].

7 肖如泉,何金良.高電壓試驗工程[M].北京：清華大學出版社,2001.