GIS交流耐壓試驗原理與裝置

溫定筠 張秀斌 孫亞明 呂景順 張 玉

（國網甘肅省電力公司電力科學研究院，蘭州 730050）

交流耐壓試驗是鑒定電力設備絕緣強度最嚴格、最有效和最直接的試驗方法，它對判斷電力設備能否繼續參加投入運行具有決定性的意義，也是保證設備絕緣水平，避免發生絕緣事故的重要手段。按照現行交接試驗標準、狀態檢修試驗標準，交流耐壓試驗是GIS 現場交接試驗、診斷性試驗的關鍵項目。

1 試驗原理

GIS 內部為同軸圓柱體型稍不均勻場電場結構，施加交流電壓時，對外表現為電容性，可以用集中電容來等效。交流耐壓試驗可以通過外施工頻電壓法、工頻諧振法、電磁式電壓互感器加壓法及變頻串聯諧振法四種方法來實現。變頻串聯諧振法所需電源容量小、裝置體積重量輕、試品擊穿故障不易擴大，是目前最為常用且最為合理的試驗方法。

試驗時采用電感量固定的試驗電抗器與試品串聯，通過在較寬頻率范圍內調節變頻器的輸出，從而使回路達到諧振狀態，繼而調節調壓器的輸出電壓在試品上產生所需電壓。試驗回路如圖1所示。

由于試品電容的不同，試驗電壓的頻率會有較大范圍的變化，目前現行的國家標準規定試驗電壓的頻率應在10～300Hz 范圍內。

圖1 變頻諧振交流耐壓試驗裝置結構原理圖

根據電路原理試驗回路可以等效為RLC 串聯電路，如圖2所示。

圖2 變頻串聯諧振交流耐壓試驗電路原理圖

在RLC 串聯電路中，在正弦電壓的激勵下，電路的工作狀況將隨頻率的改變而變動。電壓頻率達到回路固有頻率電路出現諧振狀態，電感和電容兩端電壓達到外施電壓的Q倍，稱為串聯諧振電路的品質因數，從品質因數的公式可見回路中電阻對品質因數影響最大。

在諧振狀態時，電源只需要提供電阻R消耗的有功功率，而無功功率為零值。回路中等效電阻來源于兩個方面：①試驗變壓器、試驗電抗器、被試設備及試驗導線的電阻，屬于試驗回路固有電阻；②試驗回路電暈損耗的等效電阻。回路固有電阻通常無法改變，因此，改善品質因素的途徑只有降低回路的電暈損耗，特別對于電壓等級較高的試品，在試驗中，應采取使用擴徑導線、均壓環等措施。

2 試驗裝置

主要試驗設備包括變頻器、調壓器、試驗變壓器、試驗電抗器和分壓器，目前變頻器均具有調壓功能，因此不需要單獨配置調壓器。

2.1 試驗電抗器

試驗電抗器整個試驗回路的核心，根據試驗回路諧振條件，可以得出試驗電抗器電感的計算公式按照現行標準，試驗頻率范圍為20～300Hz，根據被試設備的等效電容，可以計算出相應的電感值，按照需要施加的試驗電壓，即可得到試驗電抗器的額定電壓和額定電流。處于經濟性考慮，通常一個單位希望同一臺設備的試驗能力能夠盡可能覆蓋本地區所有同類型的被試設備，所以，設備參數通常會留有一定裕度。目前較為常見的試驗電抗器有80H、150H、200H、300H 等，額定電壓為250kV，額定電流3～6A 不等，具備串聯組裝的接口，使用單臺電抗器可以完成110kVGIS的試驗，通過2～5 臺電抗器的串聯，可以完成220～1000kVGIS 的試驗。

2.2 分壓器

分壓器用來直接測量試驗電壓的數值，一般選用電容式分壓器。這樣，在某些試品等效電容較小時，分壓器與電抗器組成的回路，自振頻率可滿足標準要求；對試驗電壓頻率有特殊要求的情況下，分壓器高壓臂電容可以參與提高回路電容，從而降低諧振頻率，確保試驗電壓頻率在標準規定的范圍內。常用的分壓器高壓臂電容為500 pF 或1000 pF，單節額定電壓250kV。可以單節使用，也可以多節串聯使用，配置不同的低壓臂可以實現1000：1 或2000：1 的分壓比。分壓器測量誤差要求為不低于±1%。

2.3 試驗變壓器

試驗變壓器的低壓額定電壓與變頻器的輸出匹配，通常為380V 或400V。如前所述，試驗電壓與試驗變壓器輸出電壓成正比關系，系數為回路品質因數，可以按照40～100 來估算品質因數，試驗電壓越高，回路品質因數越低，這樣即可得出試驗變壓器輸出電壓的范圍，按照需要提供的最高輸出電壓，可以確定試驗變壓器高壓側的額定電壓。在試驗時，應盡可能使試驗變壓器工作在較小的變比，從而降低電源的輸出，因此，可以在試驗變壓器高壓側設置若干不同額定電壓的抽頭，滿足不同試驗電壓的試品。

2.4 變頻器

按照試驗要求，可以計算出額定功率；此外，其他要求如下：變頻器額定輸入電壓為三相工頻380V±15% ；額定輸出電壓：單相 0～400V，連續可調；輸出波形為純正正弦波；頻率調節范圍為20～300Hz，頻率調節分辨率為0.1Hz。

3 現場試驗實例

3.1 實例1

某變電站新安裝330kVGIS，額定電壓363kV，工頻耐受電壓（有效值）510kV。試驗設備，采用變頻器1 臺額定容量70kW；試驗變壓器額定容量40kVA，高低壓繞組電壓比380V/10kV；試驗電抗器用2 節串聯，每節額定電壓250kV、額定電感300H，共計600H。

被試GIS 各相主回路及斷口均通過交流耐壓試驗，試驗中主要數據如表1所示。

表1 實例1 試驗數據

3.2 實例2

某變電站新安裝750kVGIS，額定電壓：800kV，工頻耐受電壓（有效值）960kV。試驗設備采用變頻器 1 臺額定容量 200kW；試驗變壓器額定容量240kVA，高低壓繞組電壓比400V/20kV；試驗電抗器用4 節串聯，每節額定電壓250kV、額定電感150H，共計600H。

被試GIS 各相主回路及斷口均通過交流耐壓試驗，試驗中主要數據如表2所示。

表2 實例2 試驗數據

4 結論

研究得出的變頻器、試驗變壓器、試驗電抗器參數進行合理配合，組成相應的試驗裝置，品質因數達到40 以上，能夠成功地完成西北地區220～750kVGIS 的交流耐壓試驗，有效地檢驗設備內部絕緣狀況，保證投運后的安全穩定性。

[1] 劉鐵成,程全梁,劉凱東. 北京城北500kV 變電站GIS系統的交流耐壓試驗[J].電力建設,2006,27(11):8-10.

[2] 包趨寧. 串聯諧振電路在電氣設備交流耐壓試驗中的應用[J].電氣應用,2008(15):49-51.

[3] 沈宏強,葛占雨.GIS 交流耐壓試驗及其案例分析[J]. 電力建設,2013(4):107-110.

[4] 張煒,楊明,李峰,陳平,徐萍.500kV 地下變電站GIS 設備交流耐壓試驗研究[J].華東電力,2009,37(11):1912-1913.

[5] 嚴璋,朱德恒.高電壓絕緣[M].北京：中國電力出版社,2002.

[6] 施圍,邱毓昌,張喬根.高電壓工程基礎[M].北京：機械工業出版社,2006.