1000 kV 氣體絕緣封閉裝置關鍵出廠試驗

王 晨，施景壘

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

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1000 kV 氣體絕緣封閉裝置關鍵出廠試驗

王 晨，施景壘

（江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103）

摘要：在變電工程建設中，為保證氣體絕緣封閉裝置（GIS）制造質量，需對GIS制造過程實行有效監造。從監造角度出發介紹了1000 kV特高壓GIS關鍵出廠試驗的試驗方法以及試驗過程中可能存在問題，對其他各電壓等級GIS設備出廠試驗監造工作也具有參考意義。

關鍵詞：氣體絕緣封閉裝置；出廠試驗；監造；特高壓

氣體絕緣封閉裝置（GIS）是由斷路器、隔離開關、接地開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器、電纜終端及進出線套管等組成，并注入絕緣且消弧能力很強的SF6氣體的封閉式組合電器。其實現了小型化、模塊化，絕緣不受外界影響，對周圍不產生電磁場、雜音和無線電干擾，合乎環保要求，具有可靠性高，安全性能好，配置靈活，安裝周期短，維護方便和檢修周期長等優點。目前大量新增開關設備均采用GIS，尤其是在特高壓變電站開關設備全部采用GIS。但GIS一旦發生內部故障， 修復周期長、過程復雜、對供電系統影響較大，因此用戶對GIS質量要求特別高。

為了保證GIS制造質量，需對其制造過程實行有效監造，以保證設備到達現場后能夠順利安裝、調試和投產，實現變電站的一次成功投運和可靠運行。通過開展GIS出廠試驗見證工作，實現關口前移，把潛在的產品質量問題消除在制造廠內，提高產品入網質量，保障電網安全可靠運行，防止不合格產品進入電網。文中介紹了1000 kV特高壓GIS關鍵的出廠實驗方法。

1　氣體密封試驗

SF6氣體密封試驗通常采用局部包扎法，如圖1所示。包扎范圍有：殼體法蘭密封面及對應的角焊縫、直動密封和轉動密封處、壓力表接頭、管接頭及閥門處、瓷套密封面、法蘭膠裝及粘接處、殼體的環焊縫處等，如圖1所示。

進行包扎法測量SF6氣體泄漏率時，要求試驗場地通風良好，周圍環境SF6氣體濃度測量值在5×10-7（體積比）以下才允許包扎。如果環境中濃度大于1× 10-6（體積比）時，停止包扎，應采取措施降低環境中SF6氣體濃度。包扎一定時間后（不少于24 h），測定包扎腔內SF6氣體的濃度，并通過計算來確定SF6氣體年泄漏率，年泄漏率不超過0.5%［ 1 ］，計算公式如下：

其中：ρ為SF6氣體密度6.15 kg/m3（1.013×105 Pa，20℃）；T為1年時間；V為估算出的檢漏罩和試品之間的凈容積；K為包扎檢漏前后SF6氣體濃度變化值；M 為SF6質量；t為包扎時間。

值得注意的是不同生產商為提高產品質量，會不同程度提高氣密性內控標準。因此廠內監造試驗時氣密性試驗經常會出現滿足國標，卻達不到內控標準的要求。

圖1　氣密性試驗

2　主回路電阻試驗

主回路電阻測量是驗證設備裝配狀況的有效方法，根據產品圖紙或技術條件的要求進行主回路電阻的測量，且總的測量方案考慮現場安裝后、設施維護或維修期間的測量能夠進行對比。產品主回路電阻測量一般在裝配完成后立即進行，以確認裝配無異常。測量結果一般不大于出廠試驗標準的120%，相同測量段三相之間的測量結果一般相差不超過±10%。1000 kV工程一般按照每個運輸形態進行主回路電阻測量，且每個測量單元都有一個作為參考的電阻計算值。

主回路電阻測量一般采用電壓降法，回路電阻儀引出的電流線在外側、電壓線在內測。測量線與主回路接觸應牢固，接觸面應處理干凈保證電接觸良好，接觸部分應使用單線或平面接線端子，避免使用尖銳的金屬夾子夾住導體（易破壞導體表面光滑，影響局放試驗值），避免使用銅絞線直接接觸導體（防止銅屑進入導體內部，耐壓試驗時可能引起閃絡）。利用接地開關的絕緣座接地端子進行測量時，要注意將接地端子表面的污物、銹等清除，以免接觸電阻大造成誤差。

3　機械特性試驗

斷路器出廠時的機械特性試驗是通過開關綜合測試儀繪制機械行程特性曲線實現的。試驗主要包括控制電源（電壓）和動力源（油壓或氣壓）在允許的變動范圍內的組合條件下（現場試驗一般只做額定電壓與額定油壓）斷路器的分閘、合閘、合分以及重合閘特性測試，具體包括分合閘時間、速度、同期性以及合閘電阻的預投入時間等內容，1000 kV GIS試驗項目見表1，Ua為額定電壓。

表1　機械特性試驗項目

各機械特性參數的定義如下；

（1）合閘時間：從斷路器操動機構合閘線圈接通到弧觸頭接觸這段時間。

（2）分閘時間：分為固有分閘時間和熄弧時間兩部分。固有分閘時間是指從操動機構分閘線圈接通到弧觸頭分離這段時間。熄弧時間是指從觸頭分離到電弧熄滅為止這段時間。所以分閘時間也稱為全分閘時間（實際測量一般指固有分閘時間）［ 2 ］。

（3）剛分（合）速度：開關在分（合）閘過程中，動靜觸頭分離（接觸）瞬間的運動平均速度。通常以輔助接點變位后10 ms以內的平均速度來反映。

（4）平均速度：分合閘過程中中間80%行程的平均速度，在已知行程長度的情況下可以有計數器捕獲功能得到10%和90%行程位置，進而計算出該段的平均速度。

（5）最大速度：分合閘整個過程中的最大速度。分合閘時間與速度都是衡量分合閘快慢的指標。分閘過慢，則電弧燃燒時間增加，從而加速斷路器觸頭的磨損，降低斷路器的壽命；分閘過快，一方面會使運動機構承受過大的機械應力和沖擊，從而造成個別部件的損壞縮短斷路器壽命，另一方面在電流自然過零點前就“截流”，強迫電弧熄滅，則將產生較大的過電壓，對線路以及設備將產生不利影響。合閘過慢，同樣會導致燃弧時間增加，加快觸頭磨損；合閘過快，機構、觸頭都會承受較大的沖擊力，還容易造成合閘彈跳超標。

（6）合分時間：合閘操作中主觸頭剛接觸到緊接著的分閘操作中主觸頭分離時刻之間的時間。若斷路器合分時間過短，則斷路器在重合閘方式時，特別是切斷永久短路故障情況下，會因為斷路器滅弧室的絕緣強度和滅弧能力恢復不夠，出現斷路器不能夠切斷故障電流，或出現重燃或重擊穿，導致嚴重的電網事故；若合分時間過長，由于斷路器不能及時快速切斷故障電流，而導致電網穩定破壞事故。

（7）不同期時間：從首相分（合）到三相分（合）之間的時間，可由首相有合閘電流到三相有合閘電流之間的時間差確定。斷路器分合閘嚴重不同期將會導致線路和變壓器的非全相運行，從而可能出現導致絕緣損壞的操作過電壓、繼電保護誤動作等不利現象［ 2 ］。

（8）合閘電阻預投入時間：合閘電阻開關閉合到斷路器主觸頭接觸時刻之間的時間。合閘電阻的主要作用是抑制斷路器合閘過程中的過電壓，其預投入時間控制在8～11 ms，若時間過短，則達不到抑制過電壓的理想效果；若預投入時間過長，又會容易導致電阻長時間發熱，縮短合閘電阻的使用壽命。

4　機械操作試驗

4.1斷路器機械操作試驗

斷路器的機械操作試驗（SF6壓力為0.58 MPa）主要包括：

（1）額定電壓下、額定油壓下的分閘、合閘各30次，分合分5次，動作應可靠；

（2）最高電壓（分閘線圈120%額定電壓，合閘線圈110%額定電壓）、額定油壓下分閘、合閘各5次，動作應可靠；

（3）最低電壓（分閘線圈65%額定電壓，合閘線圈85%額定電壓）、低油壓下分閘、合閘各5次，動作應可靠；

（4）30%額定電壓、額定油壓下分閘、合閘各3次，機構不應動作；

（5）額定電壓下、額定油壓下連續200次的機械操作，其中第81～100次與181～200次進行10次重合閘操作；200次連續操作之后要解體檢查、清理（進入殼體前先要充如足量空氣，保證氧氣濃度），保證無肉眼可見異物；同時檢查操作機構內部儲能電機的尼龍齒輪無明顯磨損，如圖2所示。

圖2　機械操作試驗后的檢查

4.2隔離開關機械操作試驗

隔離開關、地刀的機械操作試驗（無SF6氣體）主要包括：

（1）額定電壓下分、合閘操作DS280次，ES200次，機構動作正常，輔助開關切換正常、可靠，無卡滯現象，分合閘位置可靠，隔離開關的分合閘時間≤3 s，下同；

（2）85%額定電壓下分合閘DS、ES各10次；

（3）110%額定電壓下分合閘DS、ES各10次；

（4）FES進行500次操作（原來為200次），分合閘時間≤5 s，合閘速度在5.7～7 m/s之間（速度定義：剛合點與50%行程點之間的直線斜率）；

（5）操作之后要解體檢查、清理，保證無肉眼可見異物。

值得注意的是一般機械操作試驗在機械特性試驗后面做，防止在部分機械性能不合格的情況下反復操作試驗，對設備造成損壞。

5　雷電沖擊試驗

1000 kV GIS出廠試驗中雷電沖擊試驗，需保持最小SF6氣體壓力（閉鎖壓力，試驗前要對所有試品內的SF6氣體壓力采用密度計進行檢查），沖擊電壓幅值不小于2400 kV（也不宜超過2472 kV），正負極性各3次，并且記錄波前時間與半峰時間。對于開關類設備，要分別在分閘、合閘狀態下進行對斷口和對地的雷電沖擊耐壓試驗。1000 kV GIS一般要求波前時間波頭時間1.2 μs，容許偏差30%，波尾時間50 μs，容許偏差20%［ 3 ］（如工程技術協議里另有要求，按技術協議執行）。

雷電沖擊耐壓的試驗回路主要包括沖擊電壓發生器、測量裝置以及保護回路等。沖擊電壓發生器需滿足兩個要求：一是能輸出幾十萬到幾百萬伏的電壓，二是電壓要具有一定的波形，通常是用MARX回路來達到這些目的，如圖3所示。沖擊電壓發生器“并聯充電、串聯放電”的原理如下：試驗變壓器T和高壓硅堆D構成整流電源，經過保護電阻r及充電電阻R給電容器C1～C4充電，充電到電壓U，球隙g1-g4上的電位差也是U。事先把球間隙距離調大到放電電壓稍大于U；當需要使沖擊機動作時，可向點火球隙（g1）送去一脈沖電壓，針極和球皮之間產生一小火花，引起點火球隙放電，于是電容器C1的上極板（負極性板）經過g1接地，點1的電壓由地電位變為+U（在充電結束后，電容器的上極板電壓為-U，下極板為0；當g1放電之后，電容器C1的上極板被強迫鉗制在地電位，同時由與電容兩端電壓不能突變，1點電位變為+U）；電容器C1與C2之間隔有較大阻值的充電電阻R，且由于電容C'的存在，點2和點3 的電位不可能突然改變，點3的電位仍未-U，中間球隙g2的電位差突然上升到2U，立刻放電，于是點3的電位被鉗制在U（rd非常?。?，點2電位變成2U。以此類推，最終輸出的電壓即為所有電容器電位的總合，即4U。在這個過程中，要求球隙具有較好的“同步性”，即g1不放電則都不放電，一旦g1放電則按順序逐個放電。除此基本電路之外，還有雙邊充電以及高效率回路（Rf、Rt分布在各級回路中，沒有專門的rd；采用一邊充電電阻，另一邊由Rf、Rt兼作充電電阻）等形式的沖擊電壓發生器。

圖3沖擊電壓發生器的基本回路

圖4中顯示的是正常正極性雷電沖擊試驗波形，圖5、圖6分別顯示的是正、負極性下雷電沖擊試驗放電波形圖，圖中紅圈處發生擊穿，擊穿后回路對地導通產生一個快速的放電過程，故而紅圈后波形斜率較大。

圖4　雷電沖擊耐壓波形

圖5　正極性雷電沖擊試驗放電波形

圖6　負極性雷電沖擊試驗放電波形

6　工頻耐壓試驗與局部放電試驗

工頻耐壓試驗回路包括開關柜（前級、后級）、調壓器、補償電抗器、過電壓保護器、試驗變壓器、弱阻尼電容分壓器以及峰值電壓表與示波器裝置。一般采用自耦式調壓器。為減小流經變壓器高壓繞組中的電流，降低試驗變壓器的容量，往往采用補償電抗器對容性試品進行補償，并根據試品電容大小進行補償量的調節。與普通變壓器相比，試驗變壓器具有容量大、額定電壓較高、允許持續工作時間短、多工作在容性負荷、無附加散熱、體積小等特點，且高壓繞組一端接地。制造廠一般有1500 kV，1250 kV，750 kV等多種等級變壓器，分別用于形態耐壓、絕緣盆子耐壓與其他絕緣件耐壓試驗。為提高工作效率，通常一次進行多個試品的耐壓試驗，通過試驗工裝來實現。形態耐壓試驗的試驗工裝是一條母線筒和多個隔離開關與接地開關組成，既可進行單個試品試驗，又可同時進行多個試品試驗。同時，工裝母線分別通過兩個隔離開關與雷電沖擊耐壓試驗回路和工頻耐壓試驗回路相連，前一個試驗結束后只需要倒閘操作即可，不需要重新拆裝設備。絕緣盆子試驗工裝一次可以進行多個絕緣盆子的耐壓試驗；其他絕緣件的耐壓試驗工裝類似與形態耐壓試驗工裝，但由于沒有外殼密封，絕緣件放在一個金屬筒里，里面再充一定壓力的SF6氣體。

對于所有工頻耐壓試驗來說，SF6壓力為最低工作壓力（閉鎖壓力），工裝氣體壓力稍高（以保護工裝，防止長時間施壓破壞），每次試驗前要用密度計進行校驗。同時注意檢查隔離開關與接地開關的狀態，防止接地加壓。

形態與單個絕緣件工頻耐壓試驗的加壓大小、持續時間如圖7、圖8所示，電壓大小通過峰值電壓表顯示，持續時間通過計時器進行計時。其中第一段加壓到635 kV（額定相電壓）并持續5 min為“老練凈化”階段，其作用是將混入設備的導電微顆粒移動到低電場強度區域和微顆粒陷阱中，同時燒蝕電極表面的毛刺、尖端或雜質。

圖7　形態試驗加壓時間

圖8　絕緣盆子加壓時間

最后一段在762 kV（1.2倍額定相電壓）下進行局部放電測量，以及早發現設備絕緣內氣隙、氣泡等微弱放電缺陷。整個形態要求背景不超過2.5 pC，放電量不超過5 pC；對于單個絕緣件（包括絕緣盆子）要求背景值不超過1.5 pC，放電量不超過3 pC［ 3 ］。

在進行局部放電測量之前，要進行回路校準，其目的一是檢查試驗回路，驗證系統能夠正確地測量出規定的局放值；二是確定完整回路中視在電荷量的刻度因素，如圖9所示。校準通常是將標準脈沖發生器的一端接到接地開關的動觸頭外部，這樣就與內部高壓導體連接到一起（通過絕緣法蘭與殼體隔開），另一端接到外殼，通過外殼接地。校準脈沖發生器發出5 pC或50 pC（根據環境干擾情況而定）的信號，觀察示波器上的放電量并進行相應調整，便完成了校準。此外，要求在每一次重新接線或者更換試品后要求重新進行校準（因為整個回路的電容量發生變化，會影響校準值）。

在局部放電量測量過程中，有時會出現較大的干擾信號，導致放電量超標。干擾可能來自電源，也可能來自接線回路或者試品外部懸浮金屬。圖10是監理過成中常見的2種干擾信號。

圖9　方波校準

圖10　監理過成中常見的兩種干擾信號

7　盆子破壞型水壓試驗

盆式絕緣子水壓試驗包括例行試驗與破壞試驗。例行水壓試驗逐個進行，在凹面承受水壓、凸面接觸大氣壓的狀態下進行試驗；壓力上升速度不超過0.4 MPa/min，試驗壓力升至2.31 MPa（3倍設計壓力），保持1 min，無裂紋或泄露現象。水壓破壞試驗目的是驗證運行條件下絕緣盆子的承受壓力的安全裕度；存在一定的抽樣比例，如表2所示［ 4 ］。

表2　抽樣樣本容量數值

水壓破壞試驗同樣是凹面承受水壓、凸面接觸大氣壓的狀態下進行試驗；壓力上升速度不超過0.4 MPa/min，試驗壓力升至3倍設計壓力保持1 min，然后繼續升壓直至破壞，記錄破壞時刻的壓力值和影像資料，并在裂紋處取樣進行分析，如圖11所示。

圖11　盆子破壞性水壓試驗

8　結束語

GIS制造過程中，試驗項目眾多，除了傳統的電氣試驗，還有涉及原材料、關鍵組部件以及裝配過程中的各項試驗。文中僅就其中幾項關鍵試驗進行了詳細介紹。其中，氣體密封試驗、主回路電阻試驗為現場見證點；機械特性試驗、機械操作試驗、雷電沖擊試驗、工頻耐壓與局部放電試驗、盆子破壞型水壓試驗為停工待檢點。監理人員應對以上試驗逐項現場見證，停工待檢點在監理人員未見證簽認前不得轉入下一環節。監理過程發現的質量和管理問題應及時匯報、及時處理、及時總結，充分保證了產品的質量和生產進度。

參考文獻：

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王晨（1990），男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事開關方面的研究工作；

施景壘（1986），男，江蘇鹽城人，助理工程師，從事開關方面的研究工作。

Key Factory Test for 1000 kV GIS

WANG Chen， SHI Jinglei
（Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute， Nanjing 211103， China）

Abstract：Effective supervision is required in GIS manufacturing process to ensure its quality in substation engineering construction. This paper introduces the key factory test method and problems of the test process for 1000 kV GIS from the perspective of supervision manufacture. The paper provides a reference for the supervisor factory test of other voltage level GIS.

Key words：GIS； factory test； supervision manufacture； ultra-high voltage

中圖分類號：TM595

文獻標志碼：B

文章編號：1009-0665（2016）03-0071-05

作者簡介：

收稿日期：2015 -12-04；修回日期：2016-01-26