特高壓GIS設備現場標準雷電沖擊耐壓試驗技術的應用

文 韜， 張喬根， 趙軍平， 陶風波， 賈勇勇

(1. 西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

特高壓GIS設備現場標準雷電沖擊耐壓試驗技術的應用

文 韜1， 張喬根1， 趙軍平1， 陶風波2， 賈勇勇2

(1. 西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，陜西 西安 710049；2. 國網江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103)

氣體絕緣金屬封閉組合電器(GIS)在電力系統中應用廣泛，其運行安全可靠對電力系統至關重要。現場雷電沖擊耐壓試驗受制于設備體積和回路電感，難以在GIS變電站，尤其是特高壓GIS變電站應用。本文分析了目前GIS設備沖擊耐壓試驗現狀，并從波形參數、電壓極性和加壓間隔時間等方面闡述了GIS設備沖擊電壓絕緣缺陷檢出影響因素。基于研發的特高壓GIS變電站現場沖擊耐壓試驗用的可移動式氣體絕緣標準雷電沖擊試驗成套設備，成功在1000 kV南京站和蘇州站開展了現場標準雷電沖擊耐壓試驗。

氣體絕緣金屬封閉組合電器(GIS)；現場絕緣耐壓試驗；沖擊耐壓試驗；標準雷電沖擊；沖擊電壓發生器；特高壓GIS變電站

氣體絕緣金屬封閉組合電器(GIS)[1-5]是現代電力系統中的關鍵設備，相比傳統的敞開式開關設備具有占地面積少、受外界環境影響小、運行安全可靠、檢修周期長等顯著優點[6-10]。隨著江蘇電網特高壓工程建設的穩步推進，1100 kV GIS設備在全部已投運與在建特高壓變電站中得到了廣泛應用。統計數據表明，GIS的故障率一般只有常規設備的20%～40%，但由于GIS設備采用全封閉結構，一旦發生故障，后果比敞開設備更嚴重，且故障修復時間長、診斷過程復雜，將造成巨大的經濟損失和不良的社會影響。

GIS絕緣耐壓試驗是檢查GIS絕緣性能最直接、最嚴格及最有效的試驗方法[11,12]，試驗電壓波形主要有工頻電壓和沖擊電壓兩類，其中工頻耐壓試驗技術成熟，在廠內單元耐壓試驗與設備現場安裝完成后的整體耐壓試驗階段均可開展，而沖擊耐壓試驗卻難以在設備現場安裝完成后進行，僅在設備出廠前進行沖擊電壓試驗考核。而實際運行經驗表明，已通過交流耐壓試驗的GIS設備在沖擊耐壓試驗中與入網運行后仍有可能出現絕緣故障[13]，如三峽電站550 kV GIS現場交接試驗中，工頻耐壓試驗通過后，沖擊耐壓試驗中發生了3處閃絡。因此，有必要研究GIS現場雷電沖擊耐壓試驗技術，與交流耐壓試驗形成互補，提供GIS設備投運前全面的最終檢查。

1 GIS設備現場沖擊耐壓試驗現狀

國際大電網組織(CIGRE)曾對比不同試驗電壓波形對GIS中絕緣缺陷的檢測有效性，提出雷電沖擊電壓對高壓電極表面突出物、絕緣界面金屬微粒等缺陷的檢測更加靈敏。IEC 62271—203：2011和GB 7674—2008絕緣耐壓程序C中推薦對252 kV及以上GIS設備進行現場雷電沖擊試驗[14-15]。但目前實際情況是現場多采用絕緣耐壓程序B開展交流耐壓試驗的同時進行局部放電檢測，沖擊耐壓試驗鮮有開展的原因為工作效率低和波形質量低。

1.1 工作效率低

傳統沖擊電壓發生器為敞開式結構，采用空氣作為絕緣介質，結構尺寸龐大，例如標稱電壓3000 kV沖擊電壓發生器，本體高度達12 m。而目前GIS變電站設計建設趨于緊湊，現場道路狹窄，大體積設備安裝條件較差，現場安裝困難。此外，對于容量較大的GIS設備，為了滿足波形參數需要，往往需要進行分段試驗，沖擊設備需要在變電站內進行短距離移動，此時需要拆卸重復安裝，工作耗時耗力，難以適應現場實際應用需要。

1.2 波形質量低

隨著電壓等級的提高，GIS設備負載電容量增加，現場沖擊耐壓試驗對于沖擊電壓發生器帶負載能力提出新要求。傳統沖擊電壓發生器由于結構設計和元器件選型造成本體回路固有電感較大，例如標稱3000 kV沖擊電壓發生器，本體電感可達100 μH。接入負載后沖擊電壓發生器輸出雙指數沖擊電壓波形波前時間Tf受制于回路電感L和負載電容C，可由公式(1)進行估算[16]，即：

(1)

假定C=3000 pF，L=100 μH，則Tf=2.55 μs，超過標準雷電沖擊波前時間上限1.56 μs。對于現場沖擊耐壓試驗，尤其是特高壓GIS設備，單個間隔負載電容量更高，波形質量更低。現場實際應用時，調波困難，波形參數往往不能滿足預期要求。

基于此，文獻[14][15]放寬了現場雷電沖擊耐壓試驗波形參數要求：雷電沖擊電壓波前時間可延長至 8 μs；如果采用振蕩雷電沖擊電壓，波前時間可延長至約15 μs。迄今為止，振蕩雷電沖擊現場試驗已在浙南特高壓變電站中得到應用，但雷電沖擊和標準雷電沖擊現場試驗至今仍未開展。

2 GIS設備絕緣缺陷檢出影響因素

2.1 波形參數影響

采用波前時間約為10 μs，振蕩頻率25 kHz的沖擊電壓模擬現場沖擊耐壓試驗用振蕩雷電沖擊電壓。圖1為標準雷電沖擊電壓和長波前振蕩雷電沖擊電壓下，r=0.5 mm、d=60 mm SF6棒-板間隙50%放電電壓隨氣壓變化曲線。從中不難看出，長波前振蕩雷電沖擊比標準雷電沖擊的擊穿電壓高約10%～20%，即現場采用的長波前振蕩雷電沖擊電壓檢測絕緣缺陷的有效性低于標準雷電沖擊電壓。此外，振蕩雷電沖擊波形參數受負載特性和回路參數的影響很大，對不同負載進行試驗時，很難產生波形參數比較一致的試驗電壓波形。

圖1 標準雷電沖擊電壓和長波前振蕩雷電沖擊電壓下間隙50%放電電壓隨氣壓變化曲線(SLI:標準雷電沖擊；OLI：振蕩雷電沖擊)

上述實驗發現在長波前振蕩雷電沖擊電壓下，放電多發生在波形上升沿，說明波前時間對放電特性影響較大。圖2為r=0.5 mm、d=60 mm SF6棒-板間隙在不同氣壓下，50%放電電壓隨非振蕩雙指數沖擊電壓波前時間變化曲線。當波前時間Tf> 1.2 μs時，間隙放電電壓隨波前時間增加而升高，其放電電壓高于標準雷電沖擊(1.2 μs)。因此，建議采用標準雷電沖擊電壓對GIS設備進行絕緣耐壓試驗，可提高絕緣缺陷檢出概率。

圖2 不同氣壓下50%放電電壓隨非振蕩雙指數沖擊電壓波前時間變化曲線

2.2 電壓極性影響

通常情況下，SF6極不均勻電場間隙正極性擊穿電壓低于負極性，因此采用正極性沖擊電壓對GIS設備絕緣缺陷檢測更為有效。

但近幾年SF6氣體的放電特性研究表明，極不均勻電場下，SF6棒-板間隙在沖擊電壓下放電電壓隨氣壓變化會出現“極性反轉”現象[17]：在較低氣壓下，負極性放電電壓高于正極性；在較高氣壓下，正極性放電電壓高于負極性。這種現象是由空間電荷的遷移和擴散造成的，SF6氣體的強電負性使得其極容易吸附電子，從而形成質量和體積較大的負離子團，致使遷移和擴散變得困難，該負離子團易于積聚在流注頭部，嚴重畸變電場。伴隨著氣壓的升高，離子團的遷移和擴散更為不易，加重了電場的畸變程度。另外，SF6氣體對電場不均勻程度十分敏感，其凈電離系數隨電場的增強而顯著增大。

因此，采用正、負極性沖擊電壓對GIS設備進行絕緣缺陷檢測更為可靠，IEC和GB試驗程序C也這樣規定： 按規定試驗電壓值進行工頻電壓試驗持續1 min,并且對每一極性進行3次雷電沖擊電壓試驗。

2.3 加壓間隔時間影響

大量沖擊試驗實踐表明，利用升降法測量試品的50%放電電壓時，若相鄰兩次加壓的時間間隔太短，會出現試品連續擊穿或連續不擊穿的跟隨現象，導致測量結果分散性增大，影響試驗結果準確性。間隔時間取1 min時試品的擊穿情況如圖3所示，將四次以上連續耐受或擊穿視為出現跟隨現象，則圖中區域 Ⅰ 與區域 Ⅲ 出現了連續擊穿的負跟隨現象；區域 Ⅱ 與區域 Ⅳ 出現了連續不擊穿的正跟隨現象。

圖3 1 min間隔時間下試品放電的跟隨現象

出現跟隨現象的原因為前一次加壓導致的介質狀態變化未得到充分恢復，改變了后一次放電的初始條件。極不均勻電場下SF6氣體間隙擊穿與否主要取決于引發電子崩的有效電子產生率與初始流注電暈對小曲率半徑電極附近電場的屏蔽作用，在某次加壓引發擊穿后，由放電通道向外擴散的大量電子被SF6分子俘獲形成負離子，與SF6分子相比，這些負離子在下一次加壓時因脫附作用更容易產生電子，使有效初始電子產生率升高，導致氣隙連續擊穿，出現負跟隨現象；若某次加壓未引發擊穿，較短的時間間隔使次此加壓所產生的電暈屏蔽層內空間電荷不能完全消散，這些空間電荷在下一次加壓時仍發揮屏蔽作用，導致氣隙連續耐受，出現正跟隨現象。試驗研究表明，當加壓間隔時間Tint≥ 5 min時，介質狀態能夠得到充分恢復，試品不再出現多次連續擊穿或連續耐受的跟隨現象。

綜合考慮現場試驗情況，建議兩次沖擊電壓施加時間不小于5 min，其從操作規范方面提高了沖擊電壓檢測絕緣缺陷的有效性。

3 標準雷電沖擊耐壓試驗技術及應用

3.1 標準雷電沖擊耐壓試驗成套設備

為了使GIS設備現場沖擊耐壓試驗，尤其是標準雷電沖擊耐壓試驗，得以在GIS變電站安全、便捷開展，結合特高壓GIS變電站特點，提出了適用于特高壓GIS變電站現場沖擊耐壓試驗用的可移動式氣體絕緣標準雷電沖擊試驗成套設備(如圖4所示)。

圖4 特高壓GIS現場沖擊耐壓試驗成套設備

絕緣筒式沖擊電壓發生器以高氣壓SF6氣體為絕緣介質，并通過外置波頭電阻、波尾電阻的方式極大地壓縮了發生器體積，減小了發生器自身的固有電感，與傳統Marx發生器相比，其帶負載能力更強，尤其適用于特高壓GIS現場沖擊耐壓試驗。外置的波頭電阻連接在沖擊電壓發生器與電容分壓器之間，被試GIS套管通過高壓引線與電容分壓器相連，并通過電容分壓器-衰減器-數字示波器測量系統實現沖擊電壓的測量。

綜合考慮現場裝卸工作量與運輸高度限制，沖擊電壓發生裝置采用兩段式模塊化設計，其中，下段設計為7級，標稱電壓為1400 kV；上段設計為8級，標稱電壓為1600 kV。兩段高度均小于3.8 m，分段運輸能夠滿足運輸高度要求

為保證沖擊電壓發生裝置移動靈活性、提高試驗效率，采用“履帶式移動底盤”。現場試驗時，將沖擊電壓發生裝置放置于“履帶式移動底盤”上，并通過螺栓固定，利用機電控制“履帶式移動底盤”實現沖擊電壓發生裝置的移動與轉向。

3.2 標準雷電沖擊耐壓試驗成套設備的應用

基于所研設備，在1000 kV南京站和蘇州站成功開展了現場標準雷電沖擊耐壓試驗，如圖5所示。

圖5 1000 kV南京站現場應用

1000 kV南京站和蘇州站都采用3/2接線，為了提高沖擊電壓試驗波形的質量，即讓波前時間盡可能短，負載接入方式為單臺短路去接入，帶一部分分支母線和一臺斷路器，如圖6所示(紅色部分為接入負載)。試驗采用沖擊電壓試驗波形為雙指數沖擊電壓，試驗電壓幅值為1705 kV，1800 kV，1920 kV，相對誤差≤3%。對于一個試品，正負極性各進行一次，共施加6次沖擊電壓。典型沖擊電壓試驗波形如圖7所示，對于不同負載，分支母線長度不同，波形參數變化范圍為：波前時間Tf= 1.52～2.28 μs，波尾時間Tt= 48.9～59.4 μs，相對過沖系數β′ = 100 (1-(Ub/Ue))%= 4.3～8.3%。因沖擊電壓發生器本體、高壓引線、套管、母線和斷路器等部件波阻抗不連續，使沖擊電壓上升階段出現“先下降再上升”的波形畸變現象。

圖6 試驗負載接入示意圖

圖7 典型沖擊電壓試驗波形(LI：雷電沖擊)

在試驗過程中，某一GIS間隔在正極性1800 kV外施電壓下發生放電。通過放電定位系統，準確判別放電氣室[18]。打開氣室發現導體上有1個放電點，從套管向串內方向看，在導體9點鐘方向；外殼有2個放電點，從套管向串內方向看，上部放電點在筒體方向，下部在8點鐘方向。推測為導體上有細微金屬毛刺，放電由毛刺起始，在發展過程中分叉，導致外殼出現2個放電點。

出現絕緣擊穿后GIS廠家及時對放電單元進行現場處理。根據試驗方案，對此間隔不再進行雷電沖擊試驗，處理完畢后進行交流耐壓結合局部放電試驗時沒有出現絕緣問題。

4 結束語

GIS設備現場絕緣耐壓試驗作為GIS設備投運前的最后一道關口，是提高入網質量的重要保障。現場標準雷電沖擊耐壓試驗技術的提出，豐富了現場檢測手段，有助于提高缺陷檢出概率。通過絕緣特性實驗，明確沖擊電壓波形參數、電壓極性和加壓間隔時間等因素對缺陷檢測有效性的影響，進而從試驗裝備技術革新和試驗方案優化兩方面，完善GIS現場標準雷電沖擊耐壓試驗技術方案，在GIS變電站中推廣應用。

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文 韜

文 韜(1990 —)，男，陜西南鄭人，在讀博士生，研究方向為GIS絕緣特性及氣體放電;

張喬根(1965 —)，男，江蘇泰州人，博士，教授，博導，研究方向為氣體絕緣與放電等離子體技術、大功率脈沖技術及應用;

趙軍平(1979 —)，男，陜西三原人，博士，研究方向為脈沖功率和氣體放電理論及應用;

陶風波(1982 —)，男，江蘇常州人，博士，高級工程師，從事高壓電氣設備試驗及故障診斷技術研究;

賈勇勇(1986 —)，男，江西九江人，碩士，工程師，從事高壓電氣設備試驗及故障診斷技術研究。

Application of On-site Standard Lightning Impulse Test Technology for UHV GIS Equipment

WEN Tao1, ZHANG Qiaogen1, ZHAO Junping1, TAO Fengbo2, JIA Yongyong2

(1. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment (Xi’an Jiaotong University), Xi’an 710049, China;2. State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing, 211103, China)

Gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS) has been widely used in power system, and the safe and reliable operation of the GIS are very important. Restrained by the device structure and circuit inductance, the on-site lightning impulse (LI) withstand test is difficult to be carried out in the GIS substation, especially in the ultra-high voltage (UHV) GIS substation. In this paper, the present situation of GIS impulse test is analyzed. And then the influence factors of insulation defect detecting using impulse test such as waveform parameters, polarity and interval time between two impulse tests are elaborated. Finally, based on the moveable gas-insulated impulse voltage test complete equipment, the on-site standard lightning impulse test is applied successfully in 1000 kV Nanjing substation and 1000 kV Suzhou substation.

gas-insulated metal-enclosed switchgear (GIS); on-site insulation withstand voltage test; standard impulse test; standard lightning impulse; impulse voltage generator; ultra-high voltage GIS substation

2016-10-21；

2016-11-23

國家電網公司科技項目(SHJJGC1500189)

TM862

A

2096-3203(2017)01-0030-05