基于同頻同相技術的500kV瓷柱式SF6斷路器交流耐壓試驗分析

黃湛裕 任 重

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

基于同頻同相技術的500kV瓷柱式SF6斷路器交流耐壓試驗分析

黃湛裕 任 重

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

同頻同相技術近年被廣泛應用于 220kV及以下 GIS間隔擴建和大修后不停電耐壓試驗，但在500kV設備交流耐壓試驗應用極少，缺乏成熟的應用經驗。本文介紹了一起對深圳地區某臺大修后的500kV瓷柱式SF6斷路器耐壓采用同頻同相法所進行的分析設計、并最終在該地區首次成功實施的案例，結果表明：同頻同相技術同樣適用于鄰近帶電運行設備不停電的500kV設備擴建、大修后交流耐壓試驗，其實施過程安全、可靠、可控，能有效考驗斷路器絕緣情況同時提高供電可靠性，對500kV設備交流耐壓試驗有著重要推廣意義。

同頻同相；鄰近帶電設備不停電；500kV設備交流耐壓試驗；供電可靠性

500kV變電站一般為地區電網的中樞點，若對500kV設備發生異常或事故時處理不當，則極易造成大面積停電事故的發生，甚至威脅整個系統的安全。運行經驗表明，500kV設備帶病入網是造成電網大面積事故的重要原因。因此，為保證電網安全穩定運行，對500kV設備進行投運前交流耐壓試驗十分有必要[1]。目前，深圳地區擴建或大修后的500kV設備耐壓，基本采用傳統的串聯諧振方法進行[2]。由于在耐壓過程中可能出現試驗電壓與相鄰運行設備運行電壓反相疊加（相位差180°），造成試品與運行設備空間突然擊穿的情況，因此，采用傳統的串聯諧振方法，必須對相鄰的帶電運行設備進行停電處理，但面臨著兩大難題：①用戶對供電可靠性要求高，停電困難；②500kV設備停電，存在較大的電網風險。

近年來，同頻同相技術廣泛應用于220kV及以下GIS間隔擴建和大修后交流耐壓試驗，成功實現了不停電進行擴建和大修工程交接耐壓試驗的目標[3]，大幅提高了供電可靠性。為解決上述兩大難題，可考慮將同頻同相技術引入500kV設備耐壓交流耐壓試驗中。本文以深圳地區某臺大修后的500kV瓷柱式 SF6斷路器成功實施同頻同相耐壓為例，說明同頻同相技術在500kV設備交流耐壓試驗的適用性及優越性。

1 同頻同相技術

1.1 同頻同相交流耐壓試驗原理

同頻同相交流耐壓技術是在傳統串聯諧振耐壓試驗的基礎上融合了反饋調節技術[4]。該技術采用與試品相鄰運行設備的電壓（取電壓互感器二次側電壓）作為試驗電壓參考信號，通過鎖相環、線性推挽放大等技術，對參考電壓進行實時動態跟蹤，調節電感串聯諧振，輸出與運行電壓頻率、相位角相同（相角1°以內）的試驗電壓。

1.2 同頻同相試驗裝置

同頻同相試驗裝置包括同頻同相控制箱、同頻同相試驗電源、試驗變壓器、保護電阻器及電壓測量裝置，系統結構如圖1所示。

圖1 同頻同相交流耐壓試驗系統結構圖

2 耐壓方案設計

2.1 試品信息

本次被試品為XX線5013開關C相（以下簡稱為5013開關C相），屬于500kV瓷柱式SF6斷路器，由SIEMENS公司生產，型號為3AP2 FI，2008年12月出廠，2009年2月投運，額定絕緣水平見表1。

該開關在定期檢修暨防拒動專項工作中，發現C相雙斷口一側分閘狀態時仍然導通，判斷為滅弧室內部出現故障[5]。經更換該相滅弧室后，需進行投運前交流耐壓試驗，其外觀如圖2所示。

表1 5013開關額定絕緣水平

圖2 5013開關外觀圖

2.2 現場設備情況

1）電氣主接線

該500kV變電站采用2/3接線方式，共4臺主變，4個完整串，1個不完整串。本次試品5013開關 C相，其相鄰帶電設備為上方5.5m交叉跨越的#2主變變高側A相引線。為便于耐壓分析，電氣主接線圖僅展示5013所在的第1串及相鄰帶電運行的#2主變變高5023所在的第二串，如圖3所示。

圖3 某500kV變電站電氣接線圖

2）設備現場勘察情況

現場 5013開關已停電，待試 C相兩側導線已拆除，已抽真空充氣，檢驗合格，具備耐壓試驗條件。#2主變帶電運行，其變高側A相導線位于5013開關C相上方5.5m，現場設備情況如圖4所示。

圖4 5013開關C相現場情況

3）耐壓試驗分析

（1）5013開關C相主回路對地及斷口間耐壓試驗

根據GB 50150—2006《電氣裝置工程電氣設備交接試驗標準》及SIEMENS廠家技術條件及要求，對 5013開關 C相進行主回路對地及斷口間耐壓試驗，同時為凈化裝配過程中產生的微粒、灰塵，減少微粒觸發擊穿的可能性，主回路對地耐壓試驗結合老練試驗進行，其試驗程序如圖5所示。

圖5 耐壓程序圖

試驗電壓值按出廠試驗電壓值的80%施加，見表2。

表2 5013開關C相試驗電壓值

（2）5013開關C相與#2主變變高側A相導線兩空間電壓分析

5013開關C相及#2主變變高側A相導線之間的空間（以下簡稱為兩者空間），與試驗電壓及運行電壓均有關系，其值取決于試驗電壓及運行電壓，而試驗電壓及運行電壓是兩個不同系統，頻率、相位不一定相同，隨著時間變化，具有不確定性。

式（1）中，Us為5013開關C相試驗電壓；Uy為#2變運行電壓；Uk為兩者空間耐受電壓，|Uk|為兩者空間耐受電壓幅值。式（2）中，Uc為Us的有效值，ω1為Us角頻率，ψ1為Us初相角。式（3）中，Ua為Uy的有效值，ω2為Uy角頻率，ψ2為Uy初相角。

以下分別對|Uk|的3種情況進行討論：①試驗電壓與運行電壓頻率、初相位均不相同；②試驗電壓與運行電壓頻率相同、初相位不相同；③試驗電壓與運行電壓頻率、初相位均相同（同頻同相）。

①試驗電壓與運行電壓頻率、初相位均不相同

若試驗電壓與運行電壓頻率、相位均不相同，則由式（1）、式（2）、式（3）知，存在一個t1，使Us、Uy同時到達峰值，方向相反，此時|Uk|最大，如圖6所示。

圖6 頻率、初相位不相同情況

試驗電壓和運行電壓同時到達峰值時反相，兩者空間耐受電壓幅值為試驗電壓和運行電壓峰值之和，即

根據以往現場實際加壓及模擬放電試驗經驗，592kV對地擊穿距離約為2m，兩者空間近似為均勻電場，按此規律計算，1286kV的擊穿距離約為4.4m，而兩者空間的距離僅為 5.5m，安全距離裕度為 1m左右。考慮到500kV設備在電網的重要性，為保障電網安全，結合以往加壓經驗，至少應保證 3m安全距離裕度。而 1m的安全距離裕度不足，很有可能出現現場天氣和電壓波形畸變等原因導致兩者空間突然擊穿、危及運行及被試設備的情況。

②試驗電壓與運行電壓頻率、初相位均不相同

當試驗電壓與運行電壓頻率相同、相位不相同時，設ω1=ω2=ω0，結合式（1）、式（2）、式（3），當|(ω0t+ψ1)?(ω0t+ψ2)|=|ψ1?ψ2|=π時，Us、Uy同時到達峰值，方向相反，|Uk|最大，且一個周期內有兩個|Uk|max，如圖7所示。

圖7 頻率相同、初相位不同情況

當試驗電壓和運行電壓頻率相同、初相角相差180°時，兩者空間耐受電壓幅值最大值仍為試驗電壓和運行電壓峰值之和，即與上述分析同理，兩者空間仍很大可能會被高電壓擊穿。

③試驗電壓與運行電壓頻率相同、初相位相同（同頻同相）

當試驗電壓和運行電壓頻率相同、電壓相同時，即同頻同相狀態，設ω1=ω2=ω0，ψ1=ψ2=ψ0，結合式（1）、式（2）、式（3），則有

由式（4）知，Uk將按正弦函數規律變化，，如圖8所示。

圖8 同頻同相情況

當試驗電壓和運行電壓頻率相同、初相角相同（同頻同相）時，兩者空間耐受電壓Uk將按正弦函數規律變化，幅值為試驗電壓與運行電壓幅值之差，最大值為試驗電壓與運行電壓峰值之差。按照前述規律計算，389kV的擊穿距離為1.32m，滿足3m安全裕度要求，其最大幅值遠不足以將兩者空間擊穿。

由上述分析可知，在#2主變不停電的情況下，如果采用傳統的串聯諧振試驗方法對 5013開關 C相進行耐壓試驗，試驗電壓和運行電壓頻率、相位可能完全不一致或部分一致，那么在試驗過程可能出現試驗電壓和運行電壓峰值反向疊加的情況，最終導致兩者空間擊穿。因此，傳統的串聯諧振試驗方法不能滿足鄰近帶電運行設備不停電進行交流耐壓試驗的條件，換言之，要使用傳統串聯諧振耐壓試驗方法，必須對#2主變進行停電。

然而，實際情況是用戶對供電可靠性要求高，#2主變停電存在較大困難。由上述分析可知，當試驗電壓和運行電壓同頻同相時，兩者耐受電壓幅值為試驗電壓與運行電壓之差，且達到最大值時也不至于將兩者空間擊穿。因此，采用同頻同相交流耐壓方法能有效解決了#2主變停電困難問題，提高了供電可靠性，而且對帶電運行的#2主變及被試設備5013開關C相均不會產生影響。

3 耐壓方案實施

3.1 關鍵接線步驟

同頻同相試驗方法是在成熟的串聯調感交流耐壓試驗基礎上，加入定頻技術，使得在試驗全過程中試驗所加電壓的頻率、相位與帶電運行設備保持一致，因此，抽取PT二次參考電壓信號是最為關鍵的接線步驟。經現場勘查，最終選定離試品較近的500kV XX線5013TYD而不選擇上方鄰近帶電的#2主變作為參考電壓，主要基于3個方面考慮：①500kV 1M及2M并列運行，荊鵬甲線5013與#2主變變高運行電壓頻率、相位基本相同，其誤差可忽略不計；②二次接線不易過遠、電壓降隨引線長度變化而發生明顯變化，#2主變所在母線PT端子箱與試品距離過遠，采集的電壓信號衰減嚴重；③若出現二次電壓不穩、接地、短路的極端特殊情況造成保護誤動，則誤跳線路或聯絡開關（5012）的影響遠小于誤跳#2主變變高開關。其備用電壓回路如圖9所示。

圖9 XX線備用組端子電壓回路示意圖

由圖9可知，A、B、C相電壓自TYD本體端子箱引出分別接至荊鵬甲線TYD端子箱1P：10-1P：12端子，隨后經3MCB二次電壓備用空開后分別接至端子箱內1P：26-1P：28端子。因與5013開關相鄰的帶電導線為#2主變變高A相導線，故需采集 A相電壓信號，接線至1P：26（A623）及1P：4-9（N600）即可，如圖10所示。

圖10 二次參考電壓接線圖

3.2 試驗實施

按照表2及圖5所示的既定耐壓程序實施加壓，老練第一階段施加318kV，耐壓10min，如圖11所示。

圖11 第一階段老練

老練第二階段施加476kV，耐壓3min，如圖12所示。

第三階段施加592kV，耐壓1min，如圖13所示。

圖12 第二階段老練

圖13 第三階段工頻耐壓

最終，5013開關C相交流耐壓試驗通過。本次同頻同相耐壓試驗的成功實施，避免了#2主變及其三側開關停電，有效減少了停電范圍，并由原計劃3天的停電時間減少為 1天，縮短了停電時間。實施過程安全、可控，未對電網及設備安全產生影響。

4 結論

本文介紹了一起深圳地區首次采用同頻同相技術對某臺大修500kV瓷柱式SF6斷路器進行耐壓試驗分析并成功實施的案例，結果表明：①同頻同相技術可以應用于鄰近帶電設備不停電的500kV設備耐壓試驗，實施過程安全、可靠、可控；②同頻同相交流耐壓技術能有效考驗設備絕緣狀況，保障了電網、設備安全運行；③同頻同相交流耐壓技術有效地解決了停電困難的問題，縮短了停電時間，減少了停電范圍，大幅提高了供電可靠性；④對500kV設備交流耐壓試驗有著重要的推廣意義。

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Analysis on AC Withstand Voltage Test of 500kV SF6Porcelain Column Circuit Breaker based on the Same Frequency and Phase Technique

Huang Zhanyu Ren Zhong
(Shenzhen Power Supply Co.,Ltd,Shenzhen,Guangdong 518000)

The same frequecy and phase AC withstand voltage test technique has been widly used in AC voltage tests of 220kV and below GIS extensions or repairs without a power outage of the original adjacent parts but it is seldom used in AC voltage tests of 500kV.In this paper,it tells a successful case about analysis and application on AC withstand voltage test of 500kV SF6porcelain column circuit breaker in Shenzhen based on the same frequency and phase technique.The result shows that the same frequency and phase AC withstand voltage test technique is also applicable for AC voltage tests of 500kV electrical equipment extensions or repairs without a power outage of the original adjacent parts and that it has the character of safety,reliability and controllability.It is effective to test the insulation of circuit breaker and to improve power supply reliability by sharply reducing outage scope and shortening the blackout time.Apparently，it is of great significance to apply the the same frequency and phase AC withstand voltage test technique to the AC voltage tests of 500kV electrical equipment.

the same frequency and phase;without a power outage of the original adjacent parts;AC voltage tests of 500kV electrical equipment;power supply reliability

黃湛裕（1990-），男，廣東省肇慶市人，本科，助理工程師，主要從事變電一次設備試驗工作。