基于串聯諧振的地下變電站成套試驗設備設計

何真珍

(國網上海市電力公司經濟技術研究院，上海 200120)

隨著上海城市建設發展，人口的密集程度不斷增加，城市用電需求量持續增長，輸配電線路電壓等級日益提升，城市電網規模的不斷擴大，對電力設備的可靠性要求越來越高。地下變電站往往處于高負荷的市中心區域，受土地資源、地下施工難度、設計施工費用等因素的限制，設備布置所處空間相對狹小，并且從經濟角度考慮希望地下變電站層高和結構布置盡可能緊湊。氣體絕緣金屬封閉設備(GIS)具有體積小、可靠性高、結構緊湊的特點，采用GIS已成為地下變電站一次設備的典型設計[1-2]。

由于場地狹小、層高限制，給GIS設備的交接耐壓試驗帶來較為不利的影響。在地面變電站常用的GIS交流耐壓設備(串聯諧振高壓發生裝置)因體積龐大、質量很大，所以在地下變電站進行運輸、吊裝以及布置就位時非常困難，因此在地下變電站采用小型化GIS耐壓試驗裝置已成為一種趨勢[3-4]。

由于設備處于室內封閉空間，耐壓試驗中高壓部位需要與周圍墻壁和接地金屬體等保持足夠的安全距離，常規的串聯諧振高壓試驗裝置現場搭建后高度較高，體積較大，可能面臨安全距離不足等問題，導致無法施加標準規定的耐受電壓，而不得不采取增強局部區域絕緣的臨時措施，也是地下變電站GIS現場耐壓試驗需考慮的重要因素。因此，有必要研制一種適用于地下變電站的GIS大容量耐壓裝置。

1 地下變電站成套試驗設備功能設計

按照GIS安裝現場的電源、場地、運輸等限制條件，結合DL/T 555—2004《氣體絕緣金屬封閉開關設備現場耐壓及絕緣試驗導則》、DL/T 474.4—2006《現場絕緣試驗實施導則 第4部分:交流耐壓試驗》的要求，對成套試驗設備的功能設計具體如下。

(1)額定電壓。該成套試驗設備的額定輸出電壓按照750 kV設計，以滿足550 kV GIS現場耐壓740 kV的要求，當然也完全能夠滿足252 kV及以下電壓等級GIS現場耐壓的要求。

(2)整體結構。成套裝置采用氣體絕緣金屬封閉結構，試驗中避免了外界環境干擾脈沖，無外露高壓導體的電暈干擾。

(3)耐壓升壓方式。為減小體積，提高試驗容量，采用串聯諧振方式進行升壓耐壓試驗。

(4)局部放電測量。由于是氣體絕緣金屬封閉結構，可以采用脈沖電流法進行局部放電測量，測量結果可與出廠試驗值進行比對，判斷被試設備內部絕緣狀況。

(5)與被試GIS對接方式。成套裝置在與550 kV GIS或者252 kV GIS對接時，需根據具體的GIS產品的結構尺寸設計連接法蘭和通管。采用法蘭對接方式，通過一次性裝配可完成產品試驗。成套設備的支撐設計成具有一定調整范圍(5 cm)，以便適應與GIS對接面的裝配誤差，使過渡罐體方便與試品法蘭接口對接。

(6)現場移動方式。成套設備除變頻控制箱外接之外，所有高低壓部件組合裝配成一整體，試驗中無需拆裝，試驗前吊卸的在指定地點，通過推車或牽引車進行移動。

(7)擊穿保護。成套設備在試品擊穿情況下，自動失諧，電壓歸零，不會造成本試驗裝置及裝置操作控制元件失靈。

2 地下變電站成套試驗設備結構設計

成套試驗設備的設計兼顧550 kV及220 kV GIS的耐壓試驗及局放試驗的技術參數要求，容量要求大，以便同時耐壓多個間隔或者組合電器主變間連接通管(電纜)的要求。

成套裝置主體部分包括下列設備，一次接線圖如圖1所示。

圖1 成套裝置主體部分一次接線圖

經對多個地下變電站和戶內變電站的GIS設備區空間布置、通道走廊、運輸路徑等的調研，最終確定成套試驗設備的主體部分的外形尺寸：長<4.9 m，寬<2 m，高<3.5 m。

成套試驗設備的整體結構，電源聯接電抗器(低電位)處的肘型電纜附件，由電抗器(低電位)通過聯接罐和550 kV盆式絕緣子串接電抗器(高電位)，通過800 kV盆式絕緣子聯接隔離阻抗，再分支兩個出口，一端通過盆子聯接電容器，另一端通過盆子作為對接試品接口。

在分支電容器和出口的中心部件處，在隔離阻抗罐體上設有接地開關。設備的移動通過牽引車牽引或推車推動的移動方式。成套設備質量約7 800 kg。

2.1 電抗器(低電位)結構及參數

電抗器(低電位)結構及參數具體如下。

(1)外形尺寸：長1 620 mm×寬1 400 mm×高1 530 mm結構說明：通過肘型電纜進線，聯接內部繞組1，在通過導電桿實現兩繞組的串聯，最終通過550 kV盆式絕緣子輸出。

(2)設備質量：約1 400 kg。

電抗器(低電位)外形圖如圖2所示。

圖2 電抗器(低電位)外形圖

2.2 電抗器(高電位)結構及參數

電抗器(高電位)結構及參數具體如下。

(1)外形尺寸：長1 880 mm×寬1 500 mm×高1 580 mm。

(2)結構說明：550 kV盆式絕緣子輸入電壓，通過端部連接件聯接內部繞組一，再通過導電桿實現兩繞組的串聯，最終通過800 kV盆式絕緣子輸出。

(3)設備質量：1 550 kg。

(4)技術參數：額定電壓750 kV，額定電流2.5 A，額定容量1 800 kvar，電感量995 H(1±5%)，品質因數≥60，非線性度≤1%，SF6氣體絕緣，冷卻方式氣體自冷式，運行時間750 kV/2.4 A下連續運行10 min間隔8 h，在規定運行時間內繞組溫升≤75 K。

電抗器(高電位)外形圖如圖3所示。

圖3 電抗器(高電位)外形圖

2.3 電容器結構及參數

電容器結構及參數具體如下。

(1)外形尺寸：長3 575 mm×寬1 170 mm×高1 270 mm。

(2)結構說明：800 kV盆式絕緣子輸入電壓，并通過導體聯接電容器，電容器末端固定在殼體罐蓋上，罐蓋設有一接線柱，與電容器末端輸出聯接。

(3)設備質量：約1 250 kg。

(4)技術參數：額定電壓750 kV，標稱電容量350 pF，工頻耐壓水平1.1倍額定電壓1 min，介質損耗因數≤0.3%，測量不確定度≤1%，裝在SF6氣體罐內，由高壓臂、低壓臂可測量高壓電壓，端部引出可注入方波。

電容器結構及參數外形圖如圖4所示。

圖4 電容器結構及參數外形圖

2.4 隔離阻抗結構及參數

隔離阻抗結構及參數具體如下。

(1)外形尺寸：長1 160 mm×寬1 810 mm×高2 930 mm。

(2)結構說明：800 kV盆式絕緣子輸入電壓，并通過導體聯接隔離阻抗，下端用絕緣子支撐，上端通過導體聯接電容器罐和輸出，側面裝有接地開關和方波電極。

(3)設備質量：約1 650 kg。

隔離阻抗結構及參數如圖4所示。

圖5 隔離阻抗結構及參數

2.5 底盤結構及參數

底盤結構及參數如圖5所示。

(1)外形尺寸：長4 600 mm×寬1 900 mm×高440 mm。

(2)結構說明：由200×200工字鋼組成框架結構，中部用20號槽鋼和200×200工字鋼組合成中部支撐，設有電抗器安裝孔、隔離阻抗安裝孔、固定滾輪和調節支撐等。

(3)設備質量：約1 550 kg。

底盤結構及參數外形圖如圖6所示。

2.6 勵磁變壓器和變頻柜

基于串聯諧振原理的成套試驗設備，由勵磁變輸入電壓，由變頻柜產生頻率可調的輸出信號，在試品電容和電抗器之間的30～300 Hz頻率范圍內產生諧振，品質系數可達40以上。勵磁變壓器為單相，額定頻率50 Hz，工作頻率30～300 Hz，額定容量60 kVA，額定輸入電壓0.35 kV/0.4 kV兩種電壓，低壓可串/并聯，額定輸入電流171.4 A×2，額定輸出電壓25 kV，額定輸出電流2.4 A，阻抗電壓<6%(所有高壓線圈與低壓之間)，絕緣水平低壓線圈對地5 kV/1 min，高壓線圈對地27.5 kV/1 min，冷卻方式ONAN，額定容量下運行60 min，線圈溫升≤65 K，油面溫升≤55 K。

變頻電源額定容量75 kW(30～300 Hz范圍內)，輸入電壓三相(1±10%)380 V，輸入頻率50 Hz，額定輸出電壓單相0～350 V(正弦波)連續可調，輸出電壓不穩定度≤1%，工作頻率范圍30～300 Hz，頻率分辨率0.01 Hz，絕緣水平AC 3 kV/1 min，局部放電水平<5 pC，冷卻方式強迫風冷，連續運行時間60 min(額定輸出時)。

圖6 底盤結構及參數外形圖

3 局部放電測量結構設計

GIS是封閉式氣體絕緣和環氧固體絕緣的混合絕緣系統，特點是在一個金屬封閉體內充滿SF6氣體，用環氧澆注的絕緣子，把載流導體支撐在外殼上。

由于GIS內工作場強很高，就可能產生以下幾種局部放電。

(1)載流導體表面缺陷，如有毛刺、尖角、設計不合理、導體表面的電場強度過高等，均會引起局部放電。由于導體周圍全是氣體所包圍，這種局部放電又可稱為電暈。

(2)絕緣體與導體的交界面上存在氣隙，這種氣隙可能是在產品制造時殘留的，也可能是在使用中熱脹冷縮形成的。氣隙中分配的場強高，而氣隙本身的擊穿場強又低，于是在氣隙中首先產生放電。

(3)澆注絕緣體中的缺陷，如氣泡、裂紋等所產生的局部放電。

(4)在SF6中導電微粒在強電場下產生的局部放電。

脈沖電流法是目前較為靈敏的局部放電檢測法，也是GB 7354推薦的一種成熟的檢測方法，在變壓器等電力設備局部放電檢測領域得到較為廣泛的應用。脈沖電流法的基本原理是：試品在加壓情況下發生局部放電時，兩端會產生一個瞬時的電壓變化，此時如果經過一個耦合電容耦合到一個檢測阻抗上，回路中就會產生一個脈沖電流，將該脈沖電流流經檢測阻抗產生的脈沖電壓予以采集、放大和顯示處理，就可測定局部放電基本量。這種方法靈敏度高，是目前國際電工委員會推薦進行局部放電測試的一種通用方法。用脈沖電流法測量時，在示波器50 Hz掃描橢圓時，可以看到不同的放電圖形。

本文設計了GIS內部缺陷模型，在GIS中人工造成不同位置上、不同類型的放電，測得這些放電的放電電荷、放電能量、放電相位以及兩次放電間的時間間隔等參數，再分析其統計量及其分布。

這些局部放電，都可能導致整個GIS損壞。在絕緣體中的局部放電會腐蝕絕緣材料，會發展成電樹枝，最后導致絕緣擊穿。初期老化，局部放電量明顯變化并增大；氣泡壁附著放電生成物，材料炭化。中期老化，放電生成物侵蝕、擴大形成空洞，并向深層發展。末期老化，樹枝狀破壞性放電通道形成，絕緣最終破壞。

在SF6中的局部放電和絕緣體表面的局部放電，都會生成或分解出一些新的生成物，如在填充劑中有硅元素存在時，可能生成有導電性的SiF4，這就會污染SF6，從而降低其擊穿場強，最終造成擊穿或閃絡。

目前GIS中局部放電的測量，在廠內主要是用脈沖電流法，可以得到以pC為單位的局部放電量；在現場往往由于環境干擾、升壓裝置自身干擾、高壓試驗接線干擾等，而采用超聲波法或者特高頻法，這兩種方法的檢測結果以mV為單位，與出廠試驗值無法對比。

本文設計的升壓裝置由于采用了氣體絕緣金屬封閉結構，所有高壓導體均內置，內外部的干擾信號都得到消除，因此可以在現場試驗中應用脈沖電流法進行局部放電測量時。本裝置采用并聯直測法的試驗線路。測試方法按GB 7354《局部放電測量》國家標準有關規定。測量的靈敏度高，可測得的最小放電量不大于1 pC。為了解決試驗前用標準方波對局部放電量進行標定的問題，項目在隔離阻抗與試品GIS連接的部位增加了一個類似接地開關的方波脈沖注入裝置，如圖7所示。

圖7 類似接地開關的方波脈沖注入裝置圖

圖7中的接地開關與一般的接地開關的工作狀態不同，它在插入時，與裝置內部導體接通，與外殼絕緣，將校準的方波信號注入試驗測試回路，在拉出時，它和外殼連接，處于接地導通狀態，屏蔽所有外部信號。

4 耐壓中擊穿定位設計

在耐壓試驗中，若GIS試品絕緣狀況不佳，則會出現擊穿。擊穿時會有高頻高能量的電磁波和電流信號，利用一種基于振動測試的GIS現場耐壓試驗的擊穿故障定位方法。該方法要事先在被試范圍內的GIS外殼上布置多個振動傳感器進行監測，采集GIS擊穿故障發生時的振動信號，通過比較分析各測點信號間的幅值差和時間差來進行故障定位。

振動加速度傳感器測到的擊穿信號如圖8所示。

圖8 振動加速度傳感器測到的擊穿信號

與現有的人工聽聲音、事后測量SF6氣室內分解物濃度等擊穿定位方法相比，基于振動的定位法具有測試精度高，抗電磁干擾能力強的優點。通過振動測試來實現故障定位，避免了大面積解體檢查的麻煩，從而有效地提高了現場施工進度，同時消除了由于大面積解體帶來的質量隱患。該在定位中具體按照以下步驟實施。

(1)在被試范圍內的GIS外殼上布置多個振動傳感器進行監測，采集GIS擊穿故障發生時的振動信號幅值隨時間變化的信號；

(2)對各位置振動傳感器進行編號n，其中n=1、2…，k；

(3)在所有振動傳感器中，找出振動信號峰值最大的測試點m，其振動信號峰值為AmMAX；

(4)求出最早發生振動響應的測試點i，并定義該測試點的波峰位置為Ao，并將該波峰位置對應的時刻定義為時間零點to=0；

(5)求出各測試點波峰時刻相對于零點波峰時刻的時間差的絕對值Δtn，排序后得最大時間差ΔtfMAX；

(6)求出每個測試點的振動傳播時間相對值δtn和振動幅值相對值δAn，其中δtn=Δtn/ΔtfMAX，δAn=An/AmMAX，其中An為測試點n的峰值；

(7)求出每個測試點的δAnx和δtnx的差值Xn=δAnx-δtnx；

(8)對Xn從大到小進行排序，排序前兩位的兩個測點之間的GIS區間即為擊穿發生的故障區域。

定位過程的流程圖如圖9所示。

圖9 定位過程的流程圖

5 結語

本文研制了一種適用于地下變電站的GIS大容量耐壓裝置，不僅能夠在地下變電站的狹小空間中完成各種耐壓試驗，而且能夠保證有足夠的耐壓容量，以適應高電壓等級的多間隔耐壓試驗需求。

該成套試驗設備采用串聯諧振原理提高試品容量，采用氣體絕緣減少設備體積，采用金屬封閉結構提高設備安全性，采用耦合電容器具備局部放電測量功能，從而研發一套具有大容量、小型化、可移動的交流耐壓成套裝置，并且具有脈沖電流法局部放電測量功能。