高海拔地區(qū)GIS現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)技術(shù)研究

(國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(gas insulated swithgear，簡稱GIS)，與敞開式空氣絕緣開關(guān)設(shè)備相比，具有占地面積小、受自然環(huán)境影響小、運(yùn)行安全可靠、檢修和維護(hù)周期長等優(yōu)勢，在中國110 kV及以上各電壓等級的變電站得到普遍采用。

GIS從設(shè)計(jì)到投運(yùn)，須經(jīng)過型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)和現(xiàn)場交接試驗(yàn)。型式試驗(yàn)和出廠試驗(yàn)用于檢測設(shè)計(jì)和制造缺陷，一般在廠內(nèi)進(jìn)行。現(xiàn)場交接試驗(yàn)，主要是檢測GIS運(yùn)輸安裝過程中帶來的缺陷，如電極表面刮傷、導(dǎo)電顆粒進(jìn)入GIS內(nèi)部等問題。這些缺陷會顯著影響GIS絕緣強(qiáng)度，根據(jù)GB 50150 《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》，新投或大修后的GIS必須進(jìn)行現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)[1-3]。

GIS交流耐壓試驗(yàn)作為電氣設(shè)備交接試驗(yàn)的必須項(xiàng)目，一般采用串聯(lián)諧振裝置產(chǎn)生交流試驗(yàn)電壓，其試驗(yàn)方法和試驗(yàn)技術(shù)已比較成熟。但是，隨著中國近年來加大開發(fā)西部清潔能源，一大批位于高原高海拔地區(qū)的超特高壓輸變電工程應(yīng)運(yùn)而生，如藏中聯(lián)網(wǎng)工程500 kV芒康變電站的海拔高度甚至達(dá)到了4300 m。GIS本身以SF6氣體封閉絕緣，其絕緣性能與海拔無關(guān)，但GIS交流耐壓試驗(yàn)須在戶外開展。在高海拔地區(qū)，尤其是海拔超過4000 m的地區(qū)，由于空氣密度約降至平原地區(qū)的55%左右，試驗(yàn)設(shè)備自身的外絕緣水平將顯著降低，空氣電暈放電強(qiáng)度急劇增加。如何確定GIS耐壓設(shè)備本身的外絕緣水平以及空氣電暈對試驗(yàn)的影響，成為高海拔地區(qū)GIS耐壓試驗(yàn)無法回避的問題[4-9]。

下面以實(shí)際開展的海拔4300 m地區(qū)500 kV GIS耐壓試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)選擇、外絕緣水平確定、空氣電暈對試驗(yàn)的影響等問題進(jìn)行了討論，以期為后續(xù)開展高海拔地區(qū)GIS交流耐壓試驗(yàn)提供借鑒和參考。

2 串聯(lián)諧振及其等效回路

GIS現(xiàn)場交流耐壓采用串聯(lián)諧振的方法，其基本原理為利用補(bǔ)償電抗器和試品等效電容形成串聯(lián)諧振，補(bǔ)償試品無功以減少對試驗(yàn)電源容量和電壓要求。其工作原理如圖1所示。

圖1 串聯(lián)諧振交流耐壓等效原理

圖中：U為勵磁變壓器輸出電壓；L為補(bǔ)償調(diào)諧電抗器；C為被試設(shè)備等值電容；R為回路等值有功電阻。C兩端電壓即為被試設(shè)備的試驗(yàn)電壓UC。

回路諧振時，感抗等于容抗，可得諧振頻率f：

(1)

回路呈阻性，此時的回路電流I和試品兩端電壓UC為

(2)

(3)

式中，Q為品質(zhì)因數(shù)，可表示為

(4)

(5)

由式(2)可知，回路諧振時，試品兩端電壓UC為勵磁變壓器輸出電壓U的Q倍，品質(zhì)因數(shù)Q越高，回路的電壓放大作用越強(qiáng)，當(dāng)試品試驗(yàn)電壓給定時，所需的勵磁變壓器輸出電壓越低。由式(4)可知，回路消耗的有功功率為試品無功功率的1/Q倍，即品質(zhì)因數(shù)Q越高，試驗(yàn)電源需要的容量越小。

因此，利用串聯(lián)諧振的方法進(jìn)行現(xiàn)場GIS耐壓試驗(yàn)，最核心的是要盡可能提高回路Q值。在實(shí)際試驗(yàn)中，對高電壓等級GIS進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時，試驗(yàn)回路和被試品會存在電暈放電，電暈放電使得試驗(yàn)回路對地泄漏電流和有功消耗大幅增加，對Q值影響很大。考慮回路電暈的串聯(lián)諧振等效電路如圖2所示。

圖2 考慮電暈的串聯(lián)諧振等效電路模型

圖中RX為回路電暈放電引入的等效電阻。此時，試品的等值阻抗為

(6)

回路總阻抗為

(7)

可得

(8)

諧振時，回路呈阻性，故有：

wL(1+k2)-kRX=0

(9)

即可得新的諧振頻率w為

(10)

式中：w0為未起暈前回路諧振頻率；Z0為回路特征阻抗。由于RX遠(yuǎn)大于Z0，因此，起暈時諧振頻率變化很小。此時試品電壓UC為

(11)

即得起暈條件下的品質(zhì)因數(shù)Q為

(12)

由于k實(shí)際上等于被試品阻抗與容抗之比，即電容電流與泄漏電流之比，k遠(yuǎn)大于1，即可將式(12)簡化為

(13)

如果將整個試驗(yàn)回路的電暈放電等效為試品的對地絕緣電阻RX，則k可看成試品電容的品質(zhì)因數(shù)QC，Q0也可看成電抗器的品質(zhì)因數(shù)QL，則整個回路的品質(zhì)因數(shù)Q可由式(14)計(jì)算：

(14)

3 高海拔試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)確定

在高海拔地區(qū)開展GIS耐壓試驗(yàn)，諧振回路參數(shù)應(yīng)能滿足規(guī)程對試驗(yàn)的要求，并且試驗(yàn)場所和試驗(yàn)設(shè)備本身應(yīng)能承受相應(yīng)工況。根據(jù)規(guī)程DL/T 555-2004《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場耐壓及絕緣試驗(yàn)導(dǎo)則》，回路諧振頻率應(yīng)在10～300 Hz之間，回路品質(zhì)因數(shù)能滿足輸出要求的試驗(yàn)電壓值。

圖3 高海拔GIS耐壓試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)確定流程

設(shè)備參數(shù)確定及校核流程，分為試驗(yàn)設(shè)備外絕緣水平校核、不考慮電暈初算、確定均壓措施并估算電暈水平、考慮電暈時細(xì)算4個步驟，具體流程見圖3。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備外絕緣水平校核

根據(jù)試品所處的海拔高度和電壓等級，選擇能夠滿足試驗(yàn)電壓水平的試驗(yàn)設(shè)備，主要校核補(bǔ)償電抗器和分壓器的外絕緣水平。目前沒有相關(guān)規(guī)程專門對試驗(yàn)設(shè)備外絕緣海拔修正進(jìn)行規(guī)定，只能參考電氣設(shè)備外絕緣的修正方法[10-12]。根據(jù)GB/T 50064-2014《交流電氣裝置的過電壓及絕緣配合》，外絕緣所在海拔超過0 m時，應(yīng)校正放電電壓，其校正公式為

(15)

式中：U0為海拔高度為0 m時的外絕緣放電電壓；m為放電電壓類型系數(shù)，對于短時工頻耐壓m=1.0。對串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置的補(bǔ)償電抗器和電容器，U0為其外絕緣工頻耐受電壓折算到海拔高度為0 m的值。

3.2 不考慮電暈參數(shù)初算

估算試品電容，選擇合適的補(bǔ)償電抗值，以使諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)滿足試驗(yàn)電壓要求，是制定GIS現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)方案的核心內(nèi)容。在滿足外絕緣條件下，先選擇較小的補(bǔ)償電抗值，計(jì)算諧振頻率；諧振頻率滿足試驗(yàn)要求，并在變頻柜輸出能力范圍之內(nèi)，進(jìn)而計(jì)算回路品質(zhì)因數(shù)；如果回路品質(zhì)因數(shù)過低，試驗(yàn)電壓達(dá)不到目標(biāo)值，則需提高補(bǔ)償電抗值。提高補(bǔ)償電抗值會降低諧振頻率，可能超出變頻柜輸出頻率下限，此時，可將試品分段試驗(yàn)，以降低試品電容值，提高諧振頻率和回路品質(zhì)因數(shù)。

初算的品質(zhì)因數(shù)應(yīng)具有較大裕度，以防回路均壓措施不理想使品質(zhì)因數(shù)降低太多而不能滿足試驗(yàn)電壓要求。具體計(jì)算見式(1)至式(5)。

3.3 確定均壓措施并估算電暈水平

高海拔地區(qū)空氣電暈強(qiáng)度遠(yuǎn)大于平原地區(qū)，尤其是對于500 kV及以上電壓等級的現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)，如果均壓效果不理想，加壓時回路電暈泄漏電流太大，會導(dǎo)致品質(zhì)因數(shù)大幅減低而使輸出電壓達(dá)不到目標(biāo)值。

降低回路空氣電暈的措施包括增大均壓環(huán)尺寸、改善均壓環(huán)表面的光潔度、提高均壓環(huán)對地高度、采用大直徑的伸縮加壓線、采用緊湊布置縮短加壓線長度等。空氣電暈程度應(yīng)控制在一定水平之內(nèi)，不能完全抑制，否則均壓成本太高。耐壓時的空氣電暈強(qiáng)度可用回路對地絕緣電阻RX作為衡量指標(biāo)。但是，由于空氣電暈放電整體強(qiáng)度與電壓等級、均壓措施和海拔高度有關(guān)，目前尚無相關(guān)資料給出RX表征規(guī)律，同時試驗(yàn)時的RX也不能直接測量，只能根據(jù)以往試驗(yàn)的測量結(jié)果間接估算：

(16)

3.4 電暈條件下參數(shù)細(xì)算

評估試驗(yàn)回路整體電暈放電水平后，應(yīng)根據(jù)公式(14)重新計(jì)算品質(zhì)因數(shù)。如果品質(zhì)因數(shù)降得太低，甚至不能滿足試驗(yàn)要求，則要么增加補(bǔ)償電抗，要么制定更好的均壓措施以降低RX，以使諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)滿足試驗(yàn)電壓要求。

進(jìn)一步校核電抗器電流應(yīng)不超過其額定值。諧振回路參數(shù)確定后，應(yīng)對變壓器、變頻柜的容量進(jìn)行校核，根據(jù)其輸出效率確定所需電源大小，以確定最終試驗(yàn)方案。考慮試驗(yàn)回路電暈電導(dǎo)電流的有功損耗可由式(17)計(jì)算：

(17)

變頻柜的能量效率ηK通常能達(dá)到80%以上，勵磁變壓器在額定電壓下能量效率ηT則可高達(dá)95%以上，由此估算所需電源功率P1為

(18)

4 海拔4300 m地區(qū)500 kV GIS交流耐壓現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 現(xiàn)場試驗(yàn)裝置參數(shù)

藏中聯(lián)網(wǎng)工程500 kV芒康站，海拔4300 m，是世界上海拔最高的500 kV變電站。在芒康站開展500 kV GIS交流耐壓現(xiàn)場交接試驗(yàn)，采用調(diào)頻式串聯(lián)諧振耐壓裝置，其裝置參數(shù)為：1)變頻電源，輸入電壓0～380 V，三相輸入，頻率30～300 Hz，容量450 kW，能量效率不低于80%。2)勵磁變，輸入電壓0～450 V，輸出電壓0～22.5/45 kV，容量450 kW，負(fù)載損耗7.4 kW，空載損耗0.5 kW。3)電抗器，共4節(jié)，單節(jié)額定電壓300 kV，額定電流8 A，電阻350 Ω。4)分壓器，額定電壓1200 kV，電容量1000 pF。

4.2 諧振回路參數(shù)計(jì)算

根據(jù)式(15)，試驗(yàn)電壓740 kV按所在海拔修正到1000 m時的外絕緣水平為1109 kV。補(bǔ)償電抗器外絕緣工頻耐受電壓能達(dá)到額定電壓的1.3倍以上，因此，需要3節(jié)以上電抗器才能承受試驗(yàn)電壓值。被試GIS電容值約30 000 pF，補(bǔ)償電抗器疊裝后取互感系數(shù)1.2，諧振回路主要參數(shù)如表1所示。

由表1可知，由于試品參數(shù)和回路電抗值較大，諧振頻率較低，為34.2 Hz，但仍滿足試驗(yàn)要求。電抗器品質(zhì)因數(shù)很高，不考慮電暈時，回路品質(zhì)因數(shù)為110.6，電感電流計(jì)算值為4.8 A，總有功功率計(jì)算值為41.1 kW，各項(xiàng)參數(shù)與其額定值比較，均有很大余裕，為后續(xù)試驗(yàn)的電暈損耗留有足夠裕度。

4.3 均壓措施及現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果

考慮到海拔4300 m地區(qū)的空氣密度和空氣放電電壓降低情況，為盡可能抑制回路電暈，整體試驗(yàn)回路采用緊湊布置以縮短加壓線。加壓線采用直徑30 cm的伸縮線。在選擇電抗器和分壓器均壓環(huán)時，考慮現(xiàn)場大風(fēng)條件的安全性以及品質(zhì)因數(shù)理論值的較大裕度，優(yōu)先選用尺寸較小的均壓環(huán)進(jìn)行空升試驗(yàn)。

空升試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，補(bǔ)償電抗器和分壓器均壓環(huán)上局部空氣電暈放電異常強(qiáng)烈，雖然回路的有功損耗和激勵強(qiáng)度整體很低，但電壓劇烈波動，無法開展正常試驗(yàn)。這與平原地區(qū)回路電暈的特點(diǎn)差別很大，平原地區(qū)電暈較為穩(wěn)定，對試驗(yàn)的影響主要表現(xiàn)為電暈電導(dǎo)增加、回路品質(zhì)因數(shù)下降、整體有功消耗變大，只要試驗(yàn)設(shè)備容量足夠，輸出電壓始終能夠達(dá)到目標(biāo)值。但在高海拔地區(qū)，由于均壓環(huán)上強(qiáng)烈的局部電暈，致使回路參數(shù)發(fā)生突變而引起輸出電壓大幅波動，雖然試驗(yàn)設(shè)備容量足夠，仍然無法開展正常試驗(yàn)。因此，在高海拔條件下開展串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)，不僅要考慮空氣電暈對回路品質(zhì)因數(shù)的影響，還要防止局部電暈放電太強(qiáng)而使輸出電壓大幅波動。

先后多次進(jìn)行均壓改善并逐步增大均壓環(huán)尺寸，最終采用直徑3 m的雙層大均壓環(huán)才徹底抑制住均壓環(huán)上的強(qiáng)烈局部電暈放電，使輸出電壓基本穩(wěn)定在目標(biāo)值。各次均壓措施及試驗(yàn)輸出電壓情況如表2所示。

表1 回路參數(shù)及理論計(jì)算值(不考慮電暈)

表2 均壓措施及試驗(yàn)輸出電壓情況

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到諧振參數(shù)、總有功損耗和電暈等效電阻RX如表3所示。可以看到，在進(jìn)行相電壓老練時，諧振回路品質(zhì)因數(shù)和計(jì)算值接近，此時回路基本沒有電暈，回路對地絕緣電阻約300 MΩ。在線電壓老練時，回路有微弱電暈，品質(zhì)因數(shù)略有降低，回路對地絕緣電阻降至180 MΩ左右。在試驗(yàn)電壓下，由于回路電暈放電變強(qiáng)，品質(zhì)因數(shù)大幅降低，從理論值110降至70，此時回路對地絕緣電阻降至約30 MΩ。同時，由于品質(zhì)因數(shù)降低，勵磁變壓器輸出電壓大幅增加，從而導(dǎo)致試驗(yàn)整體有功損耗變大。

表3 現(xiàn)場GIS耐壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié) 語

基于實(shí)際開展的海拔4300 m藏中聯(lián)網(wǎng)工程500 kV芒康站GIS耐壓試驗(yàn)，對高海拔地區(qū)GIS耐壓試驗(yàn)設(shè)備外絕緣水平確定、諧振回路參數(shù)選擇、空氣電暈對試驗(yàn)的影響等問題進(jìn)行了探討，為后續(xù)開展高海拔地區(qū)GIS交流耐壓試驗(yàn)提供借鑒和參考，得到的主要結(jié)論如下：

1)以實(shí)地開展的高海拔試驗(yàn)，初步驗(yàn)證以電氣設(shè)備海拔校正方法對試驗(yàn)設(shè)備外絕緣水平進(jìn)行校核的方式可行；

2)針對高海拔地區(qū)串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)，提出依次開展試驗(yàn)設(shè)備外絕緣校正、不考慮電暈時諧振參數(shù)初算、評估均壓措施、考慮電暈參數(shù)細(xì)算的試驗(yàn)設(shè)備參數(shù)配置流程；

3)發(fā)現(xiàn)在高海拔地區(qū)，試驗(yàn)回路電暈異常強(qiáng)烈，強(qiáng)烈的局部放電會造成諧振回路參數(shù)突變而引起輸出電壓大幅波動；

4)高海拔地區(qū)開展的串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)，須盡可能做好回路均壓措施，以抑制強(qiáng)烈空氣電暈引起的電壓大幅波動，同時減小電暈損耗引起的回路品質(zhì)因數(shù)降低。