敞開自立式沖擊耐壓試驗裝置及GIS現場試驗分析

2019-09-09 11:11:22華2飛2

人民長江 2019年8期

馬云龍，相中華2，郭飛2，郝金鵬，李秀廣

(1.國網寧夏電力有限公司電力科學研究院，寧夏銀川 750002； 2.國網寧夏電力有限公司，寧夏銀川 750001)

1 研究背景

氣體絕緣組合電器(gas insulated switchgear，以下簡稱GIS)具有設備緊湊、占地面積少、易于安裝、受大氣環境影響小、維護簡便、檢修周期長以及配置靈活等優點，自問世以來，被廣泛應用于66 kV以上電壓等級的電力系統中[1-2]。然而，GIS一旦出現絕緣問題，必須進行停電檢修，從而會帶來較大的社會經濟損失。根據文獻[3]中的統計結果，絕緣件的質量不良與設備內部存在的異物是引起故障的主要原因。因此，為了充分驗證準備投運的GIS設備的絕緣性能，根據標準要求及多年所積累的運行維護經驗[4-6]，在現場通過交流耐壓試驗后，再進行現場沖擊耐壓試驗是十分必要的[7-9]。

對于在現場開展沖擊耐壓試驗，有些標準[10-11]建議將選擇的試驗波形分為振蕩型和非振蕩型電壓。但是隨著電壓等級的提高，被試驗的GIS設備等效電容也在增加，在這種情況下，使用非振蕩型電壓在現場進行試驗時，試驗設備的輸出效率會很低。為此，現場一般是采用振蕩型波形來提高試驗的效率。但是采用振蕩型沖擊波進行耐壓試驗必須合理配置試驗參數，否則在試品被擊穿時所引起的過電壓會造成盆式絕緣子的二次擊穿等故障[12-13]。本文以2 400 kV/240 kJ敞開自立式沖擊耐壓試驗裝置的設計以及在某252 kV GIS開展的現場沖擊耐壓試驗為例，對裝置設計的要點及其在現場應用的情況開展分析，以便為裝置在實際工程中的進一步應用提供參考。

2 敞開自立式沖擊耐壓試驗裝置

2.1 電氣設計

敞開自立式沖擊耐壓試驗裝置是基于馬克思(Marx)回路進行設計[14-15]，主要包括沖擊電壓發生器和分壓器，其裝置電路原理如圖1所示。圖中，D為二極管；T為試驗變壓器；SF為球隙；Rc為充電電阻，C11、C12、C21、C22為電容器，Rt為波尾電阻，Ω；Rf為波頭電阻，Ω；C0為試品的等效電容。

沖擊電壓發生器共有12級，采用雙邊充電的形式，每一級最高可充電200 kV，最高輸出電壓為2 400 kV。單個電容為2 μF，即每一級電容為1 μF，充電電阻為28 kΩ。相關標準[10-11]中，對現場沖擊耐壓試驗可以選用的沖擊電壓波形進行了規定，其中就包括標準雷電沖擊電壓、標準操作沖擊電壓。振蕩型雷電沖擊電壓以及振蕩型操作沖擊電壓。各電壓波形的參數如表1所示。

圖1 試驗裝置等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of test equipment

電壓波形波前時間T1/μs半峰值時間T2/μs振蕩頻率f/kHz標準雷電1.2±30%50±20%-標準操作250±20%2500±60%-振蕩型雷電0.8～2040～10015～400振蕩型操作20～4001000～40001～15

根據表1中列出的波形參數并綜合考慮到負載的容量，利用沖擊電壓發生器的等效放電回路，可以估算出所需要的波頭電阻、波尾電阻以及調波電感。

2.2 機械設計

在充分考慮沖擊發生器、分壓器、變壓器和電源部分等模塊空間尺寸的基礎上，將上述設備集成設計在13.5 m×2.8 m×2.8 m(長×寬×高)的集裝箱中[16]。使用時，首先需要進行翻轉動作，即從水平放置狀態豎立起來，其承受的最大應力也出現在剛開始豎立的時刻。該裝置在常規的2 400 kV沖擊電壓發生器的H型結構的基礎上，對其結構進行了優化以減少裝置的重量，且在該裝置的設計過程中，主要考慮到了如下因素。

2.2.1底部鋼底座

沖擊電壓發生器本體是由4根主立柱承受著電容器等元器件的重量，并保持了電路結構。本體在翻轉、存放、試驗期間，主立柱承受了所有的應力。主立柱下部由鋼底座支撐并保持4根主立柱的相互位置，鋼底座下部有4根鋼柱用于連接集裝箱的后端板，且發揮著重要作用。鋼底座由150 mm H型鋼焊接而成，上面鋪設有16 mm厚的鋼板，鋼板上焊接主立柱底法蘭。鋼底座下部焊接4根直徑為180 mm的鋼支柱，鋼支柱下面由法蘭與集裝箱后端板上的法蘭連接，連接面上有直徑為80 mm的止口配合，以避免出現錯位。鋼底座與后端板之間的間隙也可用于安裝球隙調節傳動裝置風機等，也是用于安裝分壓器導軌翻轉液壓缸的必須位置。

2.2.2主立柱

沖擊發生器的4根主立柱對于整體的強度和剛度具有重要影響。主立柱由環氧管制成，外徑140 mm的壁厚度為25 mm。受制造工藝限制，原料長度最長只能到2.1 m，立柱之間的連接就要做出內芯套管和鋼制內螺母圈，經過外部每一級上的法蘭圈連接M16內六角螺釘，將上下兩節環氧管可靠地連接在一起，通常連接處的強度不得低于正常位置環氧管的強度。每三級為一個模塊，每個模塊的上下由15 mm厚的環氧板固定，并在左右兩側用25 mm厚的環氧板做出剪式結構以增加模塊的剛度，減少沖擊發生器本體在豎直翻轉過程中的下垂變形，避免變形造成的螺絲松動、元件脫落。

2.2.3電容器

沖擊電壓發生器的重要元器件是脈沖電容器，一般而言，沖擊電壓發生器上使用的是金屬外殼帶瓷套管的充油電容器，但是這種電容器的最大缺點是重量較重，不適用于移動式設備，對于有翻轉豎立動作的影響非常大。因此，脈沖電容器使用了環氧外殼的干式電容器。干式電容器使用6 mm厚的環氧板做外殼，承受外力后非常容易破裂失效，而且在翻轉前后電容器受到雙方向的外力作用，尤其是4根主立柱在這種外力的作用下不可避免地會發生形變。為了防止變形產生的外力作用到電容器殼體上，在電容器下部的立柱之間需設置一塊高強度的環氧板，再將電容器安裝在環氧板上，這樣電容器僅會受到自身重力作用的影響，而所有變形力都作用在這塊環氧板上，這樣既避免了長期翻轉動作所造成的電容器損壞，也使得電容器的更換更為方便。

2.2.4充氣均壓環與均壓環支撐架

沖擊電壓發生器的頂部一般放置有一個鋁制均壓環，其小直徑為400 mm，大外徑為1 800 mm，壁厚為3 mm。此外，還需要一個鋼制支架將均壓環與4根主立柱連接，這部分的重量至少有80 kg。為了減輕該重量，該裝置采用了PVC膜外部包覆導電材料做成的充氣均壓環，充氣后可以保持60 d正常使用；加上必須的支撐架，可以使重量減少到10 kg，從而減少了對主立柱的彎矩、拉力和剪切力。

借助于ANSYS軟件，對優化后的裝置在初始立起的時刻進行仿真。沖擊電壓發生器本體上的應力分布和位移情況分別如圖2和圖3所示。

從圖3可以看出，在沖擊電壓發生器立起的初始時刻，最大應力出現在沖擊電壓發生器的底部，最大應力為30.24 MPa，未超過發生器鋁板的最大允許應力。本體的最大位移出現在其頂部，最大的位移量為30 mm，該值也在頂部環氧支柱所能承受的形變范圍之內。最終得到的敞開自立式沖擊耐壓試驗裝置如圖4所示。

圖2 沖擊電壓發生器本體變形等效應力的分布情況Fig.2 Equivalent stress distribution of impulse voltage generator

圖3 沖擊電壓發生器本體變形量Fig.3 Body deformation of impulse voltage generator

圖4 敞開自立式沖擊耐壓試驗裝置Fig.4 Open and self-stand impulse voltage test equipment

3 現場試驗

3.1 試驗方法

2017年12月19日，采用敞開自立式沖擊耐壓試驗裝置對某220 kV變電站的252 kV GIS設備進行了現場沖擊耐壓試驗，該站接線如圖5所示。該變電站220 kV設備接線采用的是雙母分段接線，包括5個間隔，其中有2個出線間隔，2個主變間隔，1個母聯間隔?？紤]到被試容量和試驗的安全經濟性，本次對母聯和1個主變的間隔進行了試驗，由主變間隔出線套管進行加壓。試驗步驟采用正極性30%-75%-100%(3次)，通過后再重復進行負極性試驗，試驗峰值電壓為出廠值的80%(840 kV)。

圖5 變電站252kV GIS接線示意Fig.5 Connection diagram of the 252kV GIS in the station

試驗現場分為220 kV區、110 kV區、主變區、高壓室等，由北向南分布。其中，被試驗設備在220 kV區，該區域道路寬約4 m，路面水平狀況良好。

3.2 試驗現場布置

試驗裝置在拖車上展開，布置試驗現場時需要考慮到現場空間尺寸的限制。

(1) 從高度上考慮，沖擊電壓發生器本體高為11.0 m、拖車本身高度為1.3 m以及試驗電壓需保證的凈空距離為2 m，因此，高度方向上應保證有14.3 m的距離。

(2) 從寬度上考慮，由于兩側后門展開后需要貼合在箱體上，集裝箱本身寬度為2.8 m，打開完畢后需預留約3.0 m左右的空間。若試驗位置寬度無法滿足車門活動半徑的要求，則可在進入變電站前將車門打開后再進行固定。

(3) 從長度方面考慮，集裝箱長為13.5 m，考慮到半掛車、車頭及分壓器移動導軌的長度，總共需要約19.0 m的長度進行展開。若長度方向無法滿足要求，則可將車頭斜側布置，僅需17.0 m左右的長度。

本次進行的252 kV的GIS沖擊耐壓試驗，按照標準要求，最高需要產生840 kV的電壓，考慮到該變電站海拔高度約1 000 m，且試驗當地的空氣濕度一般不超過60%，因此，帶電部位與接地體之間的凈空距離應保持2.5 m。試驗接線穿越門型構架時，采用絕緣繩進行固定，以避免測試過程中風偏造成的閃絡。將試驗方艙布置在可監控試驗裝置和被試設備的區域，并保持安全距離?？紤]到現場的實際情況，先將裝置本體車輛就位，然后將剩余車輛就位。

由于試驗系統功率最大僅為20 kW，因此，現場電源接引方式較為靈活。但是為了保證裝置在舉升過程中不受干擾，在試驗準備過程中，應停止其他大功率電源的使用。液壓裝置可由無線和有線兩種控制器進行操作，為了保證安全，舉升過程中一人進行操作，同時兩側各一人觀察集裝箱、本體的狀態，當出現緊急狀況時，應通知控制人員緊急停止。由于采用的沖擊電壓發生器和分壓器需使用充氣均壓環，因此在現場安裝前，需要檢查均壓環的密封狀態。液壓裝置控制的展開/回收過程耗時為7 min左右，在現場突發惡劣天氣(如下雨或下雪)情況下可做到快速回收。由于不需要進行大量的安裝工作，也不需要專業的安裝人員，現場只需要一輛斗臂車或吊車配合進行試驗接線，以及4名試驗人員即可完成整個試驗現場的布置工作，試驗準備過程一般耗時1.0～1.5 h。最終的裝置及試驗方艙布置如圖6(a)所示，測試現場如圖6(b)所示。

圖6 試驗裝置布置Fig.6 Equipment layout on site

4 測試結果

試驗調波過程中，結合文獻[5]中的試驗經驗，在標準規定的范圍內，盡量增大波前時間、并減少振蕩頻率。因此，使用配置的所有11節電感，使得總電感為1.1 mH；同時考慮到測試設備容量有較大的冗余，可以在犧牲部分試驗效率的情況下，增大波頭電阻以適當增大波前的時間，因此，最終采用了200 Ω的波前電阻。利用ATP-EMTP軟件進行仿真，可以得到仿真波形，如圖7(a)所示。其中，充電電壓為664 kV，峰值電壓為840 kV，波頭時間為5.3 μs，效率為135%，振蕩頻率為58 kHz。

試驗前，對被試驗設備測試了絕緣電阻，測試結果為正常。正極性試驗通過了前兩次耐壓，典型波形如圖7(b)所示，試驗結果與ATP-EMTP仿真結果接近，波頭時間在5.3～5.5 μs，效率η=135%，頻率f=58 kHz。

圖7 振蕩型雷電沖擊電壓Fig.7 Oscillating lightning impulse voltage

在進行第三次正極性試驗時，發生了擊穿，測試波形如圖8所示。隨后，試驗人員對沖擊電壓發生器、弱阻尼分壓器、被試驗設備均進行了檢查，未發現外部放電痕跡；測試了被試驗設備的絕緣電阻，結果與試驗前的測試值相比無變化；空試沖擊電壓發生器，測試結果為正常；在50%測試電壓以下進行了幾次調波測試，試驗波形均為正常。根據標準[10-11]中的規定：“當發生一次擊穿后，按試驗電壓重新施加一次，若無異常，試驗繼續”，測試波形正常，因此，繼續進行正極性和后續負極性測試，測試過程中無異常現象。為了避免擊穿產生的過電壓對固體絕緣產生的影響，結合后續未試驗間隔的交流耐壓試驗，對本次被試驗的間隔補充進行了一次交流老練試驗，最終的測試結果無異常。