直流GIS 長期帶電考核試驗方案

邵苠峰，王 剛，魏建巍，陳江波，費 燁，李 輝，尹 晶

（1.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074；2.平高集團有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

隨著海上風電走向深遠海和“平價時代”的到來，直流輸電是降低海上風電成本的重要途徑。目前，海上換流平臺體積大、重量重、成本高，制約了直流輸電在海上風電中的應用[1-2]。直流GIS（氣體絕緣封閉組合電器）可替代海上風電換流站用線路側敞開直流開關設備，相比現有的敞開式直流開關設備，直流GIS 占用空間可減少70%以上，可使海上換流平臺體積減少約10%，大大節約了平臺的建設成本。同時，直流GIS 還具有免維護、抗震性好等優點，這是陸上用直流開關設備的發展方向，可用于極線、中性線及換流變閥側等多個位置，其主要包含隔離開關、接地開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、套管和電纜終端等元件，可根據工程拓撲靈活布置[3-5]。目前，國內外對相應直流GIS 設備的各部件均有相關的試驗方法進行性能考核，但設備組裝完成后，這類新設備在各類惡劣運行條件下整體性能還缺乏檢測手段，無法掌握其在長期全工況下運行后的設備溫升水平、局部放電（以下簡稱“局放”）水平以及絕緣性能狀況。如果直接將此類新設備安裝到電網中可能存在安全隱患，需對設備開展長期帶電考核試驗方案研究，提出相應的試驗方法。

目前，國內外尚未開展直流GIS 長期帶電考核試驗方法的系統性研究，也未開展工程實踐，對試驗接線方式、考核項目和判斷依據等關鍵因素掌握不深，對諸如在全工況下進行雷電沖擊、操作沖擊疊加試驗時如何避免試驗設備相互損壞等關鍵問題研究較少，在實際工程實踐時，還需考慮現場安裝時試驗設備的安裝姿態、試驗設備布置等一系列問題[6-9]。

1 直流GIS 長期帶電考核關鍵因素

絕緣性能是考核高壓設備的關鍵參數，目前設計的應用于海上風電的直流GIS 主要包括±200 kV 和±320 kV 2 個電壓等級，其中±320 kV 直流GIS 還沒有相關的試驗標準對其絕緣耐受水平進行規定，CIGRE（國際大電網會議）電力材料和先進試驗技術專委會給出了±320 kV 直流GIS 裝置絕緣耐受水平的建議，如表1 所示。

表1 ±320 kV 直流GIS 絕緣耐受水平

為了充分考核GIS 的絕緣性能，更貼近設備運行時的真實狀況，長期帶電考核還應在額定運行工況下進行疊加雷電沖擊和操作沖擊的試驗。同時，在典型結構下，GIS 內部最大場強一般在導體附近，對直流GIS 而言，絕緣材料的直流電導率與溫度關系較大，但介電常數與溫度關系較小，當導體溫度發生變化時，其內部場強變化比交流GIS 更加劇烈，因此開展導體發熱后的絕緣試驗也是長期帶電考核的關鍵[10]。

2 長期帶電考核試驗方法

為全面驗證直流GIS 設備的性能，長期帶電考核試驗先從帶電考核前的預試驗開始，再開展正式帶電考核試驗。考核試驗結束后，還應開展考核后的絕緣試驗，從而全面驗證設備的可靠性。

2.1 試驗裝置及參數選擇

直流GIS 長期帶電考核采用額定電壓為1 400 kV、帶極性翻轉功能的直流高壓發生器提供穩定直流電壓，采用額定容量為300 MVA、額定電流為5 000 A 的升流器提供電流對設備進行加熱，采用額定電壓為2 400 kV 的沖擊電壓發生裝置提供雷電波和操作沖擊波。同時，考慮到疊加試驗，為防止設備損壞，還需準備阻尼電阻和電容器。

2.2 帶電考核前的預試驗項目及相關要求

為確保直流GIS 滿足試驗工裝要求，同時考核其絕緣性能，帶電考核前應開展絕緣預試驗，絕緣預試驗絕緣水平參照表1 執行。試驗項目除第1 節中提出的額定電壓下疊加雷電、操作沖擊試驗外，還需開展極性反轉帶局放測量試驗，考核直流GIS 絕緣能否承受極性反轉時的直流躍變電壓。另外參照GB/T 7674—2020《額定電壓72.5 kV 及以上氣體絕緣金屬封密開關設備》等標準要求，還應開展外觀檢查、氣密性試驗和直流耐壓等常規出廠試驗。以±320 kV 直流GIS 為例，長期帶電考核預試驗主要試驗項目及相關要求見表2。

表2 ±320 kV 直流GIS 長期帶電考核預試驗項目及相關要求

2.3 長期帶電考核試驗項目

長期帶電考核重點應考察設備在運行狀態下的各項性能，以及在正常運行狀態下突然遭受雷電沖擊、操作沖擊后的設備狀態。對于直流額定電流熱效應等效試驗，由于無法提供4 000 A 直流負載，本文采用交流升流器施加4 000 A 交流電流持續24 h 等效模擬導體發熱狀況[11-14]。主要試驗項目及相關要求見表3。

表3 長期帶電考核試驗項目

2.4 帶電考核后的試驗項目

長期帶電考核結束后，為驗證設備絕緣未受到破壞，應按照表1 中的絕緣水平，參照GB/T 7674—2020 開展常規絕緣試驗，具體試驗項目見表4。

表4 長期帶電考核后的試驗項目

3 疊加沖擊試驗的長期帶電考核試驗技術

對于疊加沖擊試驗而言，需將直流高壓發生器、沖擊電壓發生器和升流器等試驗設備連接在同一回路中開展試驗，直流高壓發生器無法耐受雷電、操作沖擊波，雷電沖擊發生器無法長時耐受高直流電壓，特別是在長期帶電考核及預試驗時，還需疊加電流，如不采取措施，試驗時會出現設備損壞的情況[15]。

3.1 疊加試驗的接線圖

為解決這一問題，研究了一種通過組合升流器、直流高壓發生器、沖擊電壓發生器、阻尼電阻和電容器的試驗接線。當施加直流電壓時，通過串聯電容器隔離直流電壓，防止直流電壓損壞沖擊電壓發生器；當進行疊加沖擊試驗時，通過串聯的阻尼電阻和并聯的電容器防止雷電波或操作波入侵到直流高壓發生裝置中，避免裝置損壞，同時還可以滿足標準中雷電、操作沖擊波的參數要求。試驗接線原理如圖1 所示。

圖1 疊加試驗接線原理

其中，GT為沖擊發生器的點火球隙GAP。接線時，先將被試品通過出線套管與阻尼電阻Re和隔離電容器C0連接，再將阻尼電阻Re和直流高壓發生器連接、隔離電容器C0與沖擊電壓發生器連接。升流器套裝在形成環路的GIS 設備上單獨供電。

試驗回路現場布置如圖2 所示。

圖2 試驗回路現場設備布置

3.2 疊加試驗操作過程

由于升流器與殼體之間存在空間分布電容，在開展疊加沖擊實驗時，會對升流器產生暫態過電壓沖擊，升流器的一次絕緣水平較低，容易導致升流器發生線圈匝間擊穿故障；另外，疊加試驗主要是考核設備在運行溫度下的絕緣性能，因此在疊加雷電、操作沖擊試驗前，應暫時將升流器停止工作并接地，疊加試驗完成后，再恢復工作狀態。

整個試驗過程為：首先，啟動直流高壓發生器，將設備電壓升至額定電壓；其次，通過升流器輸出4 000 A 額定電流（重載），完成直流電壓長期考核；最后，將升流器關閉并接地，開展運行電壓下的雷電、沖擊波疊加試驗，試驗完成后，解除升流器接地并恢復供電。

4 長期電壓考核試驗方法驗證

為驗證試驗方法的有效性以及是否具備工程實踐的基礎，先期按照該試驗方案對±200 kV 直流GIS 開展長期帶電考核試驗[16]。試驗絕緣水平見表5。

表5 ±200 kV 直流GIS 長期帶電考核試驗絕緣水平

先在試驗大廳內開展絕緣預實驗，現場布置如圖3 所示。

圖3 絕緣預試驗現場布置

預試驗結束后，轉移到戶外場開展長期帶電考核，戶外場現場布置如圖4 所示。

圖4 戶外長期帶電考核現場布置

戶外長期帶電考核試驗結束后，將試品運回至試驗大廳開展長期帶電考核后的試驗，如圖5所示。

圖5 長期帶電考核后的絕緣試驗現場布置

被試±200 kV 直流GIS 順利通過長期帶電考核全部試驗，試驗過程中未出現試驗設備擊穿或被試品損壞的情況，驗證了本文所提試驗方案的有效性。后續可按照試驗方案開展±320 kV 直流GIS 長期帶電考核試驗。

5 結論

1）鑒于直流GIS 的結構特點，需考核其在運行溫度下的絕緣強度，因此有必要開展長期帶電考核特殊試驗，驗證直流GIS 設備的可靠性。

2）在進行疊加雷電沖擊、操作沖擊試驗時，應在直流高壓發生器側串聯阻尼電阻，在沖擊電壓發生裝置側串聯電容器，避免試驗設備間損壞。

3）按照本文的長期帶電方案對±200 kV 直流GIS 開展了相應帶電考核試驗，試驗效果良好。