電力系統中高壓電氣設備試驗與安全設計

鄧立群，李守成，王成瓊

（內江職業技術學院，四川內江，641100）

0 引言

高壓電氣設備一般是對1 kV以上電力系統中發電機、變壓器、電力線路和斷路器的稱謂。由于這類電氣設備需要在高壓環境中運行，高壓環境意味著更大的電流和更嚴峻的安全隱患，因而對這類電氣設備的安全試驗貫穿安裝、運行與維護的全過程。具體細分，試驗內容又包括絕緣試驗、局部放電試驗、設備在線監測、電力變壓器的狀態監測、高壓開關設備試驗與狀態監測等等諸多方面。本研究僅從絕緣試驗與電氣設備狀態與在線監測展開分析與探討。

1 高壓電氣設備絕緣試驗

文章以某變電站中的氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）設備主回路絕緣檢測為例展開本次研究。該變電站為330 kV的高壓，其GIS的結構為三相分體，包含5個斷路器間隔。當前，一般GIS設備作為基礎組件，其中的小單元模塊較多，一般會采取分離運輸，集中到現場后再組裝的配備方式。這樣一來，在拆分、運輸和再組裝的過程中就會產生磕碰損傷、混入雜物的情況，而這些都會直接或間接地影響到設備的絕緣性能。基于此，一般工作人員會在設備到達現場后進行清理以及檢查。為了安全起見，在GIS設備組裝完成后還要電氣交接試驗，也就是主回路絕緣試驗。

2 主回路絕緣試驗

由于支持設備運行的電壓高達330kV，存在較大的風險，試驗操作的難度很大。然而，為了能順利推進試驗進程，工作人員必須保持謹慎態度，嚴格落實操作規范。準備工作是重要的一環，也是電氣設備良好運行的安全保障。在開展試驗之前，要對高壓電氣設備周圍環境進行安全隔離，設置安全屏障及提示語，對設備結構的完整性進行檢測和評估，確保設計環境溫度達到標準要求。

2.1 試驗準備工作

安全隔離措施是重中之重，具體可以從高壓耐受部分、電力變壓器、避雷器等基礎構成設備著手，采取安全可靠的隔離措施，減少不必要的風險。落到實踐，就是確保空氣絕緣距離超過10m，對于測試設備周圍的金屬物體務必要做好接地處理，杜絕安全隱患。

在確保待測GIS設備的結構完整、性能穩定后，可通過向其內注入SF6氣體（必須足量且成分滿足要求）展開檢測。根據檢測結果，提取數據制成SF6氣體溫度-壓力曲線示意圖。再結合試驗條件，對結果進行分析與評估，得出最終結論。假設試驗環境為20℃，那么斷路器、隔離開關的氣室內壓則要超過0.5MPa，套管的氣室壓力大于0.48MPa。此外，其他各類氣室的壓力均應超過0.36MPa。同時，還應將氣體壓力控制在一定范圍內，避免異常波動，將其靜置24h后，再開展微水測量。

對于電流互感器，本研究配備了二次繞組，針對這部分展開短路和接地設置，以準確評估試驗頻率，根據頻率參數是否會使得電壓互感器變得飽和展開判斷，如果結果是否，則可繼續開展耐壓試驗。注意，二次繞組必須保持開路。

元件的合分閘指示情況也不可忽視，具體包括斷路器、隔離開關是否合閘，這對于安全操作是重要且不可跳過的一個步驟。

各氣室的布置方式和尺寸是關乎能否科學、合理配置電氣設備的重要參考條件，因為直接關系到GIS閃絡定位儀的配備規格、數量和間隔距離。如果進行耐壓測試時，其中氣室被擊穿，可以通過儀器所監測到的最大值展開分析，獲取準確的數據，及時定位存在擊穿情況的氣室。這樣既可以提升檢測效率，又可以排除安全隱患，能為安全作業提供一定保障。

環境溫度也是影響GIS主回路絕緣試驗結果的重要因素之一，因而在進行準備工作時也應重視對溫度的分析。通常情況下，設備測試環境溫度一般在5℃以上，濕度也應在80%以下。如工程試驗遇到多雨天氣，現場存在積水情況，則應提前做好排水、防水等措施，保持現場場地整潔，增設防水器具，同時對近期的天氣情況保持關注，選取合適的時機開展試驗。

2.2 現場試驗

GIS主回路中，串聯諧振電路是關鍵的組成部分，其試驗接線原理如圖1所示[1]。

圖1 試驗接線原理示意

在圖1中，T是勵磁變壓器，屬于諧振電抗器；C是試品等效對地電容；D是電容分壓其；C1、C2是分壓電容。

由于加壓處連接引線的電壓一般較高，在這類特殊的條件下展開實驗，如果還采用普通參數的加壓線，勢必會出現電暈過大的情況，因此最好是更換合適參數的加壓線，例如φ500mm的防暈導線。

2.2.1 試驗過程

本次試驗分階段進行，同時還包括加壓流程。

首先，進行老練試驗。加壓過程分兩個階段，先將電壓從0升至209kV，保持10min，然后升至363kV，保持20min，注意記錄運行過程中的最大電壓，一般設為Umax。

其次，進行交流耐壓試驗。加壓的步驟是從363kV升至408kV，然后保持1min，將此作為試驗電壓，記作Utest。

最后，開展局部放電測量試驗。在老練試驗和交流耐壓試驗的基礎是哪個，對測試電壓進行下調，直至降到363kV，將這一參數保持30min，其間繼續試驗。

2.2.2 局部放電測量

局部放電測量采用的方法是超聲波測量法，在GIS設備外部上分布測量點，各測量點之間的距離設置為1m。此外，部分關鍵裝置例如斷路器的端口、接地刀閘、避雷器以及電壓互感器等也需要設置測點。只有這樣，才能獲得全面而具體的測量數據。在分布設點時，建議將測點設置在氣室下方。試驗后及時對檢測圖譜展開分析，以便盡快確認是否存在放電的可能。

2.2.3 試驗注意事項

（1）對GIS閃絡定位儀及時進行全方位的檢查，并結合規范要求科學判斷其運行狀態，排除異常情況發生的可能。

（2）嚴格按照圖紙規范安裝試驗各組件，對設備做升壓測試。

（3）依據流程有序完成準備工作中的老練試驗和交流耐壓試驗，將各環節具體細分工作認真落實到位，規范推動試驗完成。

（4）在開展耐壓試驗之前和試驗之后都應精確測定各相導體對地的絕緣電阻，收集各項數據并做好記錄，分析和對比各項參數后，判斷試驗指標的完成情況。安全情況下，前后數據應大體一致，波動在可控范圍內。

2.2.4 試驗判斷的基本思路

只有GIS設備接收試驗的各部分能耐受試驗高壓，且氣室不存在擊穿放電問題，經超聲波局部放射測試信號沒有異常，才能說明試驗效果是良好的，測試部件在一定程度上達到要求。

假如發現存在擊穿放電現象，可以通過GIS閃絡儀在被測過程中具體的數據形成科學合理的判斷。如有必要，可重復一次試驗，如果二次試驗沒有發生擊穿放電現象，則表示通過試驗。如果還存在異常，那么就要對具體的閃絡儀所在的氣室進行分解操作，仔細盤查其內部的各個部件，確認是否有絕緣損壞的部分，如果有，還要根據實際情況判斷損壞程度，進而采取有針對性的維修措施。修復之后再繼續做耐壓試驗，直到實現最終的目標為止[2]。

在進行局部測試試驗時，如果放電信號屬于典型的局部放電，那么在之后的試驗流程中，例如老練試驗環節，還要重新圍繞這種情形展開測量，如果不再出現局部放電情況，說明已經滿足了要求。在老練試驗環節還出現這類信號，那么可以采用特高頻法，鎖定放電源并進行修復。對于情況嚴重異常的，還有必要進行嚴格的解體檢查和修復，最后也需要進行絕緣測試，直到檢測結果完全合乎標準，方可停止[3]。

2.3 分段耐壓試驗

（1）確定實施方案。為了避免耐壓試驗次數多次重復，除了嚴格確認各項參數外，還要致力于提升操作的準確率和便捷性。經實際優化和論證后，本研究提出分兩階段展開實驗。

（2）估算待測試設備的電容量。待測試設備的電容量大致數據如表1所示。

（3）估算試驗參數。各相最大電容量確認后可展開下一步分析。假設待測試設備最大的電容量為Cx，這里大概是18 503pF，分壓器的電容量Cy，大致為330pF。將測試環境中300 kV/80H電抗器串聯，共有四節，這樣可得總電感L=320H[1]。

根據上述參數，諧振頻率獲取公式如下：

本研究中的試驗結果顯示，當頻率處于40～90Hz時，可以完美實現TV空載電流頻率的目標。

從試驗各階段的獲得的參數可知，試驗沒有發生擊穿放電的現象，各相位絕緣電阻在試驗中波動較小，保持著相對而言較未定的狀態，經超聲波局部放射，信號也正常。以上說明該GIS設備的主回路絕緣測試的結果很好，符合進一步投入運行的部分標準。

3 試驗的關鍵操作點

鑒于兩個階段的試驗都已經順利推進，且是一次通過，說明本研究提出的試驗方法可行性較強。總結本次試驗的各項流程，主要指出以下幾項關鍵操作。

3.1 電容控制

待測試的設備由于電容較大，試驗的難度系數較大，必須采取合理的控制手段。比如確保其中的變頻電源、勵磁變壓器的容量都達到標準。此外，對分壓器和電抗器這兩類裝置而言，其試驗電流被控制在允許的范圍內也很有必要。在具體展開試驗時，應盡可能減少絕緣部件接受重復耐壓試驗的次數，提升試驗效率。為了能順利推進試驗工作，本研究建議將試驗分為不同的兩個階段，分批進行耐壓測試，有序進行。具體試驗也表明，這樣的方案結果更準確，效率更高。

3.2 接地措施

由于試驗處于高壓環境，對于周邊懸浮的導體必須采取有針對性的安全接地措施。首先，在開展試驗時，（1）應提前確認電纜溝停止作業，避免受電壓影響，出現擊穿反擊的問題。（2）科學設置控制臺的安全位置，確保與一次導體之間的距離不小于20m。（3）加強對參與人員的自我安全意識培訓，囑咐其做好各自的安全防護，例如佩戴絕緣手套等防護用具，保證所處位置在絕緣墊上，從多角度保證安全作業。其次，在試驗前采取接地保護措施。具體包括滑動支撐件的接地線和GIS設備外部接地點等等，避免在進行局部放電檢測時威脅操作人員的人身安全。此外，試驗前和試驗后都應該合理安排對絕緣電阻的測試、數據采集以及參數記錄，這樣有助于縱向對比和分析絕緣電阻的情況，清晰了解電阻的變化特征。最后，要確保電壓互感器處于開路狀態，即電壓互感器中性點接地連線被取下， 避免連線末端單一打開，進而影響測試結果。

3.3 擊穿放電措施

在試驗中，如果發生擊穿放電的現象，應及時采集GIS設備中閃絡儀收集的數據，對這些數據進行分析和判斷，最終鎖定放電的位置。對有擊穿放電的部位進行修復，并重復進行耐壓試驗，直至滿足要求；如果多次不滿足要求，還可以考慮將擊穿設備做解體分析，詳細監測并修復后按照最初的方案實施測試，全部通過后方可說明完成了主回路絕緣試驗。