采用補(bǔ)償電抗器優(yōu)化的GIS工頻耐壓試驗系統(tǒng)

吳劍敏，吳曉春，魏立新，張志英

（1.上海電力公司超高壓輸變電公司，上海200063；2.思源電氣股份有限公司，上海201108）

GIS（SF6封閉組合電器的簡稱）可以把整個變壓器以外的一次設(shè)備，全部封閉在一個接地的金屬外殼內(nèi)，殼內(nèi)充以一定壓力的SF6氣體。由于SF6具有良好的絕緣性能，絕緣距離縮小，這樣既縮小了安裝的空間，又減少了環(huán)境對設(shè)備的影響，運行可靠且維護(hù)方便，特別適合城市內(nèi)以及地下110kV至500kV變電站的建設(shè)。同時，GIS交流耐壓試驗是檢驗GIS設(shè)備絕緣性能的重要試驗之一，它能夠直觀靈敏地反應(yīng)設(shè)備在制造和安裝過程中可能遺留的絕緣缺陷[1]。

GIS現(xiàn)場局部放電試驗逐步作為一項現(xiàn)場交接試驗，也越來越受重視[2]，而目前國內(nèi)市場上沒有專門針對此項試驗的試驗設(shè)備，即使有用于GIS交流耐壓試驗的設(shè)備，也存在本身局部放電干擾信號過大或設(shè)備本身不適合GIS現(xiàn)場局部放電試驗?，F(xiàn)場測量局部放電測試最主要的問題是現(xiàn)場空間耦合的局部放電干擾信號較大，傳統(tǒng)的試驗變壓器對電壓測量是采用測量繞組進(jìn)行測量，存在著較大的誤差，特別是當(dāng)負(fù)載為電容時，會存在容升現(xiàn)象[3]。

某地下500kV變電站即為采用全氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS），現(xiàn)場GIS設(shè)備安裝完畢后，必須按規(guī)定進(jìn)行交流耐壓試驗，以檢查設(shè)備在制造和安裝過程中可能遺留的絕緣缺陷。對于大容量設(shè)備的交流試驗，如采用傳統(tǒng)試驗設(shè)備，因試品容量大，所需的試驗變壓器和調(diào)壓器非常笨重；傳統(tǒng)試驗設(shè)備自身的局放量比較大，會影響局放測試的精度；且試驗電源現(xiàn)場很難解決，導(dǎo)致現(xiàn)場試驗極不方便。因此，開發(fā)出一種小型化、自身局放小的GIS工頻耐壓裝置為現(xiàn)場提供試驗高壓源即成為一種需要。

1 設(shè)計要求與基本組成

1.1 系統(tǒng)設(shè)計要求與解決方法

為了滿足地下變電站500kVGIS交流耐壓現(xiàn)場試驗的要求，GIS工頻耐壓裝置的各部分組成在滿足性能的前提下，體積必須盡可能的小，且自身局放也不能影響到系統(tǒng)的局放量。因此本系統(tǒng)采用SF6絕緣和電抗器補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，將空間耦合的局部放電干擾信號屏蔽在測量系統(tǒng)之外，使得本系統(tǒng)的額定局放小于5 pC，同時本系統(tǒng)按照500kVGIS的現(xiàn)場交流耐壓試驗及局部放電試驗的要求設(shè)計。

1.2 系統(tǒng)的基本組成與工作原理

500kVGIS工頻耐壓系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

GIS工頻耐壓及局放測試試驗系統(tǒng)控制臺的額定輸入380V工頻交流電，此交流電經(jīng)過調(diào)壓器變?yōu)?～380V/50 Hz電壓可調(diào)的電源送入濾波器濾波，經(jīng)濾波后電源被送入試驗變壓器的低壓側(cè)，同時在試驗變壓器低壓側(cè)并聯(lián)補(bǔ)償電抗器，以補(bǔ)償無功，降低對電網(wǎng)側(cè)的無功需求?？刂婆_經(jīng)過對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，發(fā)升壓指令對試驗變壓器升壓，試驗變壓器的電源電壓升高到最高600kV，滿足500kV電壓等級的試驗需求。

2 試驗系統(tǒng)分系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計

2.1 高壓試驗變壓器

本系統(tǒng)采用的高壓試驗變壓器是單相SF6氣體絕緣試驗變壓器[4]，通過試驗變壓器低壓側(cè)與調(diào)壓器、濾波箱的連接，接收控制臺發(fā)來的升壓或者降壓信號進(jìn)行升降壓，達(dá)到所需電壓的等級；同時通過采用SF6絕緣，將空間耦合的局部放電干擾信號屏蔽在測量系統(tǒng)之外，解決了現(xiàn)場測量干擾較大的問題。

高壓試驗變壓器（高壓的電壓互感器（TV））的參數(shù)：

低壓繞組額定電壓ULN為380V；低壓繞組額定電流ILN為265 A；高壓繞組額定電壓UHN為600kV；高壓繞組額定電流IHN為0.168 A；運行時間是從環(huán)境溫度開始，在允許負(fù)載范圍內(nèi)運行時間為10 min(318kV)+2 min(600kV)+10 min(349kV)+rest time 2h。

2.2 連接筒的設(shè)計

目前國內(nèi)的GIS廠家的接口均不同，而且國內(nèi)也沒有形成專門的標(biāo)準(zhǔn)，因此本系統(tǒng)與GIS試驗品的連接通過連接筒實現(xiàn)。

此連接筒的設(shè)計考慮了要滿足不同GIS制造廠家接口的對接問題，同時還滿足各種電壓等級和形式的GIS測試要求。

2.3 補(bǔ)償電抗器的設(shè)計

作為GIS工頻耐壓試驗系統(tǒng)的一個重要組成部分，需要設(shè)計其參數(shù)與系統(tǒng)其他部分相配套，因此，補(bǔ)償電抗器設(shè)計相關(guān)的參數(shù)可以參照高壓試驗變壓器的參數(shù)。

由于補(bǔ)償電抗器本身不能出現(xiàn)內(nèi)部放電現(xiàn)象，且為了減少對電源側(cè)無功的需求，可以將補(bǔ)償電抗器做成多抽頭的形式以盡量補(bǔ)償不同負(fù)載所需的無功。補(bǔ)償電抗器具體的參數(shù)要求有以下幾點。

（1）具有5個高壓接線端，且電抗器的抽頭形式如圖2所示；

圖2 電抗器抽頭示意圖

（2）工頻條件下使用；

（3）電抗器Q值為20；

（4）運行時間：額定電流運行5 min+2/3額定電流運行40 min；

（5）當(dāng)環(huán)境溫度為40℃時，在“額定電流運行5 min+2/3額定電流運行40 min”溫升不超過80 K；

（6）使用環(huán)境溫度：最高氣溫+50℃，最低氣溫-45℃。

針對上述要求，設(shè)計時綜合考慮補(bǔ)償時對濾波器、調(diào)壓器等參數(shù)的影響，要求電抗器設(shè)計的Q值為QL，各抽頭處按照等容量計算，且電抗器補(bǔ)償全部無功(提供試驗變壓器低壓側(cè)全部無功電流)，可得電抗器電感量L0為：

式中：α為試驗變壓器的短路阻抗標(biāo)幺值；K為試驗變壓器的高低壓變比；C為負(fù)載等效電容；f為試驗頻率。

完全補(bǔ)償時，負(fù)載Cx與補(bǔ)償電抗器電感量Lb之間的關(guān)系如圖3所示(不考慮電抗器損耗)。完全補(bǔ)償時，低壓所需電壓ul與負(fù)載Cx間的關(guān)系如圖4所示(不考慮電抗器損耗)。

圖3 負(fù)載與補(bǔ)償電抗器電感量的關(guān)系

圖4 低壓所需電壓與負(fù)載的關(guān)系

首先在設(shè)計時為滿足500kVGIS試驗所需的電感量，如使用一個抽頭進(jìn)行補(bǔ)償，則經(jīng)過計算可得所需電感量為2.74mH，按照試驗變壓器的參數(shù)計算出在1000～1500pF范圍內(nèi)低壓側(cè)所需最大電壓為323V，考慮留有一定余量，故將此抽頭處額定電壓定為350V。各抽頭的補(bǔ)償電感量如表1所示。

表1 電抗器各抽頭的補(bǔ)償電感量

為了適應(yīng)現(xiàn)場實驗的要求，必須對每個抽頭的負(fù)載范圍進(jìn)行驗算，以及檢驗每個抽頭在超過設(shè)計負(fù)載范圍的情況，設(shè)計的補(bǔ)償電抗器可以根據(jù)負(fù)載的電容器范圍來選擇電抗器的抽頭。

比如當(dāng)GIS等級為220kV時，最高試驗電壓為462kV，負(fù)載范圍為1500～2150pF時，選擇抽頭1進(jìn)行補(bǔ)償；比如當(dāng)GIS等級為500kV時，最高試驗電壓為600kV，負(fù)載范圍為800～1400pF時，選擇抽頭5進(jìn)行補(bǔ)償。

經(jīng)驗算，各抽頭符合設(shè)計要求。使用補(bǔ)償電抗器是為了減少系統(tǒng)對電網(wǎng)側(cè)的無功需求，使用合適的補(bǔ)償電抗器，可以減少調(diào)壓器的容量需求和對電網(wǎng)側(cè)的無功需求。

當(dāng)不使用補(bǔ)償電抗器時，調(diào)壓器的容量不能小于高壓TV(試驗變壓器)的容量。經(jīng)計算，本系統(tǒng)使用的調(diào)壓器容量為40kV·A，高壓TV(試驗變壓器)低壓側(cè)的容量為100kV·A，可知使用補(bǔ)償電抗器后，調(diào)壓器的容量明顯小于未使用補(bǔ)償電抗器的容量，大大優(yōu)化了系統(tǒng)。

3 試驗系統(tǒng)現(xiàn)場試驗

3.1 試驗依據(jù)

試驗時，按規(guī)定將被試品接入試驗回路，逐步升高電壓至標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的額定工頻耐受電壓值，保持1 min，然后迅速、均勻地降壓到0，在規(guī)定的時間內(nèi)，被試品絕緣未發(fā)生擊穿穿或表面閃絡(luò)，則認(rèn)為通過了該項試驗。

3.2 試驗方案

系統(tǒng)的交流耐壓試驗要求按照J(rèn)B/T9461—1999，試驗裝置空載升壓到660kV，耐壓時間1 min。具體實施為：在達(dá)到75%試驗電壓以后應(yīng)該均勻升壓，升壓速率在2%～5%試驗電壓范圍內(nèi)，或在10～15s內(nèi)升至試驗電壓。

3.3 系統(tǒng)現(xiàn)場試驗結(jié)果

660kV交流耐壓1 min，通過。并對系統(tǒng)的局部放電在額定電壓下進(jìn)行了實測，試驗結(jié)果為3.2 pC，滿足設(shè)計中≤5 pC要求。

3.4 252kV 5號變壓器進(jìn)線GIS工頻耐壓試驗

3.4.1 試驗方案

某地下500kV全GIS變電站設(shè)備使用氣體絕緣金屬封閉開關(guān)，為國內(nèi)某GIS公司生產(chǎn)。本次試驗是對該組252kV 5號變壓器進(jìn)線GIS設(shè)備現(xiàn)場安裝完畢后進(jìn)行工頻耐壓試驗，實驗方案遵循“現(xiàn)場試驗電壓按出廠標(biāo)準(zhǔn)的80%進(jìn)行交流耐壓試驗，最高試驗電壓為316kV，分別做A，B，C三相。每相升壓為146kV：時間5 min；252kV：時間3 min；316kV：時間1min”的要求按順序進(jìn)行升壓。

3.4.2 試驗結(jié)果

具體實驗結(jié)果如表2所示。從表2數(shù)據(jù)可以看出，316kV時，試驗變壓器輸入電流為210 A左右，由于補(bǔ)償電抗器的作用，電源端的輸入電流僅需5 A左右，對試驗電源的容量要求很低。

此次試驗過程中的試品無擊穿放電現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，該系統(tǒng)已經(jīng)順利通過了此變電站252kV 5號變壓器進(jìn)線GIS設(shè)備的工頻耐壓試驗，且運行工況良好。

表2 三相試驗記錄

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)已經(jīng)順利通過某地下500kVGIS地下變電站252kV 5號變壓器進(jìn)線GIS設(shè)備工頻耐壓試驗和局放試驗，得到了用戶的充分肯定；本測試系統(tǒng)與原有GIS耐壓設(shè)備相比，增加了局放的測試，并且采用了SF6絕緣和電抗器補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)，在保證工頻耐壓試驗的同時還保證了系統(tǒng)局放的精度，同時還滿足了體積小、重量輕、布置和安裝簡單的要求，便于推廣。

[1] 賈良慶.淺談GIS設(shè)備的現(xiàn)場交流耐壓試驗[J].工程與建設(shè)，2008，22（5）：710-712.

[2] DL/T555—2004，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場耐壓及絕緣試驗導(dǎo)則[S].

[3] 王建生，邱毓昌.氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中局部放電的在線監(jiān)測技術(shù)[J].電工電能新技術(shù)，2000(4)：44-48.

[4] 葛景滂，邱昌容.局部放電測試[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.