基于同頻同相技術(shù)的500kV瓷柱式SF6斷路器交流耐壓試驗分析

黃湛裕 任 重

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

基于同頻同相技術(shù)的500kV瓷柱式SF6斷路器交流耐壓試驗分析

黃湛裕 任 重

（深圳供電局有限公司，廣東 深圳 518000）

同頻同相技術(shù)近年被廣泛應(yīng)用于 220kV及以下 GIS間隔擴(kuò)建和大修后不停電耐壓試驗，但在500kV設(shè)備交流耐壓試驗應(yīng)用極少，缺乏成熟的應(yīng)用經(jīng)驗。本文介紹了一起對深圳地區(qū)某臺大修后的500kV瓷柱式SF6斷路器耐壓采用同頻同相法所進(jìn)行的分析設(shè)計、并最終在該地區(qū)首次成功實施的案例，結(jié)果表明：同頻同相技術(shù)同樣適用于鄰近帶電運(yùn)行設(shè)備不停電的500kV設(shè)備擴(kuò)建、大修后交流耐壓試驗，其實施過程安全、可靠、可控，能有效考驗斷路器絕緣情況同時提高供電可靠性，對500kV設(shè)備交流耐壓試驗有著重要推廣意義。

同頻同相；鄰近帶電設(shè)備不停電；500kV設(shè)備交流耐壓試驗；供電可靠性

500kV變電站一般為地區(qū)電網(wǎng)的中樞點(diǎn)，若對500kV設(shè)備發(fā)生異?；蚴鹿蕰r處理不當(dāng)，則極易造成大面積停電事故的發(fā)生，甚至威脅整個系統(tǒng)的安全。運(yùn)行經(jīng)驗表明，500kV設(shè)備帶病入網(wǎng)是造成電網(wǎng)大面積事故的重要原因。因此，為保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，對500kV設(shè)備進(jìn)行投運(yùn)前交流耐壓試驗十分有必要[1]。目前，深圳地區(qū)擴(kuò)建或大修后的500kV設(shè)備耐壓，基本采用傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振方法進(jìn)行[2]。由于在耐壓過程中可能出現(xiàn)試驗電壓與相鄰運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行電壓反相疊加（相位差180°），造成試品與運(yùn)行設(shè)備空間突然擊穿的情況，因此，采用傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振方法，必須對相鄰的帶電運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行停電處理，但面臨著兩大難題：①用戶對供電可靠性要求高，停電困難；②500kV設(shè)備停電，存在較大的電網(wǎng)風(fēng)險。

近年來，同頻同相技術(shù)廣泛應(yīng)用于220kV及以下GIS間隔擴(kuò)建和大修后交流耐壓試驗，成功實現(xiàn)了不停電進(jìn)行擴(kuò)建和大修工程交接耐壓試驗的目標(biāo)[3]，大幅提高了供電可靠性。為解決上述兩大難題，可考慮將同頻同相技術(shù)引入500kV設(shè)備耐壓交流耐壓試驗中。本文以深圳地區(qū)某臺大修后的500kV瓷柱式 SF6斷路器成功實施同頻同相耐壓為例，說明同頻同相技術(shù)在500kV設(shè)備交流耐壓試驗的適用性及優(yōu)越性。

1 同頻同相技術(shù)

1.1 同頻同相交流耐壓試驗原理

同頻同相交流耐壓技術(shù)是在傳統(tǒng)串聯(lián)諧振耐壓試驗的基礎(chǔ)上融合了反饋調(diào)節(jié)技術(shù)[4]。該技術(shù)采用與試品相鄰運(yùn)行設(shè)備的電壓（取電壓互感器二次側(cè)電壓）作為試驗電壓參考信號，通過鎖相環(huán)、線性推挽放大等技術(shù)，對參考電壓進(jìn)行實時動態(tài)跟蹤，調(diào)節(jié)電感串聯(lián)諧振，輸出與運(yùn)行電壓頻率、相位角相同（相角1°以內(nèi)）的試驗電壓。

1.2 同頻同相試驗裝置

同頻同相試驗裝置包括同頻同相控制箱、同頻同相試驗電源、試驗變壓器、保護(hù)電阻器及電壓測量裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 同頻同相交流耐壓試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 耐壓方案設(shè)計

2.1 試品信息

本次被試品為XX線5013開關(guān)C相（以下簡稱為5013開關(guān)C相），屬于500kV瓷柱式SF6斷路器，由SIEMENS公司生產(chǎn)，型號為3AP2 FI，2008年12月出廠，2009年2月投運(yùn)，額定絕緣水平見表1。

該開關(guān)在定期檢修暨防拒動專項工作中，發(fā)現(xiàn)C相雙斷口一側(cè)分閘狀態(tài)時仍然導(dǎo)通，判斷為滅弧室內(nèi)部出現(xiàn)故障[5]。經(jīng)更換該相滅弧室后，需進(jìn)行投運(yùn)前交流耐壓試驗，其外觀如圖2所示。

表1 5013開關(guān)額定絕緣水平

圖2 5013開關(guān)外觀圖

2.2 現(xiàn)場設(shè)備情況

1）電氣主接線

該500kV變電站采用2/3接線方式，共4臺主變，4個完整串，1個不完整串。本次試品5013開關(guān) C相，其相鄰帶電設(shè)備為上方5.5m交叉跨越的#2主變變高側(cè)A相引線。為便于耐壓分析，電氣主接線圖僅展示5013所在的第1串及相鄰帶電運(yùn)行的#2主變變高5023所在的第二串，如圖3所示。

圖3 某500kV變電站電氣接線圖

2）設(shè)備現(xiàn)場勘察情況

現(xiàn)場 5013開關(guān)已停電，待試 C相兩側(cè)導(dǎo)線已拆除，已抽真空充氣，檢驗合格，具備耐壓試驗條件。#2主變帶電運(yùn)行，其變高側(cè)A相導(dǎo)線位于5013開關(guān)C相上方5.5m，現(xiàn)場設(shè)備情況如圖4所示。

圖4 5013開關(guān)C相現(xiàn)場情況

3）耐壓試驗分析

（1）5013開關(guān)C相主回路對地及斷口間耐壓試驗

根據(jù)GB 50150—2006《電氣裝置工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》及SIEMENS廠家技術(shù)條件及要求，對 5013開關(guān) C相進(jìn)行主回路對地及斷口間耐壓試驗，同時為凈化裝配過程中產(chǎn)生的微粒、灰塵，減少微粒觸發(fā)擊穿的可能性，主回路對地耐壓試驗結(jié)合老練試驗進(jìn)行，其試驗程序如圖5所示。

圖5 耐壓程序圖

試驗電壓值按出廠試驗電壓值的80%施加，見表2。

表2 5013開關(guān)C相試驗電壓值

（2）5013開關(guān)C相與#2主變變高側(cè)A相導(dǎo)線兩空間電壓分析

5013開關(guān)C相及#2主變變高側(cè)A相導(dǎo)線之間的空間（以下簡稱為兩者空間），與試驗電壓及運(yùn)行電壓均有關(guān)系，其值取決于試驗電壓及運(yùn)行電壓，而試驗電壓及運(yùn)行電壓是兩個不同系統(tǒng)，頻率、相位不一定相同，隨著時間變化，具有不確定性。

式（1）中，Us為5013開關(guān)C相試驗電壓；Uy為#2變運(yùn)行電壓；Uk為兩者空間耐受電壓，|Uk|為兩者空間耐受電壓幅值。式（2）中，Uc為Us的有效值，ω1為Us角頻率，ψ1為Us初相角。式（3）中，Ua為Uy的有效值，ω2為Uy角頻率，ψ2為Uy初相角。

以下分別對|Uk|的3種情況進(jìn)行討論：①試驗電壓與運(yùn)行電壓頻率、初相位均不相同；②試驗電壓與運(yùn)行電壓頻率相同、初相位不相同；③試驗電壓與運(yùn)行電壓頻率、初相位均相同（同頻同相）。

①試驗電壓與運(yùn)行電壓頻率、初相位均不相同

若試驗電壓與運(yùn)行電壓頻率、相位均不相同，則由式（1）、式（2）、式（3）知，存在一個t1，使Us、Uy同時到達(dá)峰值，方向相反，此時|Uk|最大，如圖6所示。

圖6 頻率、初相位不相同情況

試驗電壓和運(yùn)行電壓同時到達(dá)峰值時反相，兩者空間耐受電壓幅值為試驗電壓和運(yùn)行電壓峰值之和，即

根據(jù)以往現(xiàn)場實際加壓及模擬放電試驗經(jīng)驗，592kV對地?fù)舸┚嚯x約為2m，兩者空間近似為均勻電場，按此規(guī)律計算，1286kV的擊穿距離約為4.4m，而兩者空間的距離僅為 5.5m，安全距離裕度為 1m左右?？紤]到500kV設(shè)備在電網(wǎng)的重要性，為保障電網(wǎng)安全，結(jié)合以往加壓經(jīng)驗，至少應(yīng)保證 3m安全距離裕度。而 1m的安全距離裕度不足，很有可能出現(xiàn)現(xiàn)場天氣和電壓波形畸變等原因?qū)е聝烧呖臻g突然擊穿、危及運(yùn)行及被試設(shè)備的情況。

②試驗電壓與運(yùn)行電壓頻率、初相位均不相同

當(dāng)試驗電壓與運(yùn)行電壓頻率相同、相位不相同時，設(shè)ω1=ω2=ω0，結(jié)合式（1）、式（2）、式（3），當(dāng)|(ω0t+ψ1)?(ω0t+ψ2)|=|ψ1?ψ2|=π時，Us、Uy同時到達(dá)峰值，方向相反，|Uk|最大，且一個周期內(nèi)有兩個|Uk|max，如圖7所示。

圖7 頻率相同、初相位不同情況

當(dāng)試驗電壓和運(yùn)行電壓頻率相同、初相角相差180°時，兩者空間耐受電壓幅值最大值仍為試驗電壓和運(yùn)行電壓峰值之和，即與上述分析同理，兩者空間仍很大可能會被高電壓擊穿。

③試驗電壓與運(yùn)行電壓頻率相同、初相位相同（同頻同相）

當(dāng)試驗電壓和運(yùn)行電壓頻率相同、電壓相同時，即同頻同相狀態(tài)，設(shè)ω1=ω2=ω0，ψ1=ψ2=ψ0，結(jié)合式（1）、式（2）、式（3），則有

由式（4）知，Uk將按正弦函數(shù)規(guī)律變化，，如圖8所示。

圖8 同頻同相情況

當(dāng)試驗電壓和運(yùn)行電壓頻率相同、初相角相同（同頻同相）時，兩者空間耐受電壓Uk將按正弦函數(shù)規(guī)律變化，幅值為試驗電壓與運(yùn)行電壓幅值之差，最大值為試驗電壓與運(yùn)行電壓峰值之差。按照前述規(guī)律計算，389kV的擊穿距離為1.32m，滿足3m安全裕度要求，其最大幅值遠(yuǎn)不足以將兩者空間擊穿。

由上述分析可知，在#2主變不停電的情況下，如果采用傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振試驗方法對 5013開關(guān) C相進(jìn)行耐壓試驗，試驗電壓和運(yùn)行電壓頻率、相位可能完全不一致或部分一致，那么在試驗過程可能出現(xiàn)試驗電壓和運(yùn)行電壓峰值反向疊加的情況，最終導(dǎo)致兩者空間擊穿。因此，傳統(tǒng)的串聯(lián)諧振試驗方法不能滿足鄰近帶電運(yùn)行設(shè)備不停電進(jìn)行交流耐壓試驗的條件，換言之，要使用傳統(tǒng)串聯(lián)諧振耐壓試驗方法，必須對#2主變進(jìn)行停電。

然而，實際情況是用戶對供電可靠性要求高，#2主變停電存在較大困難。由上述分析可知，當(dāng)試驗電壓和運(yùn)行電壓同頻同相時，兩者耐受電壓幅值為試驗電壓與運(yùn)行電壓之差，且達(dá)到最大值時也不至于將兩者空間擊穿。因此，采用同頻同相交流耐壓方法能有效解決了#2主變停電困難問題，提高了供電可靠性，而且對帶電運(yùn)行的#2主變及被試設(shè)備5013開關(guān)C相均不會產(chǎn)生影響。

3 耐壓方案實施

3.1 關(guān)鍵接線步驟

同頻同相試驗方法是在成熟的串聯(lián)調(diào)感交流耐壓試驗基礎(chǔ)上，加入定頻技術(shù)，使得在試驗全過程中試驗所加電壓的頻率、相位與帶電運(yùn)行設(shè)備保持一致，因此，抽取PT二次參考電壓信號是最為關(guān)鍵的接線步驟。經(jīng)現(xiàn)場勘查，最終選定離試品較近的500kV XX線5013TYD而不選擇上方鄰近帶電的#2主變作為參考電壓，主要基于3個方面考慮：①500kV 1M及2M并列運(yùn)行，荊鵬甲線5013與#2主變變高運(yùn)行電壓頻率、相位基本相同，其誤差可忽略不計；②二次接線不易過遠(yuǎn)、電壓降隨引線長度變化而發(fā)生明顯變化，#2主變所在母線PT端子箱與試品距離過遠(yuǎn)，采集的電壓信號衰減嚴(yán)重；③若出現(xiàn)二次電壓不穩(wěn)、接地、短路的極端特殊情況造成保護(hù)誤動，則誤跳線路或聯(lián)絡(luò)開關(guān)（5012）的影響遠(yuǎn)小于誤跳#2主變變高開關(guān)。其備用電壓回路如圖9所示。

圖9 XX線備用組端子電壓回路示意圖

由圖9可知，A、B、C相電壓自TYD本體端子箱引出分別接至荊鵬甲線TYD端子箱1P：10-1P：12端子，隨后經(jīng)3MCB二次電壓備用空開后分別接至端子箱內(nèi)1P：26-1P：28端子。因與5013開關(guān)相鄰的帶電導(dǎo)線為#2主變變高A相導(dǎo)線，故需采集 A相電壓信號，接線至1P：26（A623）及1P：4-9（N600）即可，如圖10所示。

圖10 二次參考電壓接線圖

3.2 試驗實施

按照表2及圖5所示的既定耐壓程序?qū)嵤┘訅海暇毜谝浑A段施加318kV，耐壓10min，如圖11所示。

圖11 第一階段老練

老練第二階段施加476kV，耐壓3min，如圖12所示。

第三階段施加592kV，耐壓1min，如圖13所示。

圖12 第二階段老練

圖13 第三階段工頻耐壓

最終，5013開關(guān)C相交流耐壓試驗通過。本次同頻同相耐壓試驗的成功實施，避免了#2主變及其三側(cè)開關(guān)停電，有效減少了停電范圍，并由原計劃3天的停電時間減少為 1天，縮短了停電時間。實施過程安全、可控，未對電網(wǎng)及設(shè)備安全產(chǎn)生影響。

4 結(jié)論

本文介紹了一起深圳地區(qū)首次采用同頻同相技術(shù)對某臺大修500kV瓷柱式SF6斷路器進(jìn)行耐壓試驗分析并成功實施的案例，結(jié)果表明：①同頻同相技術(shù)可以應(yīng)用于鄰近帶電設(shè)備不停電的500kV設(shè)備耐壓試驗，實施過程安全、可靠、可控；②同頻同相交流耐壓技術(shù)能有效考驗設(shè)備絕緣狀況，保障了電網(wǎng)、設(shè)備安全運(yùn)行；③同頻同相交流耐壓技術(shù)有效地解決了停電困難的問題，縮短了停電時間，減少了停電范圍，大幅提高了供電可靠性；④對500kV設(shè)備交流耐壓試驗有著重要的推廣意義。

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Analysis on AC Withstand Voltage Test of 500kV SF6Porcelain Column Circuit Breaker based on the Same Frequency and Phase Technique

Huang Zhanyu Ren Zhong
(Shenzhen Power Supply Co.,Ltd,Shenzhen,Guangdong 518000)

The same frequecy and phase AC withstand voltage test technique has been widly used in AC voltage tests of 220kV and below GIS extensions or repairs without a power outage of the original adjacent parts but it is seldom used in AC voltage tests of 500kV.In this paper,it tells a successful case about analysis and application on AC withstand voltage test of 500kV SF6porcelain column circuit breaker in Shenzhen based on the same frequency and phase technique.The result shows that the same frequency and phase AC withstand voltage test technique is also applicable for AC voltage tests of 500kV electrical equipment extensions or repairs without a power outage of the original adjacent parts and that it has the character of safety,reliability and controllability.It is effective to test the insulation of circuit breaker and to improve power supply reliability by sharply reducing outage scope and shortening the blackout time.Apparently，it is of great significance to apply the the same frequency and phase AC withstand voltage test technique to the AC voltage tests of 500kV electrical equipment.

the same frequency and phase;without a power outage of the original adjacent parts;AC voltage tests of 500kV electrical equipment;power supply reliability

黃湛裕（1990-），男，廣東省肇慶市人，本科，助理工程師，主要從事變電一次設(shè)備試驗工作。