基于串聯(lián)諧振的地下變電站成套試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)

何真珍

(國網(wǎng)上海市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，上海 200120)

隨著上海城市建設(shè)發(fā)展，人口的密集程度不斷增加，城市用電需求量持續(xù)增長，輸配電線路電壓等級(jí)日益提升，城市電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)電力設(shè)備的可靠性要求越來越高。地下變電站往往處于高負(fù)荷的市中心區(qū)域，受土地資源、地下施工難度、設(shè)計(jì)施工費(fèi)用等因素的限制，設(shè)備布置所處空間相對(duì)狹小，并且從經(jīng)濟(jì)角度考慮希望地下變電站層高和結(jié)構(gòu)布置盡可能緊湊。氣體絕緣金屬封閉設(shè)備(GIS)具有體積小、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，采用GIS已成為地下變電站一次設(shè)備的典型設(shè)計(jì)[1-2]。

由于場地狹小、層高限制，給GIS設(shè)備的交接耐壓試驗(yàn)帶來較為不利的影響。在地面變電站常用的GIS交流耐壓設(shè)備(串聯(lián)諧振高壓發(fā)生裝置)因體積龐大、質(zhì)量很大，所以在地下變電站進(jìn)行運(yùn)輸、吊裝以及布置就位時(shí)非常困難，因此在地下變電站采用小型化GIS耐壓試驗(yàn)裝置已成為一種趨勢[3-4]。

由于設(shè)備處于室內(nèi)封閉空間，耐壓試驗(yàn)中高壓部位需要與周圍墻壁和接地金屬體等保持足夠的安全距離，常規(guī)的串聯(lián)諧振高壓試驗(yàn)裝置現(xiàn)場搭建后高度較高，體積較大，可能面臨安全距離不足等問題，導(dǎo)致無法施加標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的耐受電壓，而不得不采取增強(qiáng)局部區(qū)域絕緣的臨時(shí)措施，也是地下變電站GIS現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)需考慮的重要因素。因此，有必要研制一種適用于地下變電站的GIS大容量耐壓裝置。

1 地下變電站成套試驗(yàn)設(shè)備功能設(shè)計(jì)

按照GIS安裝現(xiàn)場的電源、場地、運(yùn)輸?shù)认拗茥l件，結(jié)合DL/T 555—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(yàn)導(dǎo)則》、DL/T 474.4—2006《現(xiàn)場絕緣試驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則 第4部分:交流耐壓試驗(yàn)》的要求，對(duì)成套試驗(yàn)設(shè)備的功能設(shè)計(jì)具體如下。

(1)額定電壓。該成套試驗(yàn)設(shè)備的額定輸出電壓按照750 kV設(shè)計(jì)，以滿足550 kV GIS現(xiàn)場耐壓740 kV的要求，當(dāng)然也完全能夠滿足252 kV及以下電壓等級(jí)GIS現(xiàn)場耐壓的要求。

(2)整體結(jié)構(gòu)。成套裝置采用氣體絕緣金屬封閉結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)中避免了外界環(huán)境干擾脈沖，無外露高壓導(dǎo)體的電暈干擾。

(3)耐壓升壓方式。為減小體積，提高試驗(yàn)容量，采用串聯(lián)諧振方式進(jìn)行升壓耐壓試驗(yàn)。

(4)局部放電測量。由于是氣體絕緣金屬封閉結(jié)構(gòu)，可以采用脈沖電流法進(jìn)行局部放電測量，測量結(jié)果可與出廠試驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)，判斷被試設(shè)備內(nèi)部絕緣狀況。

(5)與被試GIS對(duì)接方式。成套裝置在與550 kV GIS或者252 kV GIS對(duì)接時(shí)，需根據(jù)具體的GIS產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)連接法蘭和通管。采用法蘭對(duì)接方式，通過一次性裝配可完成產(chǎn)品試驗(yàn)。成套設(shè)備的支撐設(shè)計(jì)成具有一定調(diào)整范圍(5 cm)，以便適應(yīng)與GIS對(duì)接面的裝配誤差，使過渡罐體方便與試品法蘭接口對(duì)接。

(6)現(xiàn)場移動(dòng)方式。成套設(shè)備除變頻控制箱外接之外，所有高低壓部件組合裝配成一整體，試驗(yàn)中無需拆裝，試驗(yàn)前吊卸的在指定地點(diǎn)，通過推車或牽引車進(jìn)行移動(dòng)。

(7)擊穿保護(hù)。成套設(shè)備在試品擊穿情況下，自動(dòng)失諧，電壓歸零，不會(huì)造成本試驗(yàn)裝置及裝置操作控制元件失靈。

2 地下變電站成套試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

成套試驗(yàn)設(shè)備的設(shè)計(jì)兼顧550 kV及220 kV GIS的耐壓試驗(yàn)及局放試驗(yàn)的技術(shù)參數(shù)要求，容量要求大，以便同時(shí)耐壓多個(gè)間隔或者組合電器主變間連接通管(電纜)的要求。

成套裝置主體部分包括下列設(shè)備，一次接線圖如圖1所示。

圖1 成套裝置主體部分一次接線圖

經(jīng)對(duì)多個(gè)地下變電站和戶內(nèi)變電站的GIS設(shè)備區(qū)空間布置、通道走廊、運(yùn)輸路徑等的調(diào)研，最終確定成套試驗(yàn)設(shè)備的主體部分的外形尺寸：長<4.9 m，寬<2 m，高<3.5 m。

成套試驗(yàn)設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)，電源聯(lián)接電抗器(低電位)處的肘型電纜附件，由電抗器(低電位)通過聯(lián)接罐和550 kV盆式絕緣子串接電抗器(高電位)，通過800 kV盆式絕緣子聯(lián)接隔離阻抗，再分支兩個(gè)出口，一端通過盆子聯(lián)接電容器，另一端通過盆子作為對(duì)接試品接口。

在分支電容器和出口的中心部件處，在隔離阻抗罐體上設(shè)有接地開關(guān)。設(shè)備的移動(dòng)通過牽引車牽引或推車推動(dòng)的移動(dòng)方式。成套設(shè)備質(zhì)量約7 800 kg。

2.1 電抗器(低電位)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

電抗器(低電位)結(jié)構(gòu)及參數(shù)具體如下。

(1)外形尺寸：長1 620 mm×寬1 400 mm×高1 530 mm結(jié)構(gòu)說明：通過肘型電纜進(jìn)線，聯(lián)接內(nèi)部繞組1，在通過導(dǎo)電桿實(shí)現(xiàn)兩繞組的串聯(lián)，最終通過550 kV盆式絕緣子輸出。

(2)設(shè)備質(zhì)量：約1 400 kg。

電抗器(低電位)外形圖如圖2所示。

圖2 電抗器(低電位)外形圖

2.2 電抗器(高電位)結(jié)構(gòu)及參數(shù)

電抗器(高電位)結(jié)構(gòu)及參數(shù)具體如下。

(1)外形尺寸：長1 880 mm×寬1 500 mm×高1 580 mm。

(2)結(jié)構(gòu)說明：550 kV盆式絕緣子輸入電壓，通過端部連接件聯(lián)接內(nèi)部繞組一，再通過導(dǎo)電桿實(shí)現(xiàn)兩繞組的串聯(lián)，最終通過800 kV盆式絕緣子輸出。

(3)設(shè)備質(zhì)量：1 550 kg。

(4)技術(shù)參數(shù)：額定電壓750 kV，額定電流2.5 A，額定容量1 800 kvar，電感量995 H(1±5%)，品質(zhì)因數(shù)≥60，非線性度≤1%，SF6氣體絕緣，冷卻方式氣體自冷式，運(yùn)行時(shí)間750 kV/2.4 A下連續(xù)運(yùn)行10 min間隔8 h，在規(guī)定運(yùn)行時(shí)間內(nèi)繞組溫升≤75 K。

電抗器(高電位)外形圖如圖3所示。

圖3 電抗器(高電位)外形圖

2.3 電容器結(jié)構(gòu)及參數(shù)

電容器結(jié)構(gòu)及參數(shù)具體如下。

(1)外形尺寸：長3 575 mm×寬1 170 mm×高1 270 mm。

(2)結(jié)構(gòu)說明：800 kV盆式絕緣子輸入電壓，并通過導(dǎo)體聯(lián)接電容器，電容器末端固定在殼體罐蓋上，罐蓋設(shè)有一接線柱，與電容器末端輸出聯(lián)接。

(3)設(shè)備質(zhì)量：約1 250 kg。

(4)技術(shù)參數(shù)：額定電壓750 kV，標(biāo)稱電容量350 pF，工頻耐壓水平1.1倍額定電壓1 min，介質(zhì)損耗因數(shù)≤0.3%，測量不確定度≤1%，裝在SF6氣體罐內(nèi)，由高壓臂、低壓臂可測量高壓電壓，端部引出可注入方波。

電容器結(jié)構(gòu)及參數(shù)外形圖如圖4所示。

圖4 電容器結(jié)構(gòu)及參數(shù)外形圖

2.4 隔離阻抗結(jié)構(gòu)及參數(shù)

隔離阻抗結(jié)構(gòu)及參數(shù)具體如下。

(1)外形尺寸：長1 160 mm×寬1 810 mm×高2 930 mm。

(2)結(jié)構(gòu)說明：800 kV盆式絕緣子輸入電壓，并通過導(dǎo)體聯(lián)接隔離阻抗，下端用絕緣子支撐，上端通過導(dǎo)體聯(lián)接電容器罐和輸出，側(cè)面裝有接地開關(guān)和方波電極。

(3)設(shè)備質(zhì)量：約1 650 kg。

隔離阻抗結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖4所示。

圖5 隔離阻抗結(jié)構(gòu)及參數(shù)

2.5 底盤結(jié)構(gòu)及參數(shù)

底盤結(jié)構(gòu)及參數(shù)如圖5所示。

(1)外形尺寸：長4 600 mm×寬1 900 mm×高440 mm。

(2)結(jié)構(gòu)說明：由200×200工字鋼組成框架結(jié)構(gòu)，中部用20號(hào)槽鋼和200×200工字鋼組合成中部支撐，設(shè)有電抗器安裝孔、隔離阻抗安裝孔、固定滾輪和調(diào)節(jié)支撐等。

(3)設(shè)備質(zhì)量：約1 550 kg。

底盤結(jié)構(gòu)及參數(shù)外形圖如圖6所示。

2.6 勵(lì)磁變壓器和變頻柜

基于串聯(lián)諧振原理的成套試驗(yàn)設(shè)備，由勵(lì)磁變輸入電壓，由變頻柜產(chǎn)生頻率可調(diào)的輸出信號(hào)，在試品電容和電抗器之間的30～300 Hz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生諧振，品質(zhì)系數(shù)可達(dá)40以上。勵(lì)磁變壓器為單相，額定頻率50 Hz，工作頻率30～300 Hz，額定容量60 kVA，額定輸入電壓0.35 kV/0.4 kV兩種電壓，低壓可串/并聯(lián)，額定輸入電流171.4 A×2，額定輸出電壓25 kV，額定輸出電流2.4 A，阻抗電壓<6%(所有高壓線圈與低壓之間)，絕緣水平低壓線圈對(duì)地5 kV/1 min，高壓線圈對(duì)地27.5 kV/1 min，冷卻方式ONAN，額定容量下運(yùn)行60 min，線圈溫升≤65 K，油面溫升≤55 K。

變頻電源額定容量75 kW(30～300 Hz范圍內(nèi))，輸入電壓三相(1±10%)380 V，輸入頻率50 Hz，額定輸出電壓單相0～350 V(正弦波)連續(xù)可調(diào)，輸出電壓不穩(wěn)定度≤1%，工作頻率范圍30～300 Hz，頻率分辨率0.01 Hz，絕緣水平AC 3 kV/1 min，局部放電水平<5 pC，冷卻方式強(qiáng)迫風(fēng)冷，連續(xù)運(yùn)行時(shí)間60 min(額定輸出時(shí))。

圖6 底盤結(jié)構(gòu)及參數(shù)外形圖

3 局部放電測量結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GIS是封閉式氣體絕緣和環(huán)氧固體絕緣的混合絕緣系統(tǒng)，特點(diǎn)是在一個(gè)金屬封閉體內(nèi)充滿SF6氣體，用環(huán)氧澆注的絕緣子，把載流導(dǎo)體支撐在外殼上。

由于GIS內(nèi)工作場強(qiáng)很高，就可能產(chǎn)生以下幾種局部放電。

(1)載流導(dǎo)體表面缺陷，如有毛刺、尖角、設(shè)計(jì)不合理、導(dǎo)體表面的電場強(qiáng)度過高等，均會(huì)引起局部放電。由于導(dǎo)體周圍全是氣體所包圍，這種局部放電又可稱為電暈。

(2)絕緣體與導(dǎo)體的交界面上存在氣隙，這種氣隙可能是在產(chǎn)品制造時(shí)殘留的，也可能是在使用中熱脹冷縮形成的。氣隙中分配的場強(qiáng)高，而氣隙本身的擊穿場強(qiáng)又低，于是在氣隙中首先產(chǎn)生放電。

(3)澆注絕緣體中的缺陷，如氣泡、裂紋等所產(chǎn)生的局部放電。

(4)在SF6中導(dǎo)電微粒在強(qiáng)電場下產(chǎn)生的局部放電。

脈沖電流法是目前較為靈敏的局部放電檢測法，也是GB 7354推薦的一種成熟的檢測方法，在變壓器等電力設(shè)備局部放電檢測領(lǐng)域得到較為廣泛的應(yīng)用。脈沖電流法的基本原理是：試品在加壓情況下發(fā)生局部放電時(shí)，兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬時(shí)的電壓變化，此時(shí)如果經(jīng)過一個(gè)耦合電容耦合到一個(gè)檢測阻抗上，回路中就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖電流，將該脈沖電流流經(jīng)檢測阻抗產(chǎn)生的脈沖電壓予以采集、放大和顯示處理，就可測定局部放電基本量。這種方法靈敏度高，是目前國際電工委員會(huì)推薦進(jìn)行局部放電測試的一種通用方法。用脈沖電流法測量時(shí)，在示波器50 Hz掃描橢圓時(shí)，可以看到不同的放電圖形。

本文設(shè)計(jì)了GIS內(nèi)部缺陷模型，在GIS中人工造成不同位置上、不同類型的放電，測得這些放電的放電電荷、放電能量、放電相位以及兩次放電間的時(shí)間間隔等參數(shù)，再分析其統(tǒng)計(jì)量及其分布。

這些局部放電，都可能導(dǎo)致整個(gè)GIS損壞。在絕緣體中的局部放電會(huì)腐蝕絕緣材料，會(huì)發(fā)展成電樹枝，最后導(dǎo)致絕緣擊穿。初期老化，局部放電量明顯變化并增大；氣泡壁附著放電生成物，材料炭化。中期老化，放電生成物侵蝕、擴(kuò)大形成空洞，并向深層發(fā)展。末期老化，樹枝狀破壞性放電通道形成，絕緣最終破壞。

在SF6中的局部放電和絕緣體表面的局部放電，都會(huì)生成或分解出一些新的生成物，如在填充劑中有硅元素存在時(shí)，可能生成有導(dǎo)電性的SiF4，這就會(huì)污染SF6，從而降低其擊穿場強(qiáng)，最終造成擊穿或閃絡(luò)。

目前GIS中局部放電的測量，在廠內(nèi)主要是用脈沖電流法，可以得到以pC為單位的局部放電量；在現(xiàn)場往往由于環(huán)境干擾、升壓裝置自身干擾、高壓試驗(yàn)接線干擾等，而采用超聲波法或者特高頻法，這兩種方法的檢測結(jié)果以mV為單位，與出廠試驗(yàn)值無法對(duì)比。

本文設(shè)計(jì)的升壓裝置由于采用了氣體絕緣金屬封閉結(jié)構(gòu)，所有高壓導(dǎo)體均內(nèi)置，內(nèi)外部的干擾信號(hào)都得到消除，因此可以在現(xiàn)場試驗(yàn)中應(yīng)用脈沖電流法進(jìn)行局部放電測量時(shí)。本裝置采用并聯(lián)直測法的試驗(yàn)線路。測試方法按GB 7354《局部放電測量》國家標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)規(guī)定。測量的靈敏度高，可測得的最小放電量不大于1 pC。為了解決試驗(yàn)前用標(biāo)準(zhǔn)方波對(duì)局部放電量進(jìn)行標(biāo)定的問題，項(xiàng)目在隔離阻抗與試品GIS連接的部位增加了一個(gè)類似接地開關(guān)的方波脈沖注入裝置，如圖7所示。

圖7 類似接地開關(guān)的方波脈沖注入裝置圖

圖7中的接地開關(guān)與一般的接地開關(guān)的工作狀態(tài)不同，它在插入時(shí)，與裝置內(nèi)部導(dǎo)體接通，與外殼絕緣，將校準(zhǔn)的方波信號(hào)注入試驗(yàn)測試回路，在拉出時(shí)，它和外殼連接，處于接地導(dǎo)通狀態(tài)，屏蔽所有外部信號(hào)。

4 耐壓中擊穿定位設(shè)計(jì)

在耐壓試驗(yàn)中，若GIS試品絕緣狀況不佳，則會(huì)出現(xiàn)擊穿。擊穿時(shí)會(huì)有高頻高能量的電磁波和電流信號(hào)，利用一種基于振動(dòng)測試的GIS現(xiàn)場耐壓試驗(yàn)的擊穿故障定位方法。該方法要事先在被試范圍內(nèi)的GIS外殼上布置多個(gè)振動(dòng)傳感器進(jìn)行監(jiān)測，采集GIS擊穿故障發(fā)生時(shí)的振動(dòng)信號(hào)，通過比較分析各測點(diǎn)信號(hào)間的幅值差和時(shí)間差來進(jìn)行故障定位。

振動(dòng)加速度傳感器測到的擊穿信號(hào)如圖8所示。

圖8 振動(dòng)加速度傳感器測到的擊穿信號(hào)

與現(xiàn)有的人工聽聲音、事后測量SF6氣室內(nèi)分解物濃度等擊穿定位方法相比，基于振動(dòng)的定位法具有測試精度高，抗電磁干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。通過振動(dòng)測試來實(shí)現(xiàn)故障定位，避免了大面積解體檢查的麻煩，從而有效地提高了現(xiàn)場施工進(jìn)度，同時(shí)消除了由于大面積解體帶來的質(zhì)量隱患。該在定位中具體按照以下步驟實(shí)施。

(1)在被試范圍內(nèi)的GIS外殼上布置多個(gè)振動(dòng)傳感器進(jìn)行監(jiān)測，采集GIS擊穿故障發(fā)生時(shí)的振動(dòng)信號(hào)幅值隨時(shí)間變化的信號(hào)；

(2)對(duì)各位置振動(dòng)傳感器進(jìn)行編號(hào)n，其中n=1、2…，k；

(3)在所有振動(dòng)傳感器中，找出振動(dòng)信號(hào)峰值最大的測試點(diǎn)m，其振動(dòng)信號(hào)峰值為AmMAX；

(4)求出最早發(fā)生振動(dòng)響應(yīng)的測試點(diǎn)i，并定義該測試點(diǎn)的波峰位置為Ao，并將該波峰位置對(duì)應(yīng)的時(shí)刻定義為時(shí)間零點(diǎn)to=0；

(5)求出各測試點(diǎn)波峰時(shí)刻相對(duì)于零點(diǎn)波峰時(shí)刻的時(shí)間差的絕對(duì)值Δtn，排序后得最大時(shí)間差ΔtfMAX；

(6)求出每個(gè)測試點(diǎn)的振動(dòng)傳播時(shí)間相對(duì)值δtn和振動(dòng)幅值相對(duì)值δAn，其中δtn=Δtn/ΔtfMAX，δAn=An/AmMAX，其中An為測試點(diǎn)n的峰值；

(7)求出每個(gè)測試點(diǎn)的δAnx和δtnx的差值Xn=δAnx-δtnx；

(8)對(duì)Xn從大到小進(jìn)行排序，排序前兩位的兩個(gè)測點(diǎn)之間的GIS區(qū)間即為擊穿發(fā)生的故障區(qū)域。

定位過程的流程圖如圖9所示。

圖9 定位過程的流程圖

5 結(jié)語

本文研制了一種適用于地下變電站的GIS大容量耐壓裝置，不僅能夠在地下變電站的狹小空間中完成各種耐壓試驗(yàn)，而且能夠保證有足夠的耐壓容量，以適應(yīng)高電壓等級(jí)的多間隔耐壓試驗(yàn)需求。

該成套試驗(yàn)設(shè)備采用串聯(lián)諧振原理提高試品容量，采用氣體絕緣減少設(shè)備體積，采用金屬封閉結(jié)構(gòu)提高設(shè)備安全性，采用耦合電容器具備局部放電測量功能，從而研發(fā)一套具有大容量、小型化、可移動(dòng)的交流耐壓成套裝置，并且具有脈沖電流法局部放電測量功能。