敞開自立式?jīng)_擊耐壓試驗(yàn)裝置及GIS現(xiàn)場試驗(yàn)分析

馬 云 龍，相 中 華2，郭 飛2，郝 金 鵬，李 秀 廣

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司 電力科學(xué)研究院，寧夏 銀川 750002； 2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001)

1 研究背景

氣體絕緣組合電器(gas insulated switchgear，以下簡稱GIS)具有設(shè)備緊湊、占地面積少、易于安裝、受大氣環(huán)境影響小、維護(hù)簡便、檢修周期長以及配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，自問世以來，被廣泛應(yīng)用于66 kV以上電壓等級的電力系統(tǒng)中[1-2]。然而，GIS一旦出現(xiàn)絕緣問題，必須進(jìn)行停電檢修，從而會帶來較大的社會經(jīng)濟(jì)損失。根據(jù)文獻(xiàn)[3]中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，絕緣件的質(zhì)量不良與設(shè)備內(nèi)部存在的異物是引起故障的主要原因。因此，為了充分驗(yàn)證準(zhǔn)備投運(yùn)的GIS設(shè)備的絕緣性能，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求及多年所積累的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)[4-6]，在現(xiàn)場通過交流耐壓試驗(yàn)后，再進(jìn)行現(xiàn)場沖擊耐壓試驗(yàn)是十分必要的[7-9]。

對于在現(xiàn)場開展沖擊耐壓試驗(yàn)，有些標(biāo)準(zhǔn)[10-11]建議將選擇的試驗(yàn)波形分為振蕩型和非振蕩型電壓。但是隨著電壓等級的提高，被試驗(yàn)的GIS設(shè)備等效電容也在增加，在這種情況下，使用非振蕩型電壓在現(xiàn)場進(jìn)行試驗(yàn)時，試驗(yàn)設(shè)備的輸出效率會很低。為此，現(xiàn)場一般是采用振蕩型波形來提高試驗(yàn)的效率。但是采用振蕩型沖擊波進(jìn)行耐壓試驗(yàn)必須合理配置試驗(yàn)參數(shù)，否則在試品被擊穿時所引起的過電壓會造成盆式絕緣子的二次擊穿等故障[12-13]。本文以2 400 kV/240 kJ敞開自立式?jīng)_擊耐壓試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)以及在某252 kV GIS開展的現(xiàn)場沖擊耐壓試驗(yàn)為例，對裝置設(shè)計(jì)的要點(diǎn)及其在現(xiàn)場應(yīng)用的情況開展分析，以便為裝置在實(shí)際工程中的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考。

2 敞開自立式?jīng)_擊耐壓試驗(yàn)裝置

2.1 電氣設(shè)計(jì)

敞開自立式?jīng)_擊耐壓試驗(yàn)裝置是基于馬克思(Marx)回路進(jìn)行設(shè)計(jì)[14-15]，主要包括沖擊電壓發(fā)生器和分壓器，其裝置電路原理如圖1所示。圖中，D為二極管；T為試驗(yàn)變壓器；SF為球隙；Rc為充電電阻，C11、C12、C21、C22為電容器，Rt為波尾電阻，Ω；Rf為波頭電阻，Ω；C0為試品的等效電容。

沖擊電壓發(fā)生器共有12級，采用雙邊充電的形式，每一級最高可充電200 kV，最高輸出電壓為2 400 kV。單個電容為2 μF，即每一級電容為1 μF，充電電阻為28 kΩ。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]中，對現(xiàn)場沖擊耐壓試驗(yàn)可以選用的沖擊電壓波形進(jìn)行了規(guī)定，其中就包括標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓、標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓。振蕩型雷電沖擊電壓以及振蕩型操作沖擊電壓。各電壓波形的參數(shù)如表1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of test equipment

電壓波形波前時間T1/μs半峰值時間T2/μs振蕩頻率f/kHz標(biāo)準(zhǔn)雷電1.2±30%50±20%-標(biāo)準(zhǔn)操作250±20%2500±60%-振蕩型雷電0.8～2040～10015～400振蕩型操作20～4001000～40001～15

根據(jù)表1中列出的波形參數(shù)并綜合考慮到負(fù)載的容量，利用沖擊電壓發(fā)生器的等效放電回路，可以估算出所需要的波頭電阻、波尾電阻以及調(diào)波電感。

2.2 機(jī)械設(shè)計(jì)

在充分考慮沖擊發(fā)生器、分壓器、變壓器和電源部分等模塊空間尺寸的基礎(chǔ)上，將上述設(shè)備集成設(shè)計(jì)在13.5 m×2.8 m×2.8 m(長×寬×高)的集裝箱中[16]。使用時，首先需要進(jìn)行翻轉(zhuǎn)動作，即從水平放置狀態(tài)豎立起來，其承受的最大應(yīng)力也出現(xiàn)在剛開始豎立的時刻。該裝置在常規(guī)的2 400 kV沖擊電壓發(fā)生器的H型結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化以減少裝置的重量，且在該裝置的設(shè)計(jì)過程中，主要考慮到了如下因素。

2.2.1底部鋼底座

沖擊電壓發(fā)生器本體是由4根主立柱承受著電容器等元器件的重量，并保持了電路結(jié)構(gòu)。本體在翻轉(zhuǎn)、存放、試驗(yàn)期間，主立柱承受了所有的應(yīng)力。主立柱下部由鋼底座支撐并保持4根主立柱的相互位置，鋼底座下部有4根鋼柱用于連接集裝箱的后端板，且發(fā)揮著重要作用。鋼底座由150 mm H型鋼焊接而成，上面鋪設(shè)有16 mm厚的鋼板，鋼板上焊接主立柱底法蘭。鋼底座下部焊接4根直徑為180 mm的鋼支柱，鋼支柱下面由法蘭與集裝箱后端板上的法蘭連接，連接面上有直徑為80 mm的止口配合，以避免出現(xiàn)錯位。鋼底座與后端板之間的間隙也可用于安裝球隙調(diào)節(jié)傳動裝置風(fēng)機(jī)等，也是用于安裝分壓器導(dǎo)軌翻轉(zhuǎn)液壓缸的必須位置。

2.2.2主立柱

沖擊發(fā)生器的4根主立柱對于整體的強(qiáng)度和剛度具有重要影響。主立柱由環(huán)氧管制成，外徑140 mm的壁厚度為25 mm。受制造工藝限制，原料長度最長只能到2.1 m，立柱之間的連接就要做出內(nèi)芯套管和鋼制內(nèi)螺母圈，經(jīng)過外部每一級上的法蘭圈連接M16內(nèi)六角螺釘，將上下兩節(jié)環(huán)氧管可靠地連接在一起，通常連接處的強(qiáng)度不得低于正常位置環(huán)氧管的強(qiáng)度。每三級為一個模塊，每個模塊的上下由15 mm厚的環(huán)氧板固定，并在左右兩側(cè)用25 mm厚的環(huán)氧板做出剪式結(jié)構(gòu)以增加模塊的剛度，減少沖擊發(fā)生器本體在豎直翻轉(zhuǎn)過程中的下垂變形，避免變形造成的螺絲松動、元件脫落。

2.2.3電容器

沖擊電壓發(fā)生器的重要元器件是脈沖電容器，一般而言，沖擊電壓發(fā)生器上使用的是金屬外殼帶瓷套管的充油電容器，但是這種電容器的最大缺點(diǎn)是重量較重，不適用于移動式設(shè)備，對于有翻轉(zhuǎn)豎立動作的影響非常大。因此，脈沖電容器使用了環(huán)氧外殼的干式電容器。干式電容器使用6 mm厚的環(huán)氧板做外殼，承受外力后非常容易破裂失效，而且在翻轉(zhuǎn)前后電容器受到雙方向的外力作用，尤其是4根主立柱在這種外力的作用下不可避免地會發(fā)生形變。為了防止變形產(chǎn)生的外力作用到電容器殼體上，在電容器下部的立柱之間需設(shè)置一塊高強(qiáng)度的環(huán)氧板，再將電容器安裝在環(huán)氧板上，這樣電容器僅會受到自身重力作用的影響，而所有變形力都作用在這塊環(huán)氧板上，這樣既避免了長期翻轉(zhuǎn)動作所造成的電容器損壞，也使得電容器的更換更為方便。

2.2.4充氣均壓環(huán)與均壓環(huán)支撐架

沖擊電壓發(fā)生器的頂部一般放置有一個鋁制均壓環(huán)，其小直徑為400 mm，大外徑為1 800 mm，壁厚為3 mm。此外，還需要一個鋼制支架將均壓環(huán)與4根主立柱連接，這部分的重量至少有80 kg。為了減輕該重量，該裝置采用了PVC膜外部包覆導(dǎo)電材料做成的充氣均壓環(huán)，充氣后可以保持60 d正常使用；加上必須的支撐架，可以使重量減少到10 kg，從而減少了對主立柱的彎矩、拉力和剪切力。

借助于ANSYS軟件，對優(yōu)化后的裝置在初始立起的時刻進(jìn)行仿真。沖擊電壓發(fā)生器本體上的應(yīng)力分布和位移情況分別如圖2和圖3所示。

從圖3可以看出，在沖擊電壓發(fā)生器立起的初始時刻，最大應(yīng)力出現(xiàn)在沖擊電壓發(fā)生器的底部，最大應(yīng)力為30.24 MPa，未超過發(fā)生器鋁板的最大允許應(yīng)力。本體的最大位移出現(xiàn)在其頂部，最大的位移量為30 mm，該值也在頂部環(huán)氧支柱所能承受的形變范圍之內(nèi)。最終得到的敞開自立式?jīng)_擊耐壓試驗(yàn)裝置如圖4所示。

圖2 沖擊電壓發(fā)生器本體變形等效應(yīng)力的分布情況Fig.2 Equivalent stress distribution of impulse voltage generator

圖3 沖擊電壓發(fā)生器本體變形量Fig.3 Body deformation of impulse voltage generator

圖4 敞開自立式?jīng)_擊耐壓試驗(yàn)裝置Fig.4 Open and self-stand impulse voltage test equipment

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法

2017年12月19日，采用敞開自立式?jīng)_擊耐壓試驗(yàn)裝置對某220 kV變電站的252 kV GIS設(shè)備進(jìn)行了現(xiàn)場沖擊耐壓試驗(yàn)，該站接線如圖5所示。該變電站220 kV設(shè)備接線采用的是雙母分段接線，包括5個間隔，其中有2個出線間隔，2個主變間隔，1個母聯(lián)間隔。考慮到被試容量和試驗(yàn)的安全經(jīng)濟(jì)性，本次對母聯(lián)和1個主變的間隔進(jìn)行了試驗(yàn)，由主變間隔出線套管進(jìn)行加壓。試驗(yàn)步驟采用正極性30%-75%-100%(3次)，通過后再重復(fù)進(jìn)行負(fù)極性試驗(yàn)，試驗(yàn)峰值電壓為出廠值的80%(840 kV)。

圖5 變電站252kV GIS接線示意Fig.5 Connection diagram of the 252kV GIS in the station

試驗(yàn)現(xiàn)場分為220 kV區(qū)、110 kV區(qū)、主變區(qū)、高壓室等，由北向南分布。其中，被試驗(yàn)設(shè)備在220 kV區(qū)，該區(qū)域道路寬約4 m，路面水平狀況良好。

3.2 試驗(yàn)現(xiàn)場布置

試驗(yàn)裝置在拖車上展開，布置試驗(yàn)現(xiàn)場時需要考慮到現(xiàn)場空間尺寸的限制。

(1) 從高度上考慮，沖擊電壓發(fā)生器本體高為11.0 m、拖車本身高度為1.3 m以及試驗(yàn)電壓需保證的凈空距離為2 m，因此，高度方向上應(yīng)保證有14.3 m的距離。

(2) 從寬度上考慮，由于兩側(cè)后門展開后需要貼合在箱體上，集裝箱本身寬度為2.8 m，打開完畢后需預(yù)留約3.0 m左右的空間。若試驗(yàn)位置寬度無法滿足車門活動半徑的要求，則可在進(jìn)入變電站前將車門打開后再進(jìn)行固定。

(3) 從長度方面考慮，集裝箱長為13.5 m，考慮到半掛車、車頭及分壓器移動導(dǎo)軌的長度，總共需要約19.0 m的長度進(jìn)行展開。若長度方向無法滿足要求，則可將車頭斜側(cè)布置，僅需17.0 m左右的長度。

本次進(jìn)行的252 kV的GIS沖擊耐壓試驗(yàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，最高需要產(chǎn)生840 kV的電壓，考慮到該變電站海拔高度約1 000 m，且試驗(yàn)當(dāng)?shù)氐目諝鉂穸纫话悴怀^60%，因此，帶電部位與接地體之間的凈空距離應(yīng)保持2.5 m。試驗(yàn)接線穿越門型構(gòu)架時，采用絕緣繩進(jìn)行固定，以避免測試過程中風(fēng)偏造成的閃絡(luò)。將試驗(yàn)方艙布置在可監(jiān)控試驗(yàn)裝置和被試設(shè)備的區(qū)域，并保持安全距離。考慮到現(xiàn)場的實(shí)際情況，先將裝置本體車輛就位，然后將剩余車輛就位。

由于試驗(yàn)系統(tǒng)功率最大僅為20 kW，因此，現(xiàn)場電源接引方式較為靈活。但是為了保證裝置在舉升過程中不受干擾，在試驗(yàn)準(zhǔn)備過程中，應(yīng)停止其他大功率電源的使用。液壓裝置可由無線和有線兩種控制器進(jìn)行操作，為了保證安全，舉升過程中一人進(jìn)行操作，同時兩側(cè)各一人觀察集裝箱、本體的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)緊急狀況時，應(yīng)通知控制人員緊急停止。由于采用的沖擊電壓發(fā)生器和分壓器需使用充氣均壓環(huán)，因此在現(xiàn)場安裝前，需要檢查均壓環(huán)的密封狀態(tài)。液壓裝置控制的展開/回收過程耗時為7 min左右，在現(xiàn)場突發(fā)惡劣天氣(如下雨或下雪)情況下可做到快速回收。由于不需要進(jìn)行大量的安裝工作，也不需要專業(yè)的安裝人員，現(xiàn)場只需要一輛斗臂車或吊車配合進(jìn)行試驗(yàn)接線，以及4名試驗(yàn)人員即可完成整個試驗(yàn)現(xiàn)場的布置工作，試驗(yàn)準(zhǔn)備過程一般耗時1.0～1.5 h。最終的裝置及試驗(yàn)方艙布置如圖6(a)所示，測試現(xiàn)場如圖6(b)所示。

圖6 試驗(yàn)裝置布置Fig.6 Equipment layout on site

4 測試結(jié)果

試驗(yàn)調(diào)波過程中，結(jié)合文獻(xiàn)[5]中的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，盡量增大波前時間、并減少振蕩頻率。因此，使用配置的所有11節(jié)電感，使得總電感為1.1 mH；同時考慮到測試設(shè)備容量有較大的冗余，可以在犧牲部分試驗(yàn)效率的情況下，增大波頭電阻以適當(dāng)增大波前的時間，因此，最終采用了200 Ω的波前電阻。利用ATP-EMTP軟件進(jìn)行仿真，可以得到仿真波形，如圖7(a)所示。其中，充電電壓為664 kV，峰值電壓為840 kV，波頭時間為5.3 μs，效率為135%，振蕩頻率為58 kHz。

試驗(yàn)前，對被試驗(yàn)設(shè)備測試了絕緣電阻，測試結(jié)果為正常。正極性試驗(yàn)通過了前兩次耐壓，典型波形如圖7(b)所示，試驗(yàn)結(jié)果與ATP-EMTP仿真結(jié)果接近，波頭時間在5.3～5.5 μs，效率η=135%，頻率f=58 kHz。

圖7 振蕩型雷電沖擊電壓Fig.7 Oscillating lightning impulse voltage

在進(jìn)行第三次正極性試驗(yàn)時，發(fā)生了擊穿，測試波形如圖8所示。隨后，試驗(yàn)人員對沖擊電壓發(fā)生器、弱阻尼分壓器、被試驗(yàn)設(shè)備均進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)外部放電痕跡；測試了被試驗(yàn)設(shè)備的絕緣電阻，結(jié)果與試驗(yàn)前的測試值相比無變化；空試沖擊電壓發(fā)生器，測試結(jié)果為正常；在50%測試電壓以下進(jìn)行了幾次調(diào)波測試，試驗(yàn)波形均為正常。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[10-11]中的規(guī)定：“當(dāng)發(fā)生一次擊穿后，按試驗(yàn)電壓重新施加一次，若無異常，試驗(yàn)繼續(xù)”，測試波形正常，因此，繼續(xù)進(jìn)行正極性和后續(xù)負(fù)極性測試，測試過程中無異?，F(xiàn)象。為了避免擊穿產(chǎn)生的過電壓對固體絕緣產(chǎn)生的影響，結(jié)合后續(xù)未試驗(yàn)間隔的交流耐壓試驗(yàn)，對本次被試驗(yàn)的間隔補(bǔ)充進(jìn)行了一次交流老練試驗(yàn)，最終的測試結(jié)果無異常。

圖8 擊穿波形Fig.8 Waveform of sparkover

5 結(jié) 論

(1) 對GIS設(shè)備在投運(yùn)前開展沖擊耐壓試驗(yàn)非常有必要。針對傳統(tǒng)裝置開展沖擊耐壓試驗(yàn)耗時長的問題，研發(fā)出了一套敞開自立式?jīng)_擊耐壓試驗(yàn)裝置，該裝置的最高電壓可達(dá)到2 400 kV；并針對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后，將裝置集成在集裝箱中，可以提高現(xiàn)場的使用效率。

(2) 現(xiàn)場測試結(jié)果表明，采用敞開自立式?jīng)_擊耐壓試驗(yàn)裝置進(jìn)行現(xiàn)場沖擊試驗(yàn)，相對于傳統(tǒng)的裝置，可以有效減少設(shè)備安裝的時間，現(xiàn)場只需要展開后進(jìn)行接線工作，減少了試驗(yàn)人員和現(xiàn)場吊車的使用量，從而可以有效地減少試驗(yàn)成本，提高試驗(yàn)效率；同時，還能克服開展試驗(yàn)耗時長與工期緊之間的矛盾。

(3) 在某220 kV變電站進(jìn)行的沖擊耐壓試驗(yàn)的過程中，發(fā)現(xiàn)通過交流耐壓的被試驗(yàn)間隔出現(xiàn)了擊穿現(xiàn)象，證明沖擊耐壓試驗(yàn)可以作為交流耐壓試驗(yàn)的補(bǔ)充，以便更好地檢測出存在的缺陷，避免設(shè)備帶缺陷運(yùn)行而造成事故。