基于220 kV GIS 間隔雙斷口母線隔離開關(guān)技術(shù)的試驗方法研究

程子豪， 吳丹， 曾凡興， 付磊， 楊洸， 孫銘

(湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司， 湖北 武漢430040)

0 引言

變電站GIS 設(shè)備( 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備) 作為一種優(yōu)秀的高壓設(shè)備已成為變電站建設(shè)的重要選擇。 GIS 設(shè)備具有占地空間小、 可靠性高等優(yōu)勢[1-3], 但變電站建設(shè)前期工程中一般會預(yù)留遠(yuǎn)期“備用” 間隔, 常規(guī)220 kV GIS設(shè)備備用間隔母線隔離開關(guān)僅有一個隔離斷口, 不能同時滿足試驗電壓疊加運行電壓的絕緣要求。 所以在GIS 遠(yuǎn)期改擴(kuò)建時, 備用間隔的擴(kuò)建安裝及交接耐壓試驗需要對原運行母線進(jìn)行停電處理[4]。這既增加了電網(wǎng)運行風(fēng)險, 又產(chǎn)生了停電損失。

隨著一種新型雙斷口母線隔離開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn), GIS 設(shè)備的這個缺點將得以彌補, 但目前國內(nèi)還沒有該類型設(shè)備的針對性試驗方法。 本文在研究傳統(tǒng)試驗方法的基礎(chǔ)上, 提出一種針對雙斷口母線隔離開關(guān)設(shè)備的新型試驗方案。

1 雙斷口隔離開關(guān)的技術(shù)特點

雙斷口隔離開關(guān)的技術(shù)原理[5]是采用高可靠性單操作機構(gòu)雙斷口聯(lián)動的隔離開關(guān), 且兩個斷口中間帶輔助接地刀的形式。 雙斷口隔離開關(guān)的兩個斷口能分別滿足單斷口的絕緣要求, 即任一個斷口均能滿足試驗電壓或運行電壓的絕緣水平。 同時對內(nèi)部操作機構(gòu)、 殼體、 地刀等元件進(jìn)行優(yōu)化升級,使母線隔離開關(guān)整體能夠承受最極端的電壓情況,即運行電壓與試驗電壓之和。 220 kV 雙斷口隔離開關(guān)接線如圖1 所示。

圖1 220 kV 雙斷口隔離開關(guān)接線示意圖

基于220 kV GIS 間隔的雙斷口隔離開關(guān)在備用出線或主變壓器間隔能發(fā)揮其最大優(yōu)勢, 從原理上能滿足改擴(kuò)建時雙母線不停電的要求, 彌補了常規(guī)母線隔離開關(guān)的短板。 為確保雙斷口設(shè)備兩組隔離開關(guān)的同步性及穩(wěn)定性, 該產(chǎn)品采用對稱結(jié)構(gòu)的傳動軸, 兩個斷口具備同開同閉的功能, 兩組母線隔離開關(guān)亦能被獨立控制[6]。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)詳圖如圖2 所示。

圖2 雙斷口隔離開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)了解, 該類型設(shè)備國內(nèi)已有廠家能夠生產(chǎn),相關(guān)設(shè)備已于2018 年4 月取得全套型式試驗報告。

2 傳統(tǒng)耐壓試驗方案研究

組合電器設(shè)備的試驗項目包含密封性試驗、 測量SF6氣體含水量等[7], 本文僅針對其中主回路的交流耐壓試驗進(jìn)行研究。

220 kV GIS 的耐壓試驗[8-9]是指采用變頻串聯(lián)諧振方法對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行加壓, 檢查220 kV GIS設(shè)備整體安裝后是否存在導(dǎo)致內(nèi)部故障的隱患(包括運輸、 安裝、 儲存和調(diào)試中的損壞, 存在異物等), 驗證其絕緣性能是否滿足要求, 包括交流電壓耐受試驗、 老練試驗和局部放電試驗。 國內(nèi)變電站建設(shè)工程無論是新建還是擴(kuò)建, GIS 設(shè)備整體耐壓試驗都是必要環(huán)節(jié)。

目前國內(nèi)組合電器的傳統(tǒng)試驗方法[10-12]是基于單斷口隔離開關(guān)的GIS 設(shè)備進(jìn)行的, 對于新型雙斷口設(shè)備還沒有針對性試驗方案及相關(guān)文獻(xiàn)。 本文嘗試先采用傳統(tǒng)試驗方式對新型雙斷口設(shè)備模擬耐壓試驗過程, 分析利弊, 查找缺陷。

雙斷口母線隔離開關(guān)特別適用于備用間隔。 實際上該類型設(shè)備對于一次性建成的完整間隔也有意義, 尤其當(dāng)已建設(shè)備因故障大修而需拆裝更換時,亦能保證技改工程中母線不停電。 但此類工程由于前期已建設(shè)出線套管, 常規(guī)耐壓試驗方案即可滿足技改試驗要求。

反之, 在一期工程中建設(shè)的備用間隔, 由于本期未配備出線套管, 驗證斷口間耐壓特性成為難點。 利用傳統(tǒng)試驗方案進(jìn)行分析比較, 有如下兩種思路。

2.1 新增特殊試驗套管(方案一)

GIS 設(shè)備廠家通常會針對電纜出線間隔等配置相應(yīng)的試驗套管。 對含雙斷口母線隔離開關(guān)的備用間隔, 配置一套滿足其接口形式的特殊試驗套管, 新增特殊試驗套管方案中的加壓位置如圖3所示。 具體試驗步驟如下: ①將雙斷口母線隔離開關(guān)的中間地刀接地； ②在加壓位置一, 對特殊空氣套管加試驗電壓； 能從出線側(cè)對斷口1、 2 (如圖1 所示) 進(jìn)行耐壓測試； ③在加壓位置二, 通過其他已建出線間隔空氣套管對母線加運行電壓。能從母線側(cè)對斷口3、 4 (如圖1 所示) 進(jìn)行耐壓測試。

圖3 方案一加壓位置示意圖

2.2 分步式試驗(方案二)

若無特殊試驗套管, 需將備用間隔雙斷口母線隔離開關(guān)的整體試驗拆分成兩個階段。 分步式試驗方案中的加壓位置如圖4、 5 所示。

圖4 階段一加壓位置示意圖

圖5 階段二加壓位置示意圖

階段一, 在一期工程中, 雙母線及備用間隔母線隔離開關(guān)已一次性上齊, 備用間隔其他設(shè)備如斷路器等空缺。 設(shè)備安裝完成后, 將備用間隔母線隔離開關(guān)處于分位, 通過其他一期已建出線間隔對母線加壓, 檢驗備用間隔的隔離開關(guān)母線側(cè)( 斷口1、 2) 能否滿足要求。

階段二, 該備用間隔的遠(yuǎn)期擴(kuò)建工程中, 設(shè)備安裝完畢后, 將雙斷口母線隔離開關(guān)處于分位, 中間地刀接地, 斷路器合上。 此時母線( 帶運行電壓) 不停電。 由于一期工程已檢測斷口1、 2 滿足試驗要求, 所以能直接在該間隔新上的出線套管處施加試驗電壓, 檢驗?zāi)妇€隔離開關(guān)斷路器側(cè)( 斷口3、 4) 能否滿足要求。

2.3 兩種方案比較及目標(biāo)分析

以上兩種方案均能實現(xiàn)雙斷口母線隔離開關(guān)的耐壓檢測。

方案一中的特殊試驗套管需廠家針對隔離開關(guān)接口進(jìn)行定制。 此外, 當(dāng)該新型設(shè)備在戶內(nèi)站應(yīng)用時, 受通用設(shè)計方案對站內(nèi)配電裝置室長、 寬及層高的限制, 對試驗套管的尺寸及安裝位置提出了很高要求[13]。 經(jīng)調(diào)研, 目前國內(nèi)還沒有成熟的相關(guān)產(chǎn)品, 短時間內(nèi)方案一不具備可實施性。

方案二中備用間隔隔離開關(guān)不能在一期建設(shè)時完整地檢測其合格性, 存在質(zhì)量隱患, 亦不滿足相關(guān)規(guī)程[9]中試驗判據(jù)的要求。 此外, 實際工程建設(shè)中, 擴(kuò)建項目的建設(shè)時序一般跨度較大, 該方案檢測周期長, 前后檢測環(huán)境及狀態(tài)不同, 不利于雙斷口設(shè)備的評估分析。

通過以上比較分析, 傳統(tǒng)的雙斷口母線隔離開關(guān)設(shè)備試驗方案復(fù)雜、 可實施性低。 亟待開發(fā)一種簡單適用的試驗方案, 在變電站一期建設(shè)中, 能一次性對整個備用間隔雙斷口母線隔離開關(guān)進(jìn)行耐壓試驗, 確保設(shè)備安全合格。

3 新型耐壓試驗方法

經(jīng)調(diào)研, 國內(nèi)220 kV 及以上規(guī)模的變電站的220 kV GIS 配電裝置常采用雙母線或雙母線帶分段接線[14-16], 且一期工程中雙母線通常一次性上齊。此外, 雙斷口母線隔離開關(guān)的兩個斷口能同分同合, 且兩條母線上的隔離開關(guān)機構(gòu)互為獨立控制。

一期工程中已建成的兩條母線為試驗的關(guān)鍵點, 可作為試驗電壓的載體對備用間隔母線隔離開關(guān)進(jìn)行正向和反向加壓操作。 此外, 通常在一期工程中, 會對220 kV 配電裝置建設(shè)1 回出線及1 回主變壓器進(jìn)線間隔, 即線變阻接線[17-18], 滿足兩路空氣套管的加壓要求。

通過以上分析, 選定本試驗方法的通用性適用范圍。 在此條件下, 以雙母線作為突破口, 給耐壓試驗方案提供了新思路。

試驗電壓值的選取: 根據(jù)《 國家電網(wǎng)有限公司十八項電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版) 》 的要求, 252 kV GIS 主回路(包括GIS 引線段, 下同)對地耐受電壓值為出廠試驗電壓值的100%, 即460 kV, 時間1 min。

老練與耐壓試驗加壓程序: 0 →Um/ 3(145 kV ) 持 續(xù)10 min →Um( 252 kV ) 持 續(xù)3 min→Uf( 現(xiàn)場交流耐 壓 值, 460 kV ) 持續(xù)1 min→1. 2Um/ 3 (175 kV ) 開展局部放電測量。

試驗加壓程序可按圖6 進(jìn)行, 耐壓試驗方案如圖7 所示。

圖6 老練及耐壓試驗加壓程序示意圖

圖7 耐壓試驗方案示意圖

具體試驗步驟如下:

1) 根據(jù)雙斷口隔離開關(guān)的同開同合性, 閉合DDS2 側(cè)(斷口2、 4) 隔離開關(guān), 中間地刀不接地。 此時DDS2 與Ⅱ母形成通路。

2) 打開DDS1 側(cè)(斷口1、 3) 隔離開關(guān), 中間地刀接地。

3) 在已建1 號出線間隔內(nèi), 閉合Ⅱ母母線隔離開關(guān), 將Ⅰ母母線隔離開關(guān)處于分位, 并從加壓位置1 處接入試驗電源, 閉合1 號出線間隔斷路器。 此時Ⅱ母帶試驗電壓, Ⅰ母不帶電, 可對斷口1 進(jìn)行耐壓試驗。

4) 斷開1 號出線間隔斷路器, 兩條母線接地處理后, 閉合Ⅰ母母線隔離開關(guān), 將Ⅱ母線隔離開關(guān)處于分位, 閉合1 號出線間隔斷路器。 此時Ⅰ母帶試驗電壓, Ⅱ母不帶電, 可對斷口3 進(jìn)行耐壓試驗。

5) DDS1 隔離開關(guān)試驗完畢。

6) 同理, 對調(diào)DDS1 與DDS2 的斷口開閉狀態(tài), 重復(fù)以上倒閘操作即可完成對DDS2 (斷口2、4) 的耐壓試驗。

上述試驗過程步驟較多, 但原理簡單, 且只需要一臺加壓設(shè)備。 此外, 在條件允許的情況下, 可以同時開啟兩套加壓設(shè)備, 在圖7 中加壓位置1、2 同時加壓, 使Ⅰ母和Ⅱ母同時帶試驗電壓, 在母線隔離開關(guān)中間地刀接地的情況下, 一次性對兩個斷口進(jìn)行耐壓試驗, 縮短試驗時間。

上述雙母線同時帶試驗電壓的方案, 可近似等效遠(yuǎn)景擴(kuò)建時母線帶運行電壓、 出線側(cè)施加試驗電壓的場景。 該方案從側(cè)面證明了兩個斷口的組合,能滿足其斷口間承受最極端電壓的情況, 即試驗和運行電壓之和, 驗證了雙斷口設(shè)備在遠(yuǎn)期改擴(kuò)建時具備母線不停電的功能, 達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)語

雙斷口母線隔離開關(guān)技術(shù)在220 kV 組合電器中具備較強的現(xiàn)實意義及應(yīng)用前景, 而隨著其入選2020 年國家電網(wǎng)有限公司推廣類應(yīng)用目錄, 該項技術(shù)將得以快速普及, 隨之而來的施工及試驗難題將逐漸突顯出來。 本文在分析傳統(tǒng)試驗方法的基礎(chǔ)上, 提出了一種新型試驗方案, 在變電站一期建設(shè)時能完整地對備用間隔雙斷口母線隔離開關(guān)四個斷口進(jìn)行耐壓試驗, 該方案簡單實用, 具備較強的通用性及可操作性。