直流GIS 長期帶電考核試驗方案

邵苠峰，王 剛，魏建巍，陳江波，費 燁，李 輝，尹 晶

（1.中國電力科學(xué)研究院有限公司，武漢 430074；2.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001）

0 引言

隨著海上風(fēng)電走向深遠(yuǎn)海和“平價時代”的到來，直流輸電是降低海上風(fēng)電成本的重要途徑。目前，海上換流平臺體積大、重量重、成本高，制約了直流輸電在海上風(fēng)電中的應(yīng)用[1-2]。直流GIS（氣體絕緣封閉組合電器）可替代海上風(fēng)電換流站用線路側(cè)敞開直流開關(guān)設(shè)備，相比現(xiàn)有的敞開式直流開關(guān)設(shè)備，直流GIS 占用空間可減少70%以上，可使海上換流平臺體積減少約10%，大大節(jié)約了平臺的建設(shè)成本。同時，直流GIS 還具有免維護(hù)、抗震性好等優(yōu)點，這是陸上用直流開關(guān)設(shè)備的發(fā)展方向，可用于極線、中性線及換流變閥側(cè)等多個位置，其主要包含隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、電流互感器、避雷器、套管和電纜終端等元件，可根據(jù)工程拓?fù)潇`活布置[3-5]。目前，國內(nèi)外對相應(yīng)直流GIS 設(shè)備的各部件均有相關(guān)的試驗方法進(jìn)行性能考核，但設(shè)備組裝完成后，這類新設(shè)備在各類惡劣運行條件下整體性能還缺乏檢測手段，無法掌握其在長期全工況下運行后的設(shè)備溫升水平、局部放電（以下簡稱“局放”）水平以及絕緣性能狀況。如果直接將此類新設(shè)備安裝到電網(wǎng)中可能存在安全隱患，需對設(shè)備開展長期帶電考核試驗方案研究，提出相應(yīng)的試驗方法。

目前，國內(nèi)外尚未開展直流GIS 長期帶電考核試驗方法的系統(tǒng)性研究，也未開展工程實踐，對試驗接線方式、考核項目和判斷依據(jù)等關(guān)鍵因素掌握不深，對諸如在全工況下進(jìn)行雷電沖擊、操作沖擊疊加試驗時如何避免試驗設(shè)備相互損壞等關(guān)鍵問題研究較少，在實際工程實踐時，還需考慮現(xiàn)場安裝時試驗設(shè)備的安裝姿態(tài)、試驗設(shè)備布置等一系列問題[6-9]。

1 直流GIS 長期帶電考核關(guān)鍵因素

絕緣性能是考核高壓設(shè)備的關(guān)鍵參數(shù)，目前設(shè)計的應(yīng)用于海上風(fēng)電的直流GIS 主要包括±200 kV 和±320 kV 2 個電壓等級，其中±320 kV 直流GIS 還沒有相關(guān)的試驗標(biāo)準(zhǔn)對其絕緣耐受水平進(jìn)行規(guī)定，CIGRE（國際大電網(wǎng)會議）電力材料和先進(jìn)試驗技術(shù)專委會給出了±320 kV 直流GIS 裝置絕緣耐受水平的建議，如表1 所示。

表1 ±320 kV 直流GIS 絕緣耐受水平

為了充分考核GIS 的絕緣性能，更貼近設(shè)備運行時的真實狀況，長期帶電考核還應(yīng)在額定運行工況下進(jìn)行疊加雷電沖擊和操作沖擊的試驗。同時，在典型結(jié)構(gòu)下，GIS 內(nèi)部最大場強(qiáng)一般在導(dǎo)體附近，對直流GIS 而言，絕緣材料的直流電導(dǎo)率與溫度關(guān)系較大，但介電常數(shù)與溫度關(guān)系較小，當(dāng)導(dǎo)體溫度發(fā)生變化時，其內(nèi)部場強(qiáng)變化比交流GIS 更加劇烈，因此開展導(dǎo)體發(fā)熱后的絕緣試驗也是長期帶電考核的關(guān)鍵[10]。

2 長期帶電考核試驗方法

為全面驗證直流GIS 設(shè)備的性能，長期帶電考核試驗先從帶電考核前的預(yù)試驗開始，再開展正式帶電考核試驗。考核試驗結(jié)束后，還應(yīng)開展考核后的絕緣試驗，從而全面驗證設(shè)備的可靠性。

2.1 試驗裝置及參數(shù)選擇

直流GIS 長期帶電考核采用額定電壓為1 400 kV、帶極性翻轉(zhuǎn)功能的直流高壓發(fā)生器提供穩(wěn)定直流電壓，采用額定容量為300 MVA、額定電流為5 000 A 的升流器提供電流對設(shè)備進(jìn)行加熱，采用額定電壓為2 400 kV 的沖擊電壓發(fā)生裝置提供雷電波和操作沖擊波。同時，考慮到疊加試驗，為防止設(shè)備損壞，還需準(zhǔn)備阻尼電阻和電容器。

2.2 帶電考核前的預(yù)試驗項目及相關(guān)要求

為確保直流GIS 滿足試驗工裝要求，同時考核其絕緣性能，帶電考核前應(yīng)開展絕緣預(yù)試驗，絕緣預(yù)試驗絕緣水平參照表1 執(zhí)行。試驗項目除第1 節(jié)中提出的額定電壓下疊加雷電、操作沖擊試驗外，還需開展極性反轉(zhuǎn)帶局放測量試驗，考核直流GIS 絕緣能否承受極性反轉(zhuǎn)時的直流躍變電壓。另外參照GB/T 7674—2020《額定電壓72.5 kV 及以上氣體絕緣金屬封密開關(guān)設(shè)備》等標(biāo)準(zhǔn)要求，還應(yīng)開展外觀檢查、氣密性試驗和直流耐壓等常規(guī)出廠試驗。以±320 kV 直流GIS 為例，長期帶電考核預(yù)試驗主要試驗項目及相關(guān)要求見表2。

表2 ±320 kV 直流GIS 長期帶電考核預(yù)試驗項目及相關(guān)要求

2.3 長期帶電考核試驗項目

長期帶電考核重點應(yīng)考察設(shè)備在運行狀態(tài)下的各項性能，以及在正常運行狀態(tài)下突然遭受雷電沖擊、操作沖擊后的設(shè)備狀態(tài)。對于直流額定電流熱效應(yīng)等效試驗，由于無法提供4 000 A 直流負(fù)載，本文采用交流升流器施加4 000 A 交流電流持續(xù)24 h 等效模擬導(dǎo)體發(fā)熱狀況[11-14]。主要試驗項目及相關(guān)要求見表3。

表3 長期帶電考核試驗項目

2.4 帶電考核后的試驗項目

長期帶電考核結(jié)束后，為驗證設(shè)備絕緣未受到破壞，應(yīng)按照表1 中的絕緣水平，參照GB/T 7674—2020 開展常規(guī)絕緣試驗，具體試驗項目見表4。

表4 長期帶電考核后的試驗項目

3 疊加沖擊試驗的長期帶電考核試驗技術(shù)

對于疊加沖擊試驗而言，需將直流高壓發(fā)生器、沖擊電壓發(fā)生器和升流器等試驗設(shè)備連接在同一回路中開展試驗，直流高壓發(fā)生器無法耐受雷電、操作沖擊波，雷電沖擊發(fā)生器無法長時耐受高直流電壓，特別是在長期帶電考核及預(yù)試驗時，還需疊加電流，如不采取措施，試驗時會出現(xiàn)設(shè)備損壞的情況[15]。

3.1 疊加試驗的接線圖

為解決這一問題，研究了一種通過組合升流器、直流高壓發(fā)生器、沖擊電壓發(fā)生器、阻尼電阻和電容器的試驗接線。當(dāng)施加直流電壓時，通過串聯(lián)電容器隔離直流電壓，防止直流電壓損壞沖擊電壓發(fā)生器；當(dāng)進(jìn)行疊加沖擊試驗時，通過串聯(lián)的阻尼電阻和并聯(lián)的電容器防止雷電波或操作波入侵到直流高壓發(fā)生裝置中，避免裝置損壞，同時還可以滿足標(biāo)準(zhǔn)中雷電、操作沖擊波的參數(shù)要求。試驗接線原理如圖1 所示。

圖1 疊加試驗接線原理

其中，GT為沖擊發(fā)生器的點火球隙GAP。接線時，先將被試品通過出線套管與阻尼電阻Re和隔離電容器C0連接，再將阻尼電阻Re和直流高壓發(fā)生器連接、隔離電容器C0與沖擊電壓發(fā)生器連接。升流器套裝在形成環(huán)路的GIS 設(shè)備上單獨供電。

試驗回路現(xiàn)場布置如圖2 所示。

圖2 試驗回路現(xiàn)場設(shè)備布置

3.2 疊加試驗操作過程

由于升流器與殼體之間存在空間分布電容，在開展疊加沖擊實驗時，會對升流器產(chǎn)生暫態(tài)過電壓沖擊，升流器的一次絕緣水平較低，容易導(dǎo)致升流器發(fā)生線圈匝間擊穿故障；另外，疊加試驗主要是考核設(shè)備在運行溫度下的絕緣性能，因此在疊加雷電、操作沖擊試驗前，應(yīng)暫時將升流器停止工作并接地，疊加試驗完成后，再恢復(fù)工作狀態(tài)。

整個試驗過程為：首先，啟動直流高壓發(fā)生器，將設(shè)備電壓升至額定電壓；其次，通過升流器輸出4 000 A 額定電流（重載），完成直流電壓長期考核；最后，將升流器關(guān)閉并接地，開展運行電壓下的雷電、沖擊波疊加試驗，試驗完成后，解除升流器接地并恢復(fù)供電。

4 長期電壓考核試驗方法驗證

為驗證試驗方法的有效性以及是否具備工程實踐的基礎(chǔ)，先期按照該試驗方案對±200 kV 直流GIS 開展長期帶電考核試驗[16]。試驗絕緣水平見表5。

表5 ±200 kV 直流GIS 長期帶電考核試驗絕緣水平

先在試驗大廳內(nèi)開展絕緣預(yù)實驗，現(xiàn)場布置如圖3 所示。

圖3 絕緣預(yù)試驗現(xiàn)場布置

預(yù)試驗結(jié)束后，轉(zhuǎn)移到戶外場開展長期帶電考核，戶外場現(xiàn)場布置如圖4 所示。

圖4 戶外長期帶電考核現(xiàn)場布置

戶外長期帶電考核試驗結(jié)束后，將試品運回至試驗大廳開展長期帶電考核后的試驗，如圖5所示。

圖5 長期帶電考核后的絕緣試驗現(xiàn)場布置

被試±200 kV 直流GIS 順利通過長期帶電考核全部試驗，試驗過程中未出現(xiàn)試驗設(shè)備擊穿或被試品損壞的情況，驗證了本文所提試驗方案的有效性。后續(xù)可按照試驗方案開展±320 kV 直流GIS 長期帶電考核試驗。

5 結(jié)論

1）鑒于直流GIS 的結(jié)構(gòu)特點，需考核其在運行溫度下的絕緣強(qiáng)度，因此有必要開展長期帶電考核特殊試驗，驗證直流GIS 設(shè)備的可靠性。

2）在進(jìn)行疊加雷電沖擊、操作沖擊試驗時，應(yīng)在直流高壓發(fā)生器側(cè)串聯(lián)阻尼電阻，在沖擊電壓發(fā)生裝置側(cè)串聯(lián)電容器，避免試驗設(shè)備間損壞。

3）按照本文的長期帶電方案對±200 kV 直流GIS 開展了相應(yīng)帶電考核試驗，試驗效果良好。