采用補償電抗器優(yōu)化的GIS工頻耐壓試驗系統(tǒng)

吳劍敏，吳曉春，魏立新，張志英

（1.上海電力公司超高壓輸變電公司，上海200063；2.思源電氣股份有限公司，上海201108）

GIS（SF6封閉組合電器的簡稱）可以把整個變壓器以外的一次設備，全部封閉在一個接地的金屬外殼內(nèi)，殼內(nèi)充以一定壓力的SF6氣體。由于SF6具有良好的絕緣性能，絕緣距離縮小，這樣既縮小了安裝的空間，又減少了環(huán)境對設備的影響，運行可靠且維護方便，特別適合城市內(nèi)以及地下110kV至500kV變電站的建設。同時，GIS交流耐壓試驗是檢驗GIS設備絕緣性能的重要試驗之一，它能夠直觀靈敏地反應設備在制造和安裝過程中可能遺留的絕緣缺陷[1]。

GIS現(xiàn)場局部放電試驗逐步作為一項現(xiàn)場交接試驗，也越來越受重視[2]，而目前國內(nèi)市場上沒有專門針對此項試驗的試驗設備，即使有用于GIS交流耐壓試驗的設備，也存在本身局部放電干擾信號過大或設備本身不適合GIS現(xiàn)場局部放電試驗。現(xiàn)場測量局部放電測試最主要的問題是現(xiàn)場空間耦合的局部放電干擾信號較大，傳統(tǒng)的試驗變壓器對電壓測量是采用測量繞組進行測量，存在著較大的誤差，特別是當負載為電容時，會存在容升現(xiàn)象[3]。

某地下500kV變電站即為采用全氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS），現(xiàn)場GIS設備安裝完畢后，必須按規(guī)定進行交流耐壓試驗，以檢查設備在制造和安裝過程中可能遺留的絕緣缺陷。對于大容量設備的交流試驗，如采用傳統(tǒng)試驗設備，因試品容量大，所需的試驗變壓器和調壓器非常笨重；傳統(tǒng)試驗設備自身的局放量比較大，會影響局放測試的精度；且試驗電源現(xiàn)場很難解決，導致現(xiàn)場試驗極不方便。因此，開發(fā)出一種小型化、自身局放小的GIS工頻耐壓裝置為現(xiàn)場提供試驗高壓源即成為一種需要。

1 設計要求與基本組成

1.1 系統(tǒng)設計要求與解決方法

為了滿足地下變電站500kVGIS交流耐壓現(xiàn)場試驗的要求，GIS工頻耐壓裝置的各部分組成在滿足性能的前提下，體積必須盡可能的小，且自身局放也不能影響到系統(tǒng)的局放量。因此本系統(tǒng)采用SF6絕緣和電抗器補償?shù)募夹g，將空間耦合的局部放電干擾信號屏蔽在測量系統(tǒng)之外，使得本系統(tǒng)的額定局放小于5 pC，同時本系統(tǒng)按照500kVGIS的現(xiàn)場交流耐壓試驗及局部放電試驗的要求設計。

1.2 系統(tǒng)的基本組成與工作原理

500kVGIS工頻耐壓系統(tǒng)基本組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構原理圖

GIS工頻耐壓及局放測試試驗系統(tǒng)控制臺的額定輸入380V工頻交流電，此交流電經(jīng)過調壓器變?yōu)?～380V/50 Hz電壓可調的電源送入濾波器濾波，經(jīng)濾波后電源被送入試驗變壓器的低壓側，同時在試驗變壓器低壓側并聯(lián)補償電抗器，以補償無功，降低對電網(wǎng)側的無功需求。控制臺經(jīng)過對采集到的數(shù)據(jù)進行處理后，發(fā)升壓指令對試驗變壓器升壓，試驗變壓器的電源電壓升高到最高600kV，滿足500kV電壓等級的試驗需求。

2 試驗系統(tǒng)分系統(tǒng)的優(yōu)化設計

2.1 高壓試驗變壓器

本系統(tǒng)采用的高壓試驗變壓器是單相SF6氣體絕緣試驗變壓器[4]，通過試驗變壓器低壓側與調壓器、濾波箱的連接，接收控制臺發(fā)來的升壓或者降壓信號進行升降壓，達到所需電壓的等級；同時通過采用SF6絕緣，將空間耦合的局部放電干擾信號屏蔽在測量系統(tǒng)之外，解決了現(xiàn)場測量干擾較大的問題。

高壓試驗變壓器（高壓的電壓互感器（TV））的參數(shù)：

低壓繞組額定電壓ULN為380V；低壓繞組額定電流ILN為265 A；高壓繞組額定電壓UHN為600kV；高壓繞組額定電流IHN為0.168 A；運行時間是從環(huán)境溫度開始，在允許負載范圍內(nèi)運行時間為10 min(318kV)+2 min(600kV)+10 min(349kV)+rest time 2h。

2.2 連接筒的設計

目前國內(nèi)的GIS廠家的接口均不同，而且國內(nèi)也沒有形成專門的標準，因此本系統(tǒng)與GIS試驗品的連接通過連接筒實現(xiàn)。

此連接筒的設計考慮了要滿足不同GIS制造廠家接口的對接問題，同時還滿足各種電壓等級和形式的GIS測試要求。

2.3 補償電抗器的設計

作為GIS工頻耐壓試驗系統(tǒng)的一個重要組成部分，需要設計其參數(shù)與系統(tǒng)其他部分相配套，因此，補償電抗器設計相關的參數(shù)可以參照高壓試驗變壓器的參數(shù)。

由于補償電抗器本身不能出現(xiàn)內(nèi)部放電現(xiàn)象，且為了減少對電源側無功的需求，可以將補償電抗器做成多抽頭的形式以盡量補償不同負載所需的無功。補償電抗器具體的參數(shù)要求有以下幾點。

（1）具有5個高壓接線端，且電抗器的抽頭形式如圖2所示；

圖2 電抗器抽頭示意圖

（2）工頻條件下使用；

（3）電抗器Q值為20；

（4）運行時間：額定電流運行5 min+2/3額定電流運行40 min；

（5）當環(huán)境溫度為40℃時，在“額定電流運行5 min+2/3額定電流運行40 min”溫升不超過80 K；

（6）使用環(huán)境溫度：最高氣溫+50℃，最低氣溫-45℃。

針對上述要求，設計時綜合考慮補償時對濾波器、調壓器等參數(shù)的影響，要求電抗器設計的Q值為QL，各抽頭處按照等容量計算，且電抗器補償全部無功(提供試驗變壓器低壓側全部無功電流)，可得電抗器電感量L0為：

式中：α為試驗變壓器的短路阻抗標幺值；K為試驗變壓器的高低壓變比；C為負載等效電容；f為試驗頻率。

完全補償時，負載Cx與補償電抗器電感量Lb之間的關系如圖3所示(不考慮電抗器損耗)。完全補償時，低壓所需電壓ul與負載Cx間的關系如圖4所示(不考慮電抗器損耗)。

圖3 負載與補償電抗器電感量的關系

圖4 低壓所需電壓與負載的關系

首先在設計時為滿足500kVGIS試驗所需的電感量，如使用一個抽頭進行補償，則經(jīng)過計算可得所需電感量為2.74mH，按照試驗變壓器的參數(shù)計算出在1000～1500pF范圍內(nèi)低壓側所需最大電壓為323V，考慮留有一定余量，故將此抽頭處額定電壓定為350V。各抽頭的補償電感量如表1所示。

表1 電抗器各抽頭的補償電感量

為了適應現(xiàn)場實驗的要求，必須對每個抽頭的負載范圍進行驗算，以及檢驗每個抽頭在超過設計負載范圍的情況，設計的補償電抗器可以根據(jù)負載的電容器范圍來選擇電抗器的抽頭。

比如當GIS等級為220kV時，最高試驗電壓為462kV，負載范圍為1500～2150pF時，選擇抽頭1進行補償；比如當GIS等級為500kV時，最高試驗電壓為600kV，負載范圍為800～1400pF時，選擇抽頭5進行補償。

經(jīng)驗算，各抽頭符合設計要求。使用補償電抗器是為了減少系統(tǒng)對電網(wǎng)側的無功需求，使用合適的補償電抗器，可以減少調壓器的容量需求和對電網(wǎng)側的無功需求。

當不使用補償電抗器時，調壓器的容量不能小于高壓TV(試驗變壓器)的容量。經(jīng)計算，本系統(tǒng)使用的調壓器容量為40kV·A，高壓TV(試驗變壓器)低壓側的容量為100kV·A，可知使用補償電抗器后，調壓器的容量明顯小于未使用補償電抗器的容量，大大優(yōu)化了系統(tǒng)。

3 試驗系統(tǒng)現(xiàn)場試驗

3.1 試驗依據(jù)

試驗時，按規(guī)定將被試品接入試驗回路，逐步升高電壓至標準規(guī)定的額定工頻耐受電壓值，保持1 min，然后迅速、均勻地降壓到0，在規(guī)定的時間內(nèi)，被試品絕緣未發(fā)生擊穿穿或表面閃絡，則認為通過了該項試驗。

3.2 試驗方案

系統(tǒng)的交流耐壓試驗要求按照JB/T9461—1999，試驗裝置空載升壓到660kV，耐壓時間1 min。具體實施為：在達到75%試驗電壓以后應該均勻升壓，升壓速率在2%～5%試驗電壓范圍內(nèi)，或在10～15s內(nèi)升至試驗電壓。

3.3 系統(tǒng)現(xiàn)場試驗結果

660kV交流耐壓1 min，通過。并對系統(tǒng)的局部放電在額定電壓下進行了實測，試驗結果為3.2 pC，滿足設計中≤5 pC要求。

3.4 252kV 5號變壓器進線GIS工頻耐壓試驗

3.4.1 試驗方案

某地下500kV全GIS變電站設備使用氣體絕緣金屬封閉開關，為國內(nèi)某GIS公司生產(chǎn)。本次試驗是對該組252kV 5號變壓器進線GIS設備現(xiàn)場安裝完畢后進行工頻耐壓試驗，實驗方案遵循“現(xiàn)場試驗電壓按出廠標準的80%進行交流耐壓試驗，最高試驗電壓為316kV，分別做A，B，C三相。每相升壓為146kV：時間5 min；252kV：時間3 min；316kV：時間1min”的要求按順序進行升壓。

3.4.2 試驗結果

具體實驗結果如表2所示。從表2數(shù)據(jù)可以看出，316kV時，試驗變壓器輸入電流為210 A左右，由于補償電抗器的作用，電源端的輸入電流僅需5 A左右，對試驗電源的容量要求很低。

此次試驗過程中的試品無擊穿放電現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，該系統(tǒng)已經(jīng)順利通過了此變電站252kV 5號變壓器進線GIS設備的工頻耐壓試驗，且運行工況良好。

表2 三相試驗記錄

4 結束語

本系統(tǒng)已經(jīng)順利通過某地下500kVGIS地下變電站252kV 5號變壓器進線GIS設備工頻耐壓試驗和局放試驗，得到了用戶的充分肯定；本測試系統(tǒng)與原有GIS耐壓設備相比，增加了局放的測試，并且采用了SF6絕緣和電抗器補償?shù)募夹g，在保證工頻耐壓試驗的同時還保證了系統(tǒng)局放的精度，同時還滿足了體積小、重量輕、布置和安裝簡單的要求，便于推廣。

[1] 賈良慶.淺談GIS設備的現(xiàn)場交流耐壓試驗[J].工程與建設，2008，22（5）：710-712.

[2] DL/T555—2004，氣體絕緣金屬封閉開關設備現(xiàn)場耐壓及絕緣試驗導則[S].

[3] 王建生，邱毓昌.氣體絕緣開關設備中局部放電的在線監(jiān)測技術[J].電工電能新技術，2000(4)：44-48.

[4] 葛景滂，邱昌容.局部放電測試[M].北京：機械工業(yè)出版社，1984.