基于220 kV GIS 間隔雙斷口母線隔離開關技術的試驗方法研究

程子豪， 吳丹， 曾凡興， 付磊， 楊洸， 孫銘

(湖北省電力勘測設計院有限公司， 湖北 武漢430040)

0 引言

變電站GIS 設備( 氣體絕緣金屬封閉開關設備和控制設備) 作為一種優秀的高壓設備已成為變電站建設的重要選擇。 GIS 設備具有占地空間小、 可靠性高等優勢[1-3], 但變電站建設前期工程中一般會預留遠期“備用” 間隔, 常規220 kV GIS設備備用間隔母線隔離開關僅有一個隔離斷口, 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 遠期改擴建時, 備用間隔的擴建安裝及交接耐壓試驗需要對原運行母線進行停電處理[4]。這既增加了電網運行風險, 又產生了停電損失。

隨著一種新型雙斷口母線隔離開關技術的出現, GIS 設備的這個缺點將得以彌補, 但目前國內還沒有該類型設備的針對性試驗方法。 本文在研究傳統試驗方法的基礎上, 提出一種針對雙斷口母線隔離開關設備的新型試驗方案。

1 雙斷口隔離開關的技術特點

雙斷口隔離開關的技術原理[5]是采用高可靠性單操作機構雙斷口聯動的隔離開關, 且兩個斷口中間帶輔助接地刀的形式。 雙斷口隔離開關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。 同時對內部操作機構、 殼體、 地刀等元件進行優化升級,使母線隔離開關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 雙斷口隔離開關接線如圖1 所示。

圖1 220 kV 雙斷口隔離開關接線示意圖

基于220 kV GIS 間隔的雙斷口隔離開關在備用出線或主變壓器間隔能發揮其最大優勢, 從原理上能滿足改擴建時雙母線不停電的要求, 彌補了常規母線隔離開關的短板。 為確保雙斷口設備兩組隔離開關的同步性及穩定性, 該產品采用對稱結構的傳動軸, 兩個斷口具備同開同閉的功能, 兩組母線隔離開關亦能被獨立控制[6]。 其內部結構詳圖如圖2 所示。

圖2 雙斷口隔離開關內部結構圖

經了解, 該類型設備國內已有廠家能夠生產,相關設備已于2018 年4 月取得全套型式試驗報告。

2 傳統耐壓試驗方案研究

組合電器設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行研究。

220 kV GIS 的耐壓試驗[8-9]是指采用變頻串聯諧振方法對相關設備進行加壓, 檢查220 kV GIS設備整體安裝后是否存在導致內部故障的隱患(包括運輸、 安裝、 儲存和調試中的損壞, 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。 國內變電站建設工程無論是新建還是擴建, GIS 設備整體耐壓試驗都是必要環節。

目前國內組合電器的傳統試驗方法[10-12]是基于單斷口隔離開關的GIS 設備進行的, 對于新型雙斷口設備還沒有針對性試驗方案及相關文獻。 本文嘗試先采用傳統試驗方式對新型雙斷口設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特別適用于備用間隔。 實際上該類型設備對于一次性建成的完整間隔也有意義, 尤其當已建設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出線套管, 常規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。 利用傳統試驗方案進行分析比較, 有如下兩種思路。

2.1 新增特殊試驗套管(方案一)

GIS 設備廠家通常會針對電纜出線間隔等配置相應的試驗套管。 對含雙斷口母線隔離開關的備用間隔, 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； 能從出線側對斷口1、 2 (如圖1 所示) 進行耐壓測試； 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。能從母線側對斷口3、 4 (如圖1 所示) 進行耐壓測試。

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已一次性上齊, 備用間隔其他設備如斷路器等空缺。 設備安裝完成后, 將備用間隔母線隔離開關處于分位, 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母線側( 斷口1、 2) 能否滿足要求。

階段二, 該備用間隔的遠期擴建工程中, 設備安裝完畢后, 將雙斷口母線隔離開關處于分位, 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, 檢驗母線隔離開關斷路器側( 斷口3、 4) 能否滿足要求。

2.3 兩種方案比較及目標分析

以上兩種方案均能實現雙斷口母線隔離開關的耐壓檢測。

方案一中的特殊試驗套管需廠家針對隔離開關接口進行定制。 此外, 當該新型設備在戶內站應用時, 受通用設計方案對站內配電裝置室長、 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]。 經調研, 目前國內還沒有成熟的相關產品, 短時間內方案一不具備可實施性。

方案二中備用間隔隔離開關不能在一期建設時完整地檢測其合格性, 存在質量隱患, 亦不滿足相關規程[9]中試驗判據的要求。 此外, 實際工程建設中, 擴建項目的建設時序一般跨度較大, 該方案檢測周期長, 前后檢測環境及狀態不同, 不利于雙斷口設備的評估分析。

通過以上比較分析, 傳統的雙斷口母線隔離開關設備試驗方案復雜、 可實施性低。 亟待開發一種簡單適用的試驗方案, 在變電站一期建設中, 能一次性對整個備用間隔雙斷口母線隔離開關進行耐壓試驗, 確保設備安全合格。

3 新型耐壓試驗方法

經調研, 國內220 kV 及以上規模的變電站的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的兩個斷口能同分同合, 且兩條母線上的隔離開關機構互為獨立控制。

一期工程中已建成的兩條母線為試驗的關鍵點, 可作為試驗電壓的載體對備用間隔母線隔離開關進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1 回出線及1 回主變壓器進線間隔, 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《 國家電網有限公司十八項電網重大反事故措施(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10 min →Um( 252 kV ) 持 續3 min→Uf( 現場交流耐 壓 值, 460 kV ) 持續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) 根據雙斷口隔離開關的同開同合性, 閉合DDS2 側(斷口2、 4) 隔離開關, 中間地刀不接地。 此時DDS2 與Ⅱ母形成通路。

2) 打開DDS1 側(斷口1、 3) 隔離開關, 中間地刀接地。

3) 在已建1 號出線間隔內, 閉合Ⅱ母母線隔離開關, 將Ⅰ母母線隔離開關處于分位, 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, 將Ⅱ母線隔離開關處于分位, 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 進行耐壓試驗。

5) DDS1 隔離開關試驗完畢。

6) 同理, 對調DDS1 與DDS2 的斷口開閉狀態, 重復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備。 此外, 在條件允許的情況下, 可以同時開啟兩套加壓設備, 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, 在母線隔離開關中間地刀接地的情況下, 一次性對兩個斷口進行耐壓試驗, 縮短試驗時間。

上述雙母線同時帶試驗電壓的方案, 可近似等效遠景擴建時母線帶運行電壓、 出線側施加試驗電壓的場景。 該方案從側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, 驗證了雙斷口設備在遠期改擴建時具備母線不停電的功能, 達到預期目標。

4 結語

雙斷口母線隔離開關技術在220 kV 組合電器中具備較強的現實意義及應用前景, 而隨著其入選2020 年國家電網有限公司推廣類應用目錄, 該項技術將得以快速普及, 隨之而來的施工及試驗難題將逐漸突顯出來。 本文在分析傳統試驗方法的基礎上, 提出了一種新型試驗方案, 在變電站一期建設時能完整地對備用間隔雙斷口母線隔離開關四個斷口進行耐壓試驗, 該方案簡單實用, 具備較強的通用性及可操作性。