長距離GIL現場耐壓試驗研究

洪巧章，彭 飛，許立波

(南方電網能源發展研究院有限責任公司，廣東 廣州 510530)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated metal enclosed transmission line，GIL)具有傳輸容量大、運行損耗低、環境影響小、結構緊湊等優點[1]，在高電壓、大電流的輸送要求下，GIL技術具有架空導線與地下電纜所不可媲美的優勢。隨著城市規模的日益擴大、用電需求的不斷增長以及用地緊張等因素，GIL技術已經成為未來輸電線路發展的必然趨勢之一[2]。

GIL安裝完成后，需通過現場耐壓試驗后，方可帶電運行。根據國際大電網會議(CIGRE)和國家電網公司多年運行經驗的統計，沒有進行過現場耐壓試驗的GIL設備發生事故的概率非常高，經過現場耐壓試驗的GIL設備發生事故的概率相對較低。為盡早發現缺陷，及時處理和避免投運后發生事故，GIL現場安裝完成后進行現場耐壓是非常必要的。

因此，本文針對長距離GIL線路的現場耐壓試驗需求，提出了具有經濟可行的耐壓試驗方案，為GIL輸電技術的大規模應用提供理論支持。

1 GIL交流耐壓試驗

1.1 GIL絕緣缺陷分析

GIL線路發生絕緣故障的原因通常是由多方面因素引起的，由于施工現場環境復雜，運輸和組裝過程難免會對GIL造成一些微小的損害。常見的GIL絕緣缺陷類型有：金屬微粒、毛刺、導體接觸不良、支撐絕緣子缺陷、支撐絕緣子與電極接觸面缺陷等，如圖1所示。根據運行經驗可得各種缺陷統計情況如圖2所示。

圖1 GIL常見絕緣缺陷類型

圖2 GIL各種缺陷統計情況

1.2 GIL耐壓試驗要求

為檢測安裝現場GIL的絕緣性能以及運輸、組裝過程是否對GIL造成絕緣損害，需進行回路耐壓試驗，由于GIL工程有其固有特征，因此現場耐壓試驗需要根據相關標準確定。

本文根據國標GB/T 22383—2017《額定電壓72.5 kV及以上剛性氣體絕緣輸電線路》[3]和DL/T 304—2011《氣體絕緣金屬封閉輸電線路現場交接試驗導則》[4]，并結合以往GIL現場交流耐壓試驗案例，研究確定GIL交流耐壓試驗程序。

1.3 GIL耐壓試驗參數

1.3.1 試驗頻率

理論上交流耐壓試驗的試驗頻率取工頻，最符合實際運行情況，最為合理。但由于試驗設備的限制，嚴格的工頻頻率在現場難以實現。為解決這一問題，經過大量研究試驗，發現在較寬頻率范圍內，絕緣介質的電壓分布基本相同，與存在絕緣缺陷的GIL的擊穿電壓相比，無明顯的差別。

這個發現表明，在進行交流耐壓試驗時試驗頻可以在較寬的頻率范圍內進行選擇。但當試驗頻率超過300 Hz時，會出現被試介質的極化發熱問題，因此試驗頻率上限不得超過300 Hz。根據DL/T 304—2011《氣體絕緣金屬封閉輸電線路現場交接試驗導則》規定，GIL的耐壓試驗頻率應在30 Hz到300 Hz之間。

1.3.2 試驗電壓

交流耐壓試驗電壓的選取屬于絕緣配合范疇，試驗電壓通過模仿GIL運行條件下內外絕緣承受的工作電壓、內部過電壓和雷電過電壓達到試驗目的。試驗電壓選取的過高，會導致試驗設備造價的顯著增加；試驗電壓選取的過低，則可能達不到試驗要求。因此，試驗電壓的選取至關重要，同時在交流耐壓試驗時，試驗電壓的大小和耐受時間的選取具有相關性。

1.3.3 耐壓時間

耐壓試驗的基本思路是通過提高試驗電壓的幅值，從而達到縮短試驗時間的目的。當試驗電壓的幅值確定后，施加的時間就成為衡量設備絕緣水平的直接指標。經過研究人員的多年探索，IEC于20世紀80年代末提出了GIL交流試驗的國際標準。參考該標準規程，GIL絕緣故障的主要原因是導體表面金屬毛刺放電和絕緣子沿面放電導致的電擊穿，一般不發生熱擊穿現象，故加壓時間為1 min。

1.4 GIL耐壓試驗方法

變頻諧振耐壓試驗方法具有設備質量輕、供電容量需求小、符合現場絕緣試驗要求等優點，是目前高壓及超高壓GIL耐壓試驗的首選方法。

1.4.1 變頻串聯諧振原理

變頻串聯諧振耐壓試驗方法的基本原理是將電抗器和被試GIL組成串聯諧振回路，通過調節電源頻率使回路達到諧振狀態，從而使被試GIL達到耐壓值，此時電源只需提供系統消耗的有功功率。

如圖3所示，在正弦電壓U作用下，回路阻抗如式(1)所示。

圖3 串聯諧振原理圖

式中：R為串聯諧振回路的等值電阻；L為串聯電抗；C為等值電容(包括電容分壓器的電容和試品電容)。調節電源頻率使XL-XC= 0時，回路阻抗Z-R達到諧振狀態，此時被試GIL兩端的電壓值為電源電壓的Q倍。諧振頻率f0和電路品質因數Q的表達式如式(2)和(3)所示。

1.4.2 變頻串聯諧振裝置

變頻串聯諧振試驗裝置是由變頻電源、勵磁變壓器、電抗器和電容分壓器組成。被試GIL與電抗器構成串聯回路，分壓器并聯在被試GIL上，用于測量被試GIL上的諧振電壓，并作為過壓保護信號，變頻電源輸出電壓經激勵變壓器耦合給串聯諧振回路，提供串聯諧振的激勵功率。串聯諧振耐壓試驗設備如圖4所示。

圖4 串聯諧振耐壓試驗設備布置

2 長距離GIL絕緣試驗

2.1 單相550 kVGIL整段加壓

本文以規劃中的武漢市GIL工程為例，對長距離交流GIL耐壓試驗方案進行研究。該工程為550 kV雙回線路，GIL的電容參數為54.2 pF/m，長度為6.4 km，為國內最長的GIL工程。采用單相整段加壓方式和單相分段加壓方式分別進行耐壓試驗。單相整段加壓方式如圖5所示，雙回GIL共計需要進行6次耐壓試驗。單次試驗中，經核算單相GIL的電容量在0.346 88 μF左右，試驗時電容量按0.35 μF進行計算，分壓電容器取1 000 pF。

圖5 單相整段加壓方式

根據試驗頻率30 Hz以上的要求，計算可得串聯電抗器等效電感的最大要求為80 H。

在40 Hz試驗條件下，計算可得回路電流為52.08 A，考慮一定的裕度，要求串聯電抗器的允許通過電流不小于60 A，耐壓水平不低于651 kV(取592 kV試驗電壓值的1.1倍)。根據回路有功損耗計算變頻電源選型范圍。經計算回路無功功率QL為30.83 MVA，由于串聯諧振回路的品質因數Q一般大于80，所以試驗回路的有功損耗PLloss為385.4 kW，因此要求變頻電源的輸出功率大于400 kW，勵磁變壓器容量大于400 kVA。相關計算表達式如式(5)和式(6)。

2.2 單相550 kV GIL分段加壓

單相分段加壓方式如圖6所示，GIL的兩個分段相互獨立，分段進行加壓。耐壓試驗按相分段進行，因此雙回GIL共需進行12次耐壓試驗。單次試驗中，經核算單相每分段GIL的電容量在0.173 44 μF左右，試驗時電容量按0.175 μF進行計算，分壓電容器取1 000 pF。

圖6 單相分段加壓方式

根據頻率30 Hz以上的要求，計算可得串聯電抗器等效電感的最大要求為160 H。

在40 Hz試驗條件下，計算可得回路電流為26.04 A，考慮一定的裕度，要求串聯電抗器的允許通過電流不小于30 A，耐壓水平不低于651 kV(取592 kV試驗電壓值的1.1倍)。根據回路有功損耗計算變頻電源選型范圍。經計算回路無功功率QL為15.41 MVA，由于串聯諧振回路的品質因數Q一般大于80，所以試驗回路的有功損耗PLloss為193 kW，因此要求變頻電源的輸出功率大于200 kW，勵磁變壓器容量大于200 kVA。

對上述計算結果進行分析可知，單相整段加壓方式的試驗次數較少，但對變頻電源輸出功率的要求較高；單相分段加壓方式對變頻電源輸出功率的要求較小，但試驗次數明顯增加。

2.3 方案設備選型

可選取的耐壓試驗設備型號和技術參數如表1所示。

表1 試驗設備

對于不同長度的GIL分別給出不同的試驗建議方案，不同長度GIL耐壓試驗方案如表2所示。對于長度超過10 km的GIL，由于所需變壓器容量較大，建議采用分段加壓方式進行耐壓試驗。

表2 不同長度GIL耐壓試驗方案

2.4 試驗現場設備布置

以試驗單位現場試驗經驗，在良好的均壓條件和氣象條件下，可按200 kV/m進行絕緣距離控制，因此592 kV耐壓絕緣間距可選為3 m，考慮一定裕度，建議保持4 m以上距離。

以2.1節中6.4 km GIL工程的現場試驗為例，整段加壓試驗方案和分段加壓試驗方案的設備占地情況為：整段試驗時試驗設備占地范圍為11 m×2.5 m，分段試驗時試驗設備占地范圍為9 m×2.5 m。考慮4 m的絕緣距離后，整段試驗時試驗設備占地范圍為19 m×10.5 m，分段試驗時試驗設備占地范圍為17 m×10.5 m。GIL終端場中預留了10 m×20 m的試驗場地，并且試驗場地周圍也預留了一定空間，試驗場地可以滿足耐壓試驗需求。

類似的，對于表2中其他長度的GIL現場試驗，場地尺寸如表3所示。

表3 不同長度GIL試驗場地尺寸

以表3中18 km長的GIL耐壓試驗為例，試驗方案按3段分段加壓方式，場地尺寸與設備布置方式有關，有29.45 m×10.5 m和18.5 m×12.7 m兩種形式，如圖7所示。

圖7 試驗設備布置

3 結論

本文基于對GIL典型結構和絕緣特性的分析，針對長距離GIL線路，提出單相整段加壓方式和單相分段加壓方式兩種耐壓試驗方案，為GIL輸電技術的大規模應用提供理論支持。主要結論如下：

1)變頻諧振耐壓試驗方法由于具有設備質量輕、供電容量需求小、符合現場絕緣試驗要求等優點，已普遍應用于GIL的出廠試驗及現場驗收試驗，是目前高壓及超高壓GIL耐壓試驗的首選方法。

2)對于短距離GIL建議采用整段加壓方式進行耐壓試驗，對于長度超過10 km的GIL建議采用分段加壓方式進行耐壓試驗。