500 kV 交流場斷路器串聯諧振耐壓試驗電路模型的建立及應用

韋清化，張新波，袁瑞敏

（南方電網超高壓輸電公司電力科研院，廣東 廣州 510663）

0 引 言

直流輸電工程的特點是電壓高、容量大，如雙回±500 kV 溪洛渡工程的容量最高可達6 400 MW，其帶來的大量電能需要多個500 kV 變電站進行消納。換流站容量越大，需要的濾波及無功補償裝置就越多，這需要較多的交流場來輔助完成工作[1-7]。

換流站的穩定運行關系整個電力系統的安全穩定，而換流站交流場設備的安全穩定是整個直流工程安全穩定的前提。因此，交流場設備投入運行前需確保無缺陷，這對交流場設備的交接試驗提出了更高的要求[8-12]。

為了更靈敏地查出交流設備某些局部絕緣缺陷，考驗被試品絕緣承受過電壓的能力，對其進行交流耐壓試驗是最為有效的辦法。通過觀察交流耐壓試驗中電壓、波形以及頻率在被試品絕緣內的分布，將所測數據與實際運行情況相比，能有效發現絕緣缺陷[13-15]。

以某換流站交流場設備的交流耐壓試驗為例，結合交流場接線、斷路器及其斷口、電流互感器和支柱絕緣子等設備的實際情況，提出試驗中頻率、品質因數以及電暈的控制方法。

1 諧振系數在交流耐壓計算中的使用

在工程應用中發生諧振時，可忽略電抗器電阻的影響，不論是串聯諧振還是并聯諧振，都將出現感抗等于容抗的現象，即

式中：ω為諧振時所加電壓的角頻率；L為諧振時的電感量，H；C為諧振時的電容量，F。

工頻諧振耐壓時，不論是串聯諧振還是并聯諧振，在工程應用中都可以忽略電抗器電阻的影響。諧振系數K的計算公式為

實際工程應用中，為便于計算，將諧振時的電容量換算為C'，單位為nF。取f=50 Hz，則諧振系數K50≈10 132。在2 組不同的頻率下發生諧振，其諧振系數可通過50 Hz 下的諧振系數進行折算，即

頻率為f時的諧振系數為

2 交流串聯諧振耐壓試驗設計

在大型500 kV 交流場進行串聯諧振耐壓試驗時，試驗人員可以根據試品前后對比估算出對地電容的大小，如果變大則減小試驗頻率，如果變小則增大試驗頻率。在串聯諧振交流耐壓試驗中使用到的設備見表1，接線如圖1 所示。

表1 串聯諧振交流耐壓試驗設備參數

圖1 串聯諧振耐壓試驗接線

在交流耐壓試驗電壓大于500 kV 時，必須采用3節串聯才能提供足夠的電壓來保證試驗的順利進行。當耐壓試驗電壓小于375 kV 時，可采用2 節串聯或2 節并聯再外加1 節串聯，可以達到調節試驗諧振頻率的作用。在某換流站的現場試驗中，500 kV 交流場全場耐壓試驗采用第1 種連接方式，500 kV 斷路器斷口耐壓試驗采用第2 種連接方式。

3 全場耐壓試驗

某站內交流場的接線方式為3/2 接線，共有11串，每串有3 組斷路器和3 組電流互感器，具體如圖2 所示。

圖2 交流場設備布置圖

由于架空線路已連接至交流場，交流場主設備的耐受電壓高達592 kV，即便解開架空線與交流場的連接部位，也無法提供足夠的安全距離。在進行交流場設備耐壓試驗時，需要合上線路地刀，將耐壓設備分別放在#1M 母線和#2M 母線。為了降低試驗容量和減少試驗接線，可采用單相母線加壓。在#1M母線側開展耐壓試驗時，采用3 串、4 串、4 串依次加壓進行。

盡管在實際中每相設備對地的電容量會有所不同，但其差別對試驗計算的影響可以忽略，選擇電路模型時可以將每相設備對地的電容量視為相等。設每相母線對地的等效電容為Cx，每相斷路器、電流互感器、支柱絕緣子及部分跳線對地的等效電容為Cy。考慮到試驗總電容量包含了1 nF 的分壓電容Cz，則3 串和4 串同時加壓試驗的等效電路原理如圖3 所示。其中，B 為勵磁變壓器，L1、L2、L3為串諧電抗器。

圖3 串聯諧振耐壓試驗的等效電路原理

在3 串同時加壓時，試驗頻率為77 Hz；在4 串同時帶電時，試驗頻率為71 Hz。現場試驗的串諧電抗器總電感量L1=450 H，當試驗頻率f2=77 Hz 時，試驗總電容量C1≈9.5 nF；當試驗頻率f3=71 Hz 時，試驗總電容量C2≈11.2 nF。由圖3 可得

計算得出Cx=3.4 nF，Cy=1.7 nF。

4 等效電容的計算在斷路器斷口耐壓試驗中的應用

500 kV 斷路器采用雙斷口開斷電壓，每個斷口并聯一個2 nF 的均壓電容。在對斷路器斷口進行耐壓試驗的同時，也對均壓電容進行極間耐壓試驗。因為均壓電容在耐壓試驗時一定要用工頻（45 ～65 Hz），所以在斷口耐壓試驗時要使用工頻電壓。

如果采用普通的工頻調感裝置進行耐壓試驗。由于調感電抗器容量小，試驗要分多次進行，工作量較大、效率低。通過斷路器和刀閘的倒閘操作可以將交流場斷路器斷口分成若干等份，加壓線直接接在母線上，并且剛好可以滿足工頻耐壓的條件，這樣就不必在試驗過程中移動串諧裝置，可以減少現場試驗的工作量。

斷路器斷口的耐受電壓為325 kV，采用3 節串聯（電感量為450 H）、2 節串聯（電感量為300 H）或2 并1 串（電感量為225 H）均可滿足要求。由于試驗頻率在類工頻45 ～65 Hz 之間，經過計算得出試驗回路的總電容量范圍分別為13.3 ～27.8 nF、20.0 ～41.7 nF 或26.6 ～55.6 nF。由此可見，試品電容在13.3 ～55.6 nF 時就可以使用現場的變頻串聯諧振裝置進行工頻耐壓試驗。

以某換流站的現場試驗為例，將6 條母線（#1M和#2M 母線各3 條相線）全部帶電，并使其中一串的刀閘與斷路器全部處于合閘狀態，保持#1M 和#2M 母線相連。在一串中的某一組斷路器斷口耐壓試驗時，僅有被試的3 臺斷路器被斷開，中間采用人工掛地線的方式接地，其余的斷路器和刀閘仍處于合閘狀態。除了和母線相連的2 串設備，其余9 串設備均與母線斷開。斷口耐壓試驗接線如圖4 所示。

圖4 斷口耐壓試驗接線

該操作模式可以將整個交流場斷路器分成33 等份，通過倒閘操作和人工掛地線從2 側母線加壓，分33 次完成全場斷路器斷口耐壓試驗。

以單相單條母線對地電容量和單串單相斷路器、電流互感器、支柱絕緣子及相關跳線對地等效電容量的計算結果為基礎，計算得到6 條母線對地的等效電容量Cm=20.4 nF。2 串接入母線的設備中共有6 臺單相設備，且被試斷路器的一個斷口電容約為100 pF，支柱電容約為200 pF，等效電容量Cn=10.2 nF，被試單組斷路器的6 個均壓電容量Ck=12 nF。

考慮分壓器的分壓電容Cz為1 nF，試驗等效電路原理如圖5 所示。

圖5 斷口耐壓試驗等效電路

經過計算，試驗回路總電容量C為43.6 nF。如果少接入2 條母線，則試驗回路總容量為36.8 nF，可以滿足工頻耐壓試驗要求。

為減少2 條母線的接入，現場將交流場11 串設備靠#1M 母線側母線刀閘用銅線進行短接，每一串用一段銅線，在操作母線刀閘時約定全部只操作A相，正好實現用一相母線代替三相母線。此時電抗器的連接方式為2 串，總電感量為300 H，可計算出試驗頻率為47.9 Hz。

在實施斷路器斷口耐壓試驗時，試驗頻率為46.2 Hz，與計算頻率幾乎一致。由此可知，根據斷路器一次對地耐壓試驗總結出的等效電容模型在斷口耐壓試驗中得到了成功應用，同時也驗證了該數據模型實際應用的可行性。

5 結 論

通過對換流站交流場斷路器耐壓試驗的計算分析、操作實施，引入諧振系數可以快速準確地計算出串并聯諧振交流耐壓中的試驗頻率、需要補償的電感量以及試品電容量。對于實施大型換流站交流場斷路器一次對地耐壓試驗，提出了通過母線帶多串設備同時加壓的方法并成功付諸實施，極大地減少了試驗工作量。通過建立試驗的電路模型，計算出單相單條母線對地等效電容值、單串單相設備對地等效電容值，并將模型和計算結果成功應用到斷路器斷口交流耐壓試驗，成功驗證了基于交流場斷路器一次對地耐壓試驗提出的試驗電路模型和計算結果的正確性。