劉平

（五凌電力有限公司黑麋峰抽水蓄能電廠 長沙市 410213）

根據(jù)黑麋峰抽水蓄能電站實(shí)際地理位置特點(diǎn)，超高壓500kVGIS分為地上、地下兩部分，采用500kV超高壓電纜連接成500kV配電裝置系統(tǒng)。根據(jù)國家規(guī)程規(guī)定，GIS及高壓電纜安裝完成后，都需要進(jìn)行交流耐壓交接試驗(yàn)，以檢查GIS與高壓電纜是否存在局部缺陷，是否能長期承受運(yùn)行及特殊情況下的過電壓。

黑麋峰電站GIS為國內(nèi)生產(chǎn)，高壓電纜為日本進(jìn)口。兩者的設(shè)計(jì)制造所依照的標(biāo)準(zhǔn)不一樣，耐受電壓的水平也不一樣。黑麋峰地下GIS因設(shè)備間狹小，無法布置高壓試驗(yàn)套管，也無法布置高壓耐壓試驗(yàn)設(shè)備，因此只能將地上GIS、地下GIS與高壓電纜連接起來后從地上GIS出線套管處加壓進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。

本研究成果就是針對(duì)這一難題，既考慮檢驗(yàn)設(shè)備安裝質(zhì)量的實(shí)際需要，兼顧盡量減少對(duì)設(shè)備的損害，又能滿足相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)備高壓耐壓的檢驗(yàn)要求，在充分研究了黑麋峰電站GIS與高壓電纜性能參數(shù)和提煉其他電站成功經(jīng)驗(yàn)后，提出GIS與高壓電纜整體串聯(lián)諧振交流耐壓的試驗(yàn)方案成果。該成果較好地解決了施工中遇到的工程難題，節(jié)省了試驗(yàn)費(fèi)用，也降低了工程造價(jià)。

1 概 述

1.1 黑麋峰工程概述

黑麋峰抽水蓄能電站安裝4臺(tái)立式單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，單機(jī)容量 （發(fā)電工況）300 MW，總裝機(jī)容量1200MW，以一回500kV電壓等級(jí)并入華中電網(wǎng)。投產(chǎn)后將擔(dān)負(fù)湖南及華中電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等任務(wù)。電站樞紐建筑物包括上庫、下庫、引水系統(tǒng)、廠房洞室群及500kV地面開關(guān)站與副廠房等。

黑麋峰電站500kVGIS由地下和地上兩部分組成，以兩回500kV交聯(lián)聚乙烯高壓電纜連接，所用500kV干式電纜終端為國內(nèi)首次使用。地上GIS以一回出線與出線平臺(tái)設(shè)備相連，預(yù)留一回出線。GIS設(shè)備包括管母線、斷路器、隔離刀閘、接地刀閘、快速接地刀閘、避雷器、電容式電壓互感器、出線SF6/空氣套管等。生產(chǎn)廠家為沈陽新東北電氣高壓開關(guān)有限公司，型號(hào)為ZF15－550，額定電壓550kV，額定電流4000A。高壓電纜由日本VⅠSCAS公司生產(chǎn)，型式為單相銅導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯擠包絕緣，銅導(dǎo)體截面積為800mm2，額定電壓500kV，額定電流875A，三相回路總損耗不超過80kW/km。

高壓電纜與地上、地下GIS連接終端處均因場地狹小，均不滿足高壓交流耐壓試驗(yàn)的安全距離要求，因此高壓電纜只能從地上GIS出線套管處加壓，地下GIS則只能通過高壓電纜加壓。為避免多次交流耐壓試驗(yàn)對(duì)設(shè)備造成損害，只有對(duì)GIS、高壓電纜同時(shí)耐壓。但二者各自的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)不一致，且高壓電纜為進(jìn)口產(chǎn)品，還必須考慮IEC標(biāo)準(zhǔn)。黑麋峰電廠籌建處在詳細(xì)研究比較各種規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)，參考國內(nèi)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，與行業(yè)內(nèi)專家、設(shè)備廠家技術(shù)人員研討后，提出了折衷的試驗(yàn)方案，能夠滿足考核產(chǎn)品和保證安全的目的。

1.2 交流耐壓基本方法

對(duì)GIS、發(fā)電機(jī)和變壓器、交聯(lián)電纜、高壓斷路器等電容量較大、試驗(yàn)電壓高的被試品進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，需要大容量的試驗(yàn)設(shè)備，可采用串聯(lián)諧振試驗(yàn)裝置，它能夠以較小的電源容量對(duì)較大電容和較高試驗(yàn)電壓的被試品進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，回路由被試品負(fù)載電容和與之串聯(lián)的電抗器和電源組成，如圖1所示。

圖1 串聯(lián)諧振回路原理接線

2 被試產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)參數(shù)

2.1 高壓電纜資料

制造廠家：日本VⅠSCAS；型式：單相銅導(dǎo)體交聯(lián)聚乙烯擠包絕緣電纜；銅導(dǎo)體截面積：800mm2；額定電壓：500 kV；額定電流：875A；三相回路總損耗：低于80kW/km；導(dǎo)體交流電阻：0.0228Ω/km；導(dǎo)體直流電阻：0.0221Ω/km。

2.2 GIS資料

制造廠家：沈陽新東北電氣高壓開關(guān)有限公司；型號(hào)：ZF15-550；額定電壓：550kV；額定電流：4000A。

3 聯(lián)合耐壓方案

3.1 U0值的確定

會(huì)上首先就U0值的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論。IEC62067與GB50150-2006中規(guī)定500kV系統(tǒng)U0為290kV，但行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（DLT5228-2005水力發(fā)電廠交流（110～500）kV電力電纜工程設(shè)計(jì)規(guī)范）中規(guī)定U0為運(yùn)行電壓300kV。各方一致認(rèn)為，較高的電壓更能發(fā)現(xiàn)缺陷，根據(jù)桐柏電站的經(jīng)驗(yàn)，取U0為300kV是設(shè)備能夠承受的，因此本試驗(yàn)也選擇U0值為300kV。

3.2 設(shè)備廠家的意見

湖南電力試驗(yàn)研究院編制的初步聯(lián)合耐壓方案為：對(duì)地上、地下GIS與高壓電纜同時(shí)按136kV/2min—272 kV/10min—408kV/min—510kV/min—349kV （1.1Um/程序進(jìn)行耐壓。專家建議，高壓電纜按IEC62067和GB50150-2006中規(guī)定的1.7U0/h耐壓能有效發(fā)現(xiàn)缺陷，24h1.1U的方式雖然也符合IEC62067和GB50150-2006的規(guī)定，但因試驗(yàn)電壓與運(yùn)行電壓相差無幾，實(shí)際上不一定能發(fā)現(xiàn)潛在的缺陷。GIS廠家因擔(dān)心GIS在高電壓下耐壓時(shí)間超過30min會(huì)導(dǎo)致盆式絕緣子絕緣激活，不同意GIS與高壓電纜共同耐壓510kV/h。對(duì)次，何永泉專家指出，根據(jù)桐柏電站的經(jīng)驗(yàn)，500kVGIS與高壓電纜共同耐壓1h是能夠通過的。但考慮到桐柏電站GIS為ABB進(jìn)口產(chǎn)品，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)較豐富。而黑麋峰安裝的GIS為新東北公司首次在蓄能電站中應(yīng)用的產(chǎn)品，缺乏實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，且在工廠試驗(yàn)中交流耐壓時(shí)間均未超過1min，因此可以對(duì)510kV/h的聯(lián)合耐壓等級(jí)、時(shí)間進(jìn)行討論修改。但對(duì)于專家組依據(jù)國內(nèi)成功經(jīng)驗(yàn)提出的500kV/h或是500kV/0.5h的方案，GIS廠家仍表示不能接受。

高壓電纜廠家最關(guān)注的問題是對(duì)聯(lián)合耐壓設(shè)備可能暴露的缺陷的責(zé)任劃分，因此反復(fù)提出要明確GIS與高壓電纜的分界，其建議的試驗(yàn)步驟如下：

（1）先單獨(dú)作地面GIS耐壓（按GIS廠家的程序作、136kV×2m、272kV×10m、408kV×1m、544kV×1m）。

（2）接上地面GIS和電纜、分開地下GIS和電纜的連接、對(duì)地上GIS與高壓電纜同時(shí)耐壓。（按GIS廠家的程序作、136kV×2m、272kV×10m、408kV×1m、544kV×1m）。

（3）最后連接上地下GIS、電纜及地面GIS作整體線路加壓（按折中方案加壓、136kV×2m、272kV×10m、408 kV×1m、510kV×1m、349kV×24hr）。

電纜廠家提出試驗(yàn)方案后，各方均認(rèn)為，整個(gè)試驗(yàn)過程地上GIS將重復(fù)耐壓3次，不符合DL/T555-2004Cl 8.2.1的規(guī)定?？赡軙?huì)對(duì)GIS造成損傷。方案第二步的最后階段耐壓為544kV/min，超過了IEC標(biāo)準(zhǔn)中500kV交聯(lián)聚乙烯電纜的現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)電壓值，有不妥之處。因此此方案不宜采用。對(duì)電纜廠家的要求，籌建處當(dāng)場向其保證，聯(lián)合耐壓時(shí)須由高壓電纜與GIS廠家代表同在現(xiàn)場見證，試驗(yàn)過程如出現(xiàn)異?；蛟O(shè)備缺陷，則按缺陷發(fā)生的物理位置進(jìn)行責(zé)任劃分。雙方廠家代表均表示認(rèn)可。

3.3 GIS、高壓電纜聯(lián)合耐壓試驗(yàn)方案的確定

聯(lián)合耐壓試驗(yàn)方案必須即達(dá)到有效考核被試品的目的，又滿足設(shè)備廠家出于己方利益提出的要求。專家組根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)指出，GIS設(shè)備一般不會(huì)存在絕緣缺陷，相比之下高壓電纜存在缺陷可能性更大，因此必須以電纜耐壓標(biāo)準(zhǔn)為依托，盡量使GIS耐壓符合電纜的耐壓方式。電纜與GIS共同耐壓時(shí)，據(jù)行業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)高壓電纜運(yùn)行中可能出現(xiàn)的過電壓的計(jì)算值為額定電壓的1.3～1.4倍，因此可選擇400kV/h的加壓方式。這樣即滿足并超過了規(guī)程規(guī)定的330kV/h的要求，也達(dá)到了電纜運(yùn)行中實(shí)際可能出現(xiàn)的過電壓，能夠發(fā)現(xiàn)可能影響安全運(yùn)行的缺陷。因規(guī)程規(guī)定GIS的耐壓等級(jí)為544kV/min，而高壓電纜按規(guī)程要求是不能照此方式耐壓的。為盡量有效的考核GIS，可在400kV/h之前進(jìn)行510kV/min的聯(lián)合耐壓。對(duì)于地上GIS，可以單獨(dú)進(jìn)行規(guī)程規(guī)定的544kV/min耐壓，這樣在整個(gè)試驗(yàn)過程中，只有地上GIS進(jìn)行了兩次耐壓，即能有效考核設(shè)備，又不會(huì)對(duì)GIS造成額外損傷。綜合考慮，確定如下折中聯(lián)合耐壓試驗(yàn)方案：

（1）地面GIS安裝完成后按DL/T555-2004的規(guī)定單獨(dú)進(jìn)行老練耐壓試驗(yàn)，方案為：136kV/2min—272kV/ 10min—408kV/min—544kV/min，分相耐壓。試驗(yàn)接線如圖2，圖3。

圖2 地面GIS交流耐壓試驗(yàn)接線圖

圖3 地面GIS老練及耐壓加壓時(shí)序圖

（2）高壓電纜與地上、地下GIS連接后整體耐壓，方案為：136kV/2min—272kV/10min—408kV/min—510 kV/min—400kV/h，分相耐壓。試驗(yàn)接線如圖4。

圖4 GIS與高壓電纜聯(lián)合交流耐壓試驗(yàn)接線圖

老練及耐壓加壓時(shí)序圖如圖5。

圖5 GIS與高壓電纜老練及耐壓加壓時(shí)序圖

4 試驗(yàn)設(shè)備初步選型計(jì)算

4.1 地面GIS耐壓試驗(yàn)設(shè)備選型

根據(jù)GIS廠家提供的參數(shù)，地面GIS單相母線長37 m，單位電容值為161.35pF/m，單個(gè)斷路器電容值為320 pF，單個(gè)隔離開關(guān)電容值為80pF，每相有2個(gè)斷路器和4個(gè)隔離開關(guān)，可算出地面GIS單相總電容為C＝161.35× 37＋320×2＋80×4＝7930pF。又因GIS廠家提出應(yīng)將諧振頻率控制在100Hz以下，則串聯(lián)電抗器電感值L應(yīng)滿足：

代入電容與電抗數(shù)值，可算出使用此電抗后的諧振頻率f0為：f0＝1/≈73Hz。根據(jù)電抗器電阻參數(shù)與GIS電阻參數(shù)估算高壓回路等效電阻R為6100Ω，進(jìn)而可知，試驗(yàn)回路的品質(zhì)因數(shù)為Qs=ω0.L/R≈44.5。最高試驗(yàn)電壓為544kV，所以激勵(lì)變壓器至少應(yīng)能輸出544kV/ 44.5=12.22kV電壓。湖南試研院所用電源變頻裝置輸出電壓范圍為（0～365）V，因此激勵(lì)變的變比應(yīng)至少不小于12.22/0.365=33.4。出于保留一定裕度與保證調(diào)壓靈敏性的考慮，最好選擇變比在40左右的變壓器。

地面GIS單相最大試驗(yàn)電流Im＝ω0.C.Um＝73×6.28×7.93× 10－9×544000≈1.97A。因諧振時(shí)電路不從外界吸收無功功率，所以試驗(yàn)回路最大功率為P＝U.Im＝12.22×1.97×1000＝23.876kW，選擇的激勵(lì)變壓器的容量必須在此之上。

現(xiàn)場能提供380V，300A的試驗(yàn)電源，能滿足試驗(yàn)的容量要求。

4.2 地面、地下GIS與高壓電纜整體耐壓試驗(yàn)設(shè)備選型

黑麋峰高壓電纜安裝后單根長度約為415m，單位電容量為0.15μF/km，則電纜的電容0.15×0.415＝0.06225 μF＝62250pF。地下GIS長28m，只有1個(gè)隔離開關(guān)，單相電容值計(jì)算為161.35×28＋80＝4660pF。因此GIS與高壓電纜總體電容值為62250＋7930＋4660＝74840pF。

要依照GIS廠家要求控制諧振頻率在100Hz以下，串聯(lián)電抗器電感值L應(yīng)滿足：

使用此電抗后的諧振頻率f0為：f0＝1/LC)≈55 Hz。根據(jù)設(shè)備參數(shù)可知試驗(yàn)回路等效電阻約為553Ω。因此品質(zhì)因數(shù)計(jì)算值為Qs=ω0.L/R≈70。

老練加壓程序中最高試驗(yàn)電壓為510kV，所以激勵(lì)變壓器應(yīng)能輸出510kV/70=7.28kV以上電壓。試驗(yàn)所用電源變頻裝置輸出電壓范圍為（0～365）V，因此激勵(lì)變的變比應(yīng)至少不小于7.28/0.365=20。為保留一定裕度與保證調(diào)壓靈敏性，選擇變比為25左右的變壓器最合適。

最大試驗(yàn)電流 Im＝ω0.C.Um＝55×6.28×74.84×10－9× 510000≈13.18A。諧振時(shí)電路不從外界吸收無功功率，所以試驗(yàn)回路最大功率為P＝U.Im＝7.28×13.18×1000＝95.95kW。激勵(lì)變壓器的容量必須大于此最大功率值。現(xiàn)場提供380V，300A的試驗(yàn)電源功率為380×300×10－3＝114kW，符合試驗(yàn)容量要求。

5 總 結(jié)

最終試驗(yàn)方案是本著對(duì)設(shè)備安全與質(zhì)量負(fù)責(zé)的態(tài)度，綜合考慮了業(yè)主與設(shè)備廠家的共同利益后研究出的。相信對(duì)以后其他工程的類似情況也具有指導(dǎo)作用。值得高度重視的是，高壓電纜終端在耐壓中是最易出現(xiàn)問題的，宜興蓄能電站的地面GIS、地下GIS、高壓電纜共同進(jìn)行500kV、30min的交流耐壓過程中就有兩個(gè)電纜頭因終端處電場分布不均被打爆。黑麋峰電站高壓電纜的環(huán)氧樹脂干式終端在國內(nèi)尚無運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此終端制作的質(zhì)量控制是重中之重的工作。

1 GB/311-83.高壓輸電設(shè)備的絕緣配合、高電壓試驗(yàn)技術(shù)[S].

2 GB50150-2006.電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].

3 GB/T16927.1-1997.高電壓試驗(yàn)技術(shù)第一部分：一般試驗(yàn)要求[S].

4 DL/T474.4－2006.現(xiàn)場絕緣試驗(yàn)實(shí)施導(dǎo)則[S].

5 DL/T555-2004.氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場耐壓及絕緣試驗(yàn)導(dǎo)則[S].

6 DLT5228-2005.水力發(fā)電廠交流110kV～500kV電力電纜工程設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

7 肖如泉,何金良.高電壓試驗(yàn)工程[M].北京：清華大學(xué)出版社,2001.