馬云龍 郝金鵬 李秀廣 劉世濤 郭 飛

（國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川 750002）

GIS同頻同相交流耐壓技術(shù)的研究與應(yīng)用

馬云龍 郝金鵬 李秀廣 劉世濤 郭 飛

（國網(wǎng)寧夏電力公司電力科學(xué)研究院，銀川 750002）

針對氣體絕緣金屬封閉開關(guān)（Gas Insulated Switchgear，簡稱GIS）變電站在母線不停電條件下，無法進(jìn)行交流耐壓的實(shí)際問題，探索應(yīng)用基于同頻同相交流耐壓技術(shù)在GIS設(shè)備上進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)的新方法。在原有試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上，分析3/2接線方式下試驗(yàn)方法，對后續(xù)試驗(yàn)提供了借鑒作用。

氣體絕緣封閉開關(guān)；同頻同相；交流耐壓

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）由于其占地面積小，集成度高，安全性強(qiáng)，可靠性較高，維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)，在用地愈發(fā)緊張的現(xiàn)代電網(wǎng)中得到大量應(yīng)用［1-2］。對于擴(kuò)建的高電壓等級GIS設(shè)備，在投運(yùn)前必須進(jìn)行現(xiàn)場絕緣交流耐壓試驗(yàn)來驗(yàn)證設(shè)備是否具備投運(yùn)條件［3］；早期投運(yùn)的GIS設(shè)備隨著使用年限的增長，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在投運(yùn)5至10年時(shí)，因?yàn)椴考匣蚱渌蛴休^高幾率造成 GIS故障［4］，為保證其絕緣性能，經(jīng)解體檢修，投運(yùn)前必須通過現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)。根據(jù)GIS現(xiàn)場試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定［5-6］，在進(jìn)行現(xiàn)場交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，考慮被試間隔進(jìn)行耐壓時(shí)可能出現(xiàn)的擊穿對原有設(shè)備造成危害，必須采取原有相鄰間隔斷電并進(jìn)行接地。但隨著電網(wǎng)供電可靠性要求的不斷提高，停電將造成極大的政治、經(jīng)濟(jì)損失，這就需要采用一種無需GIS母線全停的試驗(yàn)技術(shù)——GIS同頻同相交流耐壓技術(shù)就是在這種試驗(yàn)條件應(yīng)運(yùn)而生。

GIS同頻同相交流耐壓技術(shù)是由國網(wǎng)重慶電力科學(xué)研究院于2012年提出并成功研制出試驗(yàn)設(shè)備，至 2015年底已在重慶、廣東等地得到大量實(shí)際應(yīng)用，其中2015年5月，在寧夏凱歌330kV變電站110kV GIS擴(kuò)建工程中首次在全站不停電情況下進(jìn)行了耐壓試驗(yàn)，取得了較好成效。

現(xiàn)有《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備同頻同相交流耐壓試驗(yàn)導(dǎo)則》（下文簡稱《導(dǎo)則》）中對 252kV及以下GIS設(shè)備不停電條件下的試驗(yàn)方法做出了規(guī)范。本文結(jié)合《導(dǎo)則》中提出的試驗(yàn)方法，分析GIS同頻同相耐壓技術(shù)在 3/2接線方式下的試驗(yàn)方法，對將來進(jìn)行的試驗(yàn)提供參考作用。

1 同頻同相交流耐壓試驗(yàn)技術(shù)簡介

1.1 隔離開關(guān)斷口處電壓分析

現(xiàn)場不停電條件下，進(jìn)行GIS設(shè)備的交流耐壓時(shí)，被試間隔與母線相連的隔離開關(guān)端口兩側(cè)的電壓在不考慮擊穿的情況下，此時(shí)假設(shè)試驗(yàn)電壓角頻率為ω1、初始相位φ1，母線電壓的角頻率為ω2、初始相位φ2，幅值分別為U1和U2，則斷口電壓差為

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)程的要求，當(dāng)采取100%出廠試驗(yàn)電壓進(jìn)行耐壓時(shí)，最大電壓差為 U1與 U2之和，以363kV電壓等級的GIS為例，其峰值電壓差最大可達(dá) 1018kV，如圖 1（a）中所示，該條件下對于隔離開關(guān)斷口處絕緣是一個(gè)極大的考驗(yàn)；若此時(shí)進(jìn)入同頻同相狀態(tài)，即ω1=ω2，初始相位相同φ1=φ2，此時(shí)壓差最大值為U1與U2之差，如圖1（b）所示，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)隔離開關(guān)斷口處壓差有很大改善。

圖1 斷口電壓波形

文獻(xiàn)［7］針對121kV GIS設(shè)備不停電耐壓試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)隔離開關(guān)擊穿情況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)合多種GIS設(shè)備參數(shù)時(shí)的仿真結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)擊穿后都會出現(xiàn)ns級的快速暫態(tài)過電壓（VFTO）在GIS母線以行波的形式傳播，而VFTO對GIS設(shè)備主回路的安全運(yùn)行帶來極大風(fēng)險(xiǎn)，尤其是VFTO的電壓過沖可達(dá)到額定運(yùn)行電壓的數(shù)倍，對GIS設(shè)備絕緣帶來極大沖擊，造成設(shè)備損壞［8］。由上述分析可以發(fā)現(xiàn)，GIS進(jìn)行現(xiàn)場不停電交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，采用同頻同相技術(shù)很有必要。

1.2 GIS同頻同相交流耐壓試驗(yàn)原理

GIS同頻同相交流耐壓技術(shù)將鎖相環(huán)技術(shù)與目前大量應(yīng)用的串聯(lián)諧振技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來，通過采集臨近母線電壓互感器上的電壓信號作為參考信號，經(jīng)過阻抗匹配、濾波、信號放大后，對比實(shí)際輸出的電壓信號的相位差，改變變頻電源輸出電壓的頻率與相位角，從而實(shí)現(xiàn)輸出電壓與參考電壓之間的同頻同相鎖定狀態(tài)。典型鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)［9］如圖 2所示，由鑒相器、環(huán)路濾波器、壓控振蕩器組成一個(gè)反饋回路，目前同頻同相狀態(tài)下可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)電壓與運(yùn)行電壓相位差在1°以內(nèi)。

圖2 鎖相環(huán)基本結(jié)構(gòu)

同頻同相輸出試驗(yàn)電壓采用調(diào)感式串聯(lián)諧振耐壓試驗(yàn)裝置，同頻同相電源給出電源電壓 U，通過調(diào)節(jié)電抗器的電感量［10］，實(shí)現(xiàn)串聯(lián)諧振，因此，可匹配多種電壓等級、不同容量的GIS設(shè)備。同時(shí)可將試驗(yàn)設(shè)備集成，避免因試驗(yàn)場地限制造成的影響，其原理如圖3所示。

圖3 同頻同相交流耐壓試驗(yàn)設(shè)備原理框圖

調(diào)節(jié)電抗器電感量L，使得圖 3中分壓器電容Cx′ 與被試GIS的等值電容C之和Cx與L相等時(shí)，如下

式中，R為試驗(yàn)回路中等值電阻；Q為品質(zhì)因數(shù)，一般在50以上；ω為電壓角速度，調(diào)感式串聯(lián)諧振中頻率近似為 50Hz，即ω =100π。此時(shí)，電抗器上的壓降與電容上的壓降在數(shù)值上相等，此時(shí)被試GIS上的電壓為

此時(shí)可以實(shí)現(xiàn)用較小的試驗(yàn)電壓 U得到被試GIS設(shè)備上高電壓等級的UCx。

2 同頻同相耐壓試驗(yàn)方法

2.1 單母線、雙母線同頻同相試驗(yàn)方法

當(dāng)GIS采用單母線、雙母線接線方式時(shí)，可參照《導(dǎo)則》中使用的試驗(yàn)方法進(jìn)行。圖4為單母線試驗(yàn)接線，圖5為雙母線時(shí)擴(kuò)建間隔帶Ⅰ母進(jìn)行耐壓試驗(yàn)，Ⅱ母不停電的接線。

圖4 單母線時(shí)耐壓試驗(yàn)接線示意圖

2.2 3/2接線GIS同頻同相試驗(yàn)方法

當(dāng)采用 3/2接線方式時(shí)，由于該接線方式運(yùn)行較為靈活，需要分以下幾種情況進(jìn)行分析。

圖5 雙母線時(shí)耐壓試驗(yàn)接線示意圖

1）3/2接線GIS間隔擴(kuò)建或整體檢修

對新建或檢修的完整間隔進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)方法如圖6所示，從出線套管處進(jìn)行加壓，另一出線套管懸空，與母線連接的隔離開關(guān) DS1、DS6斷開、其余隔離開關(guān)合閘，間隔中所有接地開關(guān)斷開，斷路器處于合位，Ⅰ母、Ⅱ母均處于運(yùn)行狀態(tài)，從母線 PT二次端子處取得參考電壓。多個(gè)間隔進(jìn)行時(shí)，在試驗(yàn)電源容量允許的條件下，可用加壓線將鄰近出線套管并聯(lián)后進(jìn)行加壓，每個(gè)間隔運(yùn)行方式可參考單個(gè)間隔方式。

圖6 間隔擴(kuò)建或檢修時(shí)耐壓試驗(yàn)接線示意圖

2）3/2接線GIS間隔部分檢修

當(dāng)完整間隔中部分進(jìn)行檢修后，線路側(cè)無法停電時(shí)，可采用同頻同相技術(shù)。下面分為三種情況進(jìn)行分析：3/2接線的一條完整間隔中單個(gè)斷路器間隔檢修后進(jìn)行交流耐壓時(shí)，如圖 7（a）、（b）所示，此時(shí)由出線套管處加壓，另一出（進(jìn)）線可不用停電，被試斷路器間隔處斷路器處于合閘位置、接地開關(guān)處于分閘位置，與相鄰斷路器間隔或母線連接的隔離開關(guān)處于分閘位置，原有間隔處于運(yùn)行狀態(tài)；一條完整間隔鄰近兩個(gè)斷路器進(jìn)行檢修后試驗(yàn)如圖7（c）所示，此時(shí)只需將相鄰連接的隔離開關(guān)合上，從出線套管處加壓。

圖7 部分間隔進(jìn)行檢修后耐壓試驗(yàn)接線示意圖

對于同間隔中兩個(gè)近母線側(cè)斷路器間隔（如圖7中CB1和CB3所示）進(jìn)行試驗(yàn)，可從分兩次分別進(jìn)行耐壓，或者參考整條間隔試驗(yàn)的方法。

3）3/2接線GIS母線與間隔擴(kuò)建

當(dāng) 3/2接線條件下，新建母線與間隔進(jìn)行耐壓試驗(yàn)時(shí)，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至Ⅱ母，Ⅰ母進(jìn)行停電，將擴(kuò)建母線與Ⅰ母相連，擴(kuò)建Ⅱ母段先不連接，閉合隔離開關(guān)DS1—DS2、DS4—DS6，DS3處于分位，將未耐壓段接地開關(guān) D4閉合，其余處于分位，斷路器CB1—CB3都處于合位，運(yùn)行方式如圖8（a）所示，此時(shí)試驗(yàn)電壓由出線套管處加入，參考電壓由運(yùn)行PT處取得，對標(biāo)示部分進(jìn)行耐壓。

耐壓通過后，原加壓側(cè)套管接線工作完成后，將負(fù)荷倒至Ⅰ母，Ⅱ母停電，此時(shí)擴(kuò)建Ⅱ母段與Ⅱ母對接，斷開接地開關(guān)D4，此時(shí)運(yùn)行方式如圖8（b）所示，從另一側(cè)出線套管處加壓。試驗(yàn)中參考電壓由運(yùn)行母線側(cè)PT取得。

圖8 擴(kuò)建母線及間隔進(jìn)行耐壓試驗(yàn)示意圖

4）3/2接線GIS母線解體檢修

當(dāng)母線（下面以Ⅰ母為例）需要解體檢修時(shí)，此時(shí)將負(fù)荷轉(zhuǎn)移至Ⅱ母，試驗(yàn)電壓由距離故障段最近段出線套管處加壓，斷開該間隔隔離開關(guān) DS3，閉合隔離開關(guān)DS1—DS2、斷路器CB1，該間隔其余設(shè)備可保持原有運(yùn)行方式，如圖9所示。其他間隔與Ⅰ母相連的隔離開關(guān)斷開，參考電壓從運(yùn)行Ⅱ母PT處取得；也可根據(jù)現(xiàn)場條件需要將CB2、DS4斷開，然后閉合D4。

圖9 母線解體檢修后進(jìn)行耐壓試驗(yàn)示意圖

3 應(yīng)用效果

2015年5月27日，寧夏地區(qū)在中衛(wèi)330kV凱歌變電站110kV GIS擴(kuò)建工程中首次應(yīng)用該技術(shù)。中衛(wèi)地區(qū)屬于工業(yè)用戶較多地區(qū)，負(fù)荷較大，若凱歌變110kV母線停電，將造成該站周圍廠礦企業(yè)停產(chǎn)，帶來極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在該站停電困難的情況下，經(jīng)多方協(xié)商，決定采用同頻同相交流耐壓技術(shù)進(jìn)行不停電條件下，試驗(yàn)按照《導(dǎo)則》中規(guī)定的試驗(yàn)方法，對凱歌變110kV Ⅰ母分段間隔、Ⅰ母母線、及某線擴(kuò)建間隔進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)。

為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行，試驗(yàn)前由運(yùn)維人員、試驗(yàn)人員多次復(fù)核試驗(yàn)接線，著重對 PT中采樣信號線進(jìn)行檢查，避免因接線錯(cuò)誤造成輸出電壓相位錯(cuò)誤；試驗(yàn)人員對被試設(shè)備的氣室氣壓、運(yùn)行方式進(jìn)行檢查，減少試驗(yàn)中擊穿的幾率；同時(shí)檢查運(yùn)行間隔的繼電保護(hù)，防止試驗(yàn)設(shè)備擊穿后保護(hù)誤動造成越級跳閘。

擴(kuò)建間隔設(shè)備順利通過了耐壓試驗(yàn)，投運(yùn)后有效緩解了中衛(wèi)地區(qū)的用電緊張的局面；同時(shí)，避免因停電帶來的經(jīng)濟(jì)損失，也提高了電網(wǎng)企業(yè)在用戶的口碑。

4 結(jié)論

GIS同頻同相交流耐壓技術(shù)有效解決了傳統(tǒng)交流耐壓方法需要母線停電的問題，能夠避免因此帶來的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響，有效提高供電可靠性。試驗(yàn)設(shè)備集成度高，采用調(diào)感式串聯(lián)諧振，在容量允許的條件下，可以對多種電壓等級的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，可推廣至更高電壓等級。該技術(shù)可以在單母線、雙母線接線方式下進(jìn)行試驗(yàn)，也可以推廣至 3/2接線方式下耐壓試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)一套設(shè)備對應(yīng)多種接線方式的靈活配置。

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Research and Application of the Same Frequency and Phase AC Withstand Voltage Test Technique of GIS

Ma Yunlong Hao Jinpeng Li Xiuguang Liu Shitao Guo Fei
（Power Research Institute of the State Grid Ningxia Power Company，Yinchuan 750002）

Aimming at the problem that the AC withstand voltage test cannot procede without a power outage in GIS substation，a new method is disscussed the application of the same frequency and phase AC withstand voltage test technique of GIS.The test method of 3/2 connection mode is analyzed based on previous experience，which can provide a reference to the next work.

gas insulated switchgear（GIS）； same frequency and phase； AC withstand voltage test

馬云龍（1988-），男，新疆庫爾勒市人，碩士，助理工程師，主要從事電氣設(shè)備性能技術(shù)監(jiān)督工作。