朱秦川，吳經(jīng)鋒，張璐，韓彥華

（1.國網(wǎng)陜西省電力公司，陜西西安 710048；2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，陜西西安 710100）

自20世紀60年代問世以來，SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas insulated switchgear，簡稱GIS）得到了迅速發(fā)展[1-5]。與敞開式空氣絕緣開關(guān)設(shè)備相比，GIS占地面積小、受自然環(huán)境影響小、運行安全可靠、檢修和維護周期長，具有明顯的優(yōu)勢，在國內(nèi)外電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[6-11]。在我國，GIS已廣泛用于110 kV、220 kV、330 kV、500 kV主干線變電站，1 000 kV晉東南變電站也采用了GIS[12]。

GIS從設(shè)計到投運，需進行型式試驗、出廠驗收試驗、現(xiàn)場耐壓試驗等。型式試驗和出廠驗收試驗分別用于檢測GIS設(shè)計和制造的缺陷，一般在工廠完成。而大型GIS一般均是出廠解體，運輸至現(xiàn)場后進行組裝。眾所周知，SF6氣體對局部高場強非常敏感。運輸裝配過程中出現(xiàn)的電極表面刮傷、導(dǎo)電微粒進入[13]等均會使GIS絕緣強度大幅降低。此外，GIS中隔離開關(guān)、斷路器在進行多次分合閘操作后，機械磨損會在其內(nèi)部產(chǎn)生金屬粉末。以上懸浮金屬微粒的出現(xiàn)，使得GIS在工頻電壓下絕緣強度迅速降低，嚴重威脅其安全運行。因此，GIS在現(xiàn)場組裝和大修后進行現(xiàn)場耐壓試驗必不可少。

GIS的現(xiàn)場耐壓試驗主要包括交流耐壓試驗和沖擊耐壓試驗。研究表明，交流耐壓試驗對GIS中懸浮導(dǎo)電微粒的檢測很靈敏，而對固定導(dǎo)電微粒和尖端、毛刺等缺陷的檢測有效性差，靈敏度很低[14]。而雷電沖擊對固定導(dǎo)電微粒的檢測靈敏度非常高，是對GIS現(xiàn)場交流耐壓試驗的有效補充[15]。目前，對于現(xiàn)場GIS，一般只進行交流串聯(lián)諧振耐壓試驗。而對于特高壓GIS的現(xiàn)場沖擊耐壓試驗，國內(nèi)僅有西安交通大學(xué)和江蘇電科院在特高壓南京站開展了有益探索。一方面，超、特高壓GIS組裝完成后電容量很大，一般的現(xiàn)場沖擊電源受尺寸和重量限制，輸出沖擊電壓波形很難滿足要求。另一方面，國內(nèi)外對GIS現(xiàn)場沖擊耐壓試驗，尚無統(tǒng)一標準，有些情況下甚至是根據(jù)試驗設(shè)備條件確定試驗方法和試驗標準，存在一些問題。因此，本文僅針對目前主流的交流耐壓試驗進行分析和探討。

1 串聯(lián)諧振基本原理

串聯(lián)諧振裝置工作原理如圖1所示，其中圖1（a）為原理圖，圖1（b）為等值電路圖。當R、Lx、C串聯(lián)回路中的感抗Lx與容抗Cx相等時，電感中的電場能量和電容中的磁場能量相互補償，試品所需無功功率全部由電抗器供給，電源僅提供回路有功損耗[16]。此時，有ωLx=1/ωC，諧振頻率為：

圖1 串聯(lián)諧振裝置工作原理Fig.1 Principle of series resonant device

調(diào)節(jié)變頻諧振裝置的電源頻率等于上述諧振頻率，使回路產(chǎn)生串聯(lián)諧振。此時的回路電流I和試品Cx兩端電壓分別為：

式中，Q為品質(zhì)因數(shù)，可表示為：

由式（3）可見，當回路發(fā)生串聯(lián)諧振時，試品Cx兩端施加電壓UC為變壓器副邊輸出電壓U的Q倍，Q值越大，串聯(lián)諧振回路輸出效率越高，對變壓器輸出電壓的放大作用越明顯。式（5）表明，變壓器輸出的有功功率P僅為試品Cx兩端無功功率的1/Q，回路的有功損耗很小。

2 串聯(lián)諧振裝置參數(shù)選取

串聯(lián)諧振試驗回路參數(shù)選取首先應(yīng)滿足以下兩個條件：①諧振頻率f在標準DL/T 555-2004《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場耐壓及絕緣試驗導(dǎo)則》規(guī)定的范圍10 Hz～300 Hz之內(nèi)；②回路品質(zhì)因數(shù)Q值較高，使得試品兩端電壓滿足現(xiàn)場耐壓試驗值。

一般而言，在滿足試驗要求的前提下，為使得現(xiàn)場攜帶的電抗器盡可能少，諧振頻率f值一般較大，選擇在100 Hz～200 Hz之間。而為了提高輸出電壓的效率，品質(zhì)因數(shù)Q的范圍一般為30～50。

由式（1）和式（4）聯(lián)立可得：

一般，回路等值電阻R包含串聯(lián)電抗Lx的等值電阻，回路引線電阻以及回路電暈等效電阻等，依據(jù)經(jīng)驗R一般約為10 kΩ。f取100 Hz～200 Hz，Q取30～50。帶入式（6）和式（7），得到回路等效電容C≈1.6 nF～5.3 nF，等效電抗L≈239 H～796 H。

表1為不同電壓等級GIS每間隔等效電容值?？梢?，110 kV～500 kV GIS單獨間隔電容量在1 nF左右，以上計算得到的回路等效電容C≈1.6nF～5.3nF，故電容分壓器總電容Cn選擇為1 nF即可滿足串聯(lián)諧振要求。而為了降低試驗設(shè)備尺寸和重量，此時的電抗值可選擇計算的下限值附近，即300 H。

表1 不同電壓等級GIS每間隔等效電容值Tab.1 Equivalent capacitance of every interval for GIS with different voltage classes

表2為不同電壓等級GIS出廠電壓及現(xiàn)場耐壓試驗值。表2中出廠電壓參照GB7674-2008給出的標準值，試驗電壓值1為DL/T555-2004規(guī)定的GIS現(xiàn)場耐壓試驗值，該值為出廠試驗電壓的80%。試驗電壓值2為GB7674-2008規(guī)定的GIS現(xiàn)場耐壓試驗值?？梢?，對于GIS現(xiàn)場耐壓試驗值，GB7674-2008與DL/T555-2004有略微差別。對于110 kV～330kV GIS，GB7674-2008規(guī)定的現(xiàn)場耐壓值高于DL/T555-2004，國標對現(xiàn)場GIS的考核較電力標準更加嚴格。而500 kV～1 000 kV GIS，兩標準的耐壓值基本相同。

表2 不同電壓等級GIS出廠電壓及現(xiàn)場耐壓試驗值Tab.2 Factory voltage and field withstand voltage for GIS with different voltage classes

3 GIS設(shè)備現(xiàn)場耐壓試驗

3.1 現(xiàn)場試驗裝置參數(shù)

現(xiàn)場試驗采用變頻式串聯(lián)諧振耐壓試驗裝置，各元件具體參數(shù)如下：①變頻電源：輸入電壓380 V，輸出電壓0～350 V，電壓頻率范圍30～300 Hz。②勵磁變壓器：輸入電壓0～350 V/550 V，副邊輸出電壓0～40 kV/80 kV。③2臺高壓電抗器：每臺電感200 H，額定電流5 A，額定電壓300 kV。④電容分壓器：額定電壓450 kV，電容量1 000 pF。

3.2 諧振回路參數(shù)計算

由3.1節(jié)可知，串聯(lián)諧振回路總電感Lx=400 H，分壓器電容Cn=1 000 pF，330 kV GIS間隔試品電容Cx=1 200 pF，則負載總電容為C=Cn+Cx=2 200 pF。表3中的第1～5列為串聯(lián)諧振回路電壓、電流及諧振頻率測量值，第6及第7列分別為品質(zhì)因數(shù)Q和回路等值電阻R的計算結(jié)果。

由表3中的原邊電壓與原邊電流乘積可計算出諧振回路的有功功率P，由副邊電壓與副邊電流乘積可計算出諧振回路的無功功率Wc，則由式（5）可得到回路的品質(zhì)因數(shù)Q值，進一步由式（4）計算得到諧振回路的等效電阻值R，如表3所示。

由表3可見，隨著試品兩端電壓增大，回路等值電阻R增大，品質(zhì)因數(shù)Q減小。這是由于試品電壓增加，回路引線電暈加劇，電暈損耗增大，回路等值電阻R增大。而此時的等效電感Lx和等效電容C基本不變，則由式（4）可見，此時的品質(zhì)因數(shù)Q逐漸減小。品質(zhì)因數(shù)減小導(dǎo)致回路試驗效率降低，即在變頻電源輸出相同電壓時，諧振回路輸出電壓降低。因此，有必要研究串聯(lián)諧振回路裝置參數(shù)對品質(zhì)因數(shù)的影響，對諧振回路參數(shù)進行優(yōu)化，以達到獲得更大Q值的效果。

表3 諧振回路等值參數(shù)計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of equivalent parameters for resonant circuit

3.3 現(xiàn)場耐壓試驗

為了檢測某330 kV GIS在大修后的絕緣情況，徹底排除設(shè)備存在的隱患，對該變電站330 kV GIS進行現(xiàn)場交流耐壓試驗。按照標準DL/T 555-2004《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備現(xiàn)場耐壓及絕緣試驗導(dǎo)則》的相關(guān)要求，現(xiàn)場交流耐壓試驗的試驗電壓為416 kV，時間為1 min。電清掃施加電壓為210 kV持續(xù)5 min，330 kV持續(xù)3 min。整體加壓程序如圖2所示。

圖2 交流耐壓試驗程序Fig.2 The AC withstand testing procedure

圖3為某330 kV變電站主接線圖，變頻耐壓裝置接入其中一帶電間隔進線。為對I母及斷路器主絕緣進行耐壓試驗，對相應(yīng)的隔離開關(guān)和斷路器進行分合閘操作，使相應(yīng)的母線及開關(guān)帶電，如圖3中紅色實線所示。試驗結(jié)果表明，GIS主絕緣可耐受規(guī)定的試驗電壓，無內(nèi)部擊穿放電及其它異?，F(xiàn)象，試驗通過。

圖3 I母及斷路器主絕緣耐壓試驗帶電示意圖Fig.3 Electrified schematic diagram of main insulation withstand voltage test for bus I and circuit breaker

4 串聯(lián)諧振裝置Q值影響因素

串聯(lián)諧振裝置的品質(zhì)因數(shù)Q是現(xiàn)場試驗時需要考慮的關(guān)鍵因素。Q值與試品兩端電壓和試品電容量等多種因素相關(guān)。

圖4為某330 kV GIS間隔在進行現(xiàn)場耐壓試驗時的品質(zhì)因數(shù)Q及回路等值電阻R與試品兩端施加電壓關(guān)系曲線。

圖4 品質(zhì)因數(shù)Q及等值電阻R與試品施加電壓關(guān)系曲線Fig.4 The relationship between quality factor Q and equivalent resistance R with voltage of testing object

由圖4可見，試品電容量一定，隨試品兩端電壓增大，回路品質(zhì)因數(shù)Q減小，回路等值電阻R增大。當試品兩端電壓超過一定值后，回路等值電阻增大速度變快，品質(zhì)因數(shù)迅速降低。這是由于電壓超過一定值后，回路電暈突然加劇所致。電暈損耗包括回路引線電暈損耗、分壓器和電抗器等的電暈損耗等。因此，為減小電暈損耗，增大品質(zhì)因數(shù)，可采取以下措施：①增大連接導(dǎo)線截面，如將連接線換成波紋管。②將實驗設(shè)備布置更緊湊，縮短連接導(dǎo)線。③分壓器、電抗器高壓側(cè)加裝屏蔽罩。

現(xiàn)場耐壓試驗中，實際GIS的間隔數(shù)目不定，試品電容量也會隨之變化，這將影響串諧裝置的品質(zhì)因數(shù)值。當試品兩端輸出電壓值一定時，GIS試品電容量增大，由式（1）可知此時的諧振頻率f值減小。若按照理想狀況處理，不考慮回路電暈損耗與電壓頻率的關(guān)系，則品質(zhì)因數(shù)隨電容量增大逐漸減小。實際中，試品電容減小，諧振頻率增大，電暈損耗增大，回路等值電阻增大，由式（4）可見此時的品質(zhì)因數(shù)變化不定。

5 結(jié)語

調(diào)頻式串聯(lián)諧振現(xiàn)場耐壓裝置具有體積小、重量輕、電源能耗小、易滿足現(xiàn)場耐壓試驗值等優(yōu)點，可用于大容量GIS現(xiàn)場耐壓試驗?，F(xiàn)場試驗時，應(yīng)根據(jù)GIS的電壓等級和間隔數(shù)目估算所需電抗器及分壓器容量，選擇試驗變壓器輸出電壓等級。同時，為保證裝置輸出效率，應(yīng)盡量減小試驗回路中的電暈損耗引起的等效電阻，以提高回路品質(zhì)因數(shù)，確保試品兩端電壓滿足要求。

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