采用补偿电抗器优化的GIS工频耐压试验系统

吴剑敏，吴晓春，魏立新，张志英

（1.上海电力公司超高压输变电公司，上海200063；2.思源电气股份有限公司，上海201108）

GIS（SF6封闭组合电器的简称）可以把整个变压器以外的一次设备，全部封闭在一个接地的金属外壳内，壳内充以一定压力的SF6气体。由于SF6具有良好的绝缘性能，绝缘距离缩小，这样既缩小了安装的空间，又减少了环境对设备的影响，运行可靠且维护方便，特别适合城市内以及地下110kV至500kV变电站的建设。同时，GIS交流耐压试验是检验GIS设备绝缘性能的重要试验之一，它能够直观灵敏地反应设备在制造和安装过程中可能遗留的绝缘缺陷[1]。

GIS现场局部放电试验逐步作为一项现场交接试验，也越来越受重视[2]，而目前国内市场上没有专门针对此项试验的试验设备，即使有用于GIS交流耐压试验的设备，也存在本身局部放电干扰信号过大或设备本身不适合GIS现场局部放电试验。现场测量局部放电测试最主要的问题是现场空间耦合的局部放电干扰信号较大，传统的试验变压器对电压测量是采用测量绕组进行测量，存在着较大的误差，特别是当负载为电容时，会存在容升现象[3]。

某地下500kV变电站即为采用全气体绝缘金属封闭开关设备（GIS），现场GIS设备安装完毕后，必须按规定进行交流耐压试验，以检查设备在制造和安装过程中可能遗留的绝缘缺陷。对于大容量设备的交流试验，如采用传统试验设备，因试品容量大，所需的试验变压器和调压器非常笨重；传统试验设备自身的局放量比较大，会影响局放测试的精度；且试验电源现场很难解决，导致现场试验极不方便。因此，开发出一种小型化、自身局放小的GIS工频耐压装置为现场提供试验高压源即成为一种需要。

1 设计要求与基本组成

1.1 系统设计要求与解决方法

为了满足地下变电站500kVGIS交流耐压现场试验的要求，GIS工频耐压装置的各部分组成在满足性能的前提下，体积必须尽可能的小，且自身局放也不能影响到系统的局放量。因此本系统采用SF6绝缘和电抗器补偿的技术，将空间耦合的局部放电干扰信号屏蔽在测量系统之外，使得本系统的额定局放小于5 pC，同时本系统按照500kVGIS的现场交流耐压试验及局部放电试验的要求设计。

1.2 系统的基本组成与工作原理

500kVGIS工频耐压系统基本组成如图1所示。

图1 系统结构原理图

GIS工频耐压及局放测试试验系统控制台的额定输入380V工频交流电，此交流电经过调压器变为0～380V/50 Hz电压可调的电源送入滤波器滤波，经滤波后电源被送入试验变压器的低压侧，同时在试验变压器低压侧并联补偿电抗器，以补偿无功，降低对电网侧的无功需求。控制台经过对采集到的数据进行处理后，发升压指令对试验变压器升压，试验变压器的电源电压升高到最高600kV，满足500kV电压等级的试验需求。

2 试验系统分系统的优化设计

2.1 高压试验变压器

本系统采用的高压试验变压器是单相SF6气体绝缘试验变压器[4]，通过试验变压器低压侧与调压器、滤波箱的连接，接收控制台发来的升压或者降压信号进行升降压，达到所需电压的等级；同时通过采用SF6绝缘，将空间耦合的局部放电干扰信号屏蔽在测量系统之外，解决了现场测量干扰较大的问题。

高压试验变压器（高压的电压互感器（TV））的参数：

低压绕组额定电压ULN为380V；低压绕组额定电流ILN为265 A；高压绕组额定电压UHN为600kV；高压绕组额定电流IHN为0.168 A；运行时间是从环境温度开始，在允许负载范围内运行时间为10 min(318kV)+2 min(600kV)+10 min(349kV)+rest time 2h。

2.2 连接筒的设计

目前国内的GIS厂家的接口均不同，而且国内也没有形成专门的标准，因此本系统与GIS试验品的连接通过连接筒实现。

此连接筒的设计考虑了要满足不同GIS制造厂家接口的对接问题，同时还满足各种电压等级和形式的GIS测试要求。

2.3 补偿电抗器的设计

作为GIS工频耐压试验系统的一个重要组成部分，需要设计其参数与系统其他部分相配套，因此，补偿电抗器设计相关的参数可以参照高压试验变压器的参数。

由于补偿电抗器本身不能出现内部放电现象，且为了减少对电源侧无功的需求，可以将补偿电抗器做成多抽头的形式以尽量补偿不同负载所需的无功。补偿电抗器具体的参数要求有以下几点。

（1）具有5个高压接线端，且电抗器的抽头形式如图2所示；

图2 电抗器抽头示意图

（2）工频条件下使用；

（3）电抗器Q值为20；

（4）运行时间：额定电流运行5 min+2/3额定电流运行40 min；

（5）当环境温度为40℃时，在“额定电流运行5 min+2/3额定电流运行40 min”温升不超过80 K；

（6）使用环境温度：最高气温+50℃，最低气温-45℃。

针对上述要求，设计时综合考虑补偿时对滤波器、调压器等参数的影响，要求电抗器设计的Q值为QL，各抽头处按照等容量计算，且电抗器补偿全部无功(提供试验变压器低压侧全部无功电流)，可得电抗器电感量L0为：

式中：α为试验变压器的短路阻抗标幺值；K为试验变压器的高低压变比；C为负载等效电容；f为试验频率。

完全补偿时，负载Cx与补偿电抗器电感量Lb之间的关系如图3所示(不考虑电抗器损耗)。完全补偿时，低压所需电压ul与负载Cx间的关系如图4所示(不考虑电抗器损耗)。

图3 负载与补偿电抗器电感量的关系

图4 低压所需电压与负载的关系

首先在设计时为满足500kVGIS试验所需的电感量，如使用一个抽头进行补偿，则经过计算可得所需电感量为2.74mH，按照试验变压器的参数计算出在1000～1500pF范围内低压侧所需最大电压为323V，考虑留有一定余量，故将此抽头处额定电压定为350V。各抽头的补偿电感量如表1所示。

表1 电抗器各抽头的补偿电感量

为了适应现场实验的要求，必须对每个抽头的负载范围进行验算，以及检验每个抽头在超过设计负载范围的情况，设计的补偿电抗器可以根据负载的电容器范围来选择电抗器的抽头。

比如当GIS等级为220kV时，最高试验电压为462kV，负载范围为1500～2150pF时，选择抽头1进行补偿；比如当GIS等级为500kV时，最高试验电压为600kV，负载范围为800～1400pF时，选择抽头5进行补偿。

经验算，各抽头符合设计要求。使用补偿电抗器是为了减少系统对电网侧的无功需求，使用合适的补偿电抗器，可以减少调压器的容量需求和对电网侧的无功需求。

当不使用补偿电抗器时，调压器的容量不能小于高压TV(试验变压器)的容量。经计算，本系统使用的调压器容量为40kV·A，高压TV(试验变压器)低压侧的容量为100kV·A，可知使用补偿电抗器后，调压器的容量明显小于未使用补偿电抗器的容量，大大优化了系统。

3 试验系统现场试验

3.1 试验依据

试验时，按规定将被试品接入试验回路，逐步升高电压至标准规定的额定工频耐受电压值，保持1 min，然后迅速、均匀地降压到0，在规定的时间内，被试品绝缘未发生击穿穿或表面闪络，则认为通过了该项试验。

3.2 试验方案

系统的交流耐压试验要求按照JB/T9461—1999，试验装置空载升压到660kV，耐压时间1 min。具体实施为：在达到75%试验电压以后应该均匀升压，升压速率在2%～5%试验电压范围内，或在10～15s内升至试验电压。

3.3 系统现场试验结果

660kV交流耐压1 min，通过。并对系统的局部放电在额定电压下进行了实测，试验结果为3.2 pC，满足设计中≤5 pC要求。

3.4 252kV 5号变压器进线GIS工频耐压试验

3.4.1 试验方案

某地下500kV全GIS变电站设备使用气体绝缘金属封闭开关，为国内某GIS公司生产。本次试验是对该组252kV 5号变压器进线GIS设备现场安装完毕后进行工频耐压试验，实验方案遵循“现场试验电压按出厂标准的80%进行交流耐压试验，最高试验电压为316kV，分别做A，B，C三相。每相升压为146kV：时间5 min；252kV：时间3 min；316kV：时间1min”的要求按顺序进行升压。

3.4.2 试验结果

具体实验结果如表2所示。从表2数据可以看出，316kV时，试验变压器输入电流为210 A左右，由于补偿电抗器的作用，电源端的输入电流仅需5 A左右，对试验电源的容量要求很低。

此次试验过程中的试品无击穿放电现象产生。因此，该系统已经顺利通过了此变电站252kV 5号变压器进线GIS设备的工频耐压试验，且运行工况良好。

表2 三相试验记录

4 结束语

本系统已经顺利通过某地下500kVGIS地下变电站252kV 5号变压器进线GIS设备工频耐压试验和局放试验，得到了用户的充分肯定；本测试系统与原有GIS耐压设备相比，增加了局放的测试，并且采用了SF6绝缘和电抗器补偿的技术，在保证工频耐压试验的同时还保证了系统局放的精度，同时还满足了体积小、重量轻、布置和安装简单的要求，便于推广。

[1] 贾良庆.浅谈GIS设备的现场交流耐压试验[J].工程与建设，2008，22（5）：710-712.

[2] DL/T555—2004，气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则[S].

[3] 王建生，邱毓昌.气体绝缘开关设备中局部放电的在线监测技术[J].电工电能新技术，2000(4)：44-48.

[4] 葛景滂，邱昌容.局部放电测试[M].北京：机械工业出版社，1984.