GIS现场耐压试验方法及装置参数研究

朱秦川，吴经锋，张璐，韩彦华

（1.国网陕西省电力公司，陕西西安 710048；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，陕西西安 710100）

自20世纪60年代问世以来，SF6气体绝缘开关设备（Gas insulated switchgear，简称GIS）得到了迅速发展[1-5]。与敞开式空气绝缘开关设备相比，GIS占地面积小、受自然环境影响小、运行安全可靠、检修和维护周期长，具有明显的优势，在国内外电力系统中得到了广泛应用[6-11]。在我国，GIS已广泛用于110 kV、220 kV、330 kV、500 kV主干线变电站，1 000 kV晋东南变电站也采用了GIS[12]。

GIS从设计到投运，需进行型式试验、出厂验收试验、现场耐压试验等。型式试验和出厂验收试验分别用于检测GIS设计和制造的缺陷，一般在工厂完成。而大型GIS一般均是出厂解体，运输至现场后进行组装。众所周知，SF6气体对局部高场强非常敏感。运输装配过程中出现的电极表面刮伤、导电微粒进入[13]等均会使GIS绝缘强度大幅降低。此外，GIS中隔离开关、断路器在进行多次分合闸操作后，机械磨损会在其内部产生金属粉末。以上悬浮金属微粒的出现，使得GIS在工频电压下绝缘强度迅速降低，严重威胁其安全运行。因此，GIS在现场组装和大修后进行现场耐压试验必不可少。

GIS的现场耐压试验主要包括交流耐压试验和冲击耐压试验。研究表明，交流耐压试验对GIS中悬浮导电微粒的检测很灵敏，而对固定导电微粒和尖端、毛刺等缺陷的检测有效性差，灵敏度很低[14]。而雷电冲击对固定导电微粒的检测灵敏度非常高，是对GIS现场交流耐压试验的有效补充[15]。目前，对于现场GIS，一般只进行交流串联谐振耐压试验。而对于特高压GIS的现场冲击耐压试验，国内仅有西安交通大学和江苏电科院在特高压南京站开展了有益探索。一方面，超、特高压GIS组装完成后电容量很大，一般的现场冲击电源受尺寸和重量限制，输出冲击电压波形很难满足要求。另一方面，国内外对GIS现场冲击耐压试验，尚无统一标准，有些情况下甚至是根据试验设备条件确定试验方法和试验标准，存在一些问题。因此，本文仅针对目前主流的交流耐压试验进行分析和探讨。

1 串联谐振基本原理

串联谐振装置工作原理如图1所示，其中图1（a）为原理图，图1（b）为等值电路图。当R、Lx、C串联回路中的感抗Lx与容抗Cx相等时，电感中的电场能量和电容中的磁场能量相互补偿，试品所需无功功率全部由电抗器供给，电源仅提供回路有功损耗[16]。此时，有ωLx=1/ωC，谐振频率为：

图1 串联谐振装置工作原理Fig.1 Principle of series resonant device

调节变频谐振装置的电源频率等于上述谐振频率，使回路产生串联谐振。此时的回路电流I和试品Cx两端电压分别为：

式中，Q为品质因数，可表示为：

由式（3）可见，当回路发生串联谐振时，试品Cx两端施加电压UC为变压器副边输出电压U的Q倍，Q值越大，串联谐振回路输出效率越高，对变压器输出电压的放大作用越明显。式（5）表明，变压器输出的有功功率P仅为试品Cx两端无功功率的1/Q，回路的有功损耗很小。

2 串联谐振装置参数选取

串联谐振试验回路参数选取首先应满足以下两个条件：①谐振频率f在标准DL/T 555-2004《气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则》规定的范围10 Hz～300 Hz之内；②回路品质因数Q值较高，使得试品两端电压满足现场耐压试验值。

一般而言，在满足试验要求的前提下，为使得现场携带的电抗器尽可能少，谐振频率f值一般较大，选择在100 Hz～200 Hz之间。而为了提高输出电压的效率，品质因数Q的范围一般为30～50。

由式（1）和式（4）联立可得：

一般，回路等值电阻R包含串联电抗Lx的等值电阻，回路引线电阻以及回路电晕等效电阻等，依据经验R一般约为10 kΩ。f取100 Hz～200 Hz，Q取30～50。带入式（6）和式（7），得到回路等效电容C≈1.6 nF～5.3 nF，等效电抗L≈239 H～796 H。

表1为不同电压等级GIS每间隔等效电容值。可见，110 kV～500 kV GIS单独间隔电容量在1 nF左右，以上计算得到的回路等效电容C≈1.6nF～5.3nF，故电容分压器总电容Cn选择为1 nF即可满足串联谐振要求。而为了降低试验设备尺寸和重量，此时的电抗值可选择计算的下限值附近，即300 H。

表1 不同电压等级GIS每间隔等效电容值Tab.1 Equivalent capacitance of every interval for GIS with different voltage classes

表2为不同电压等级GIS出厂电压及现场耐压试验值。表2中出厂电压参照GB7674-2008给出的标准值，试验电压值1为DL/T555-2004规定的GIS现场耐压试验值，该值为出厂试验电压的80%。试验电压值2为GB7674-2008规定的GIS现场耐压试验值。可见，对于GIS现场耐压试验值，GB7674-2008与DL/T555-2004有略微差别。对于110 kV～330kV GIS，GB7674-2008规定的现场耐压值高于DL/T555-2004，国标对现场GIS的考核较电力标准更加严格。而500 kV～1 000 kV GIS，两标准的耐压值基本相同。

表2 不同电压等级GIS出厂电压及现场耐压试验值Tab.2 Factory voltage and field withstand voltage for GIS with different voltage classes

3 GIS设备现场耐压试验

3.1 现场试验装置参数

现场试验采用变频式串联谐振耐压试验装置，各元件具体参数如下：①变频电源：输入电压380 V，输出电压0～350 V，电压频率范围30～300 Hz。②励磁变压器：输入电压0～350 V/550 V，副边输出电压0～40 kV/80 kV。③2台高压电抗器：每台电感200 H，额定电流5 A，额定电压300 kV。④电容分压器：额定电压450 kV，电容量1 000 pF。

3.2 谐振回路参数计算

由3.1节可知，串联谐振回路总电感Lx=400 H，分压器电容Cn=1 000 pF，330 kV GIS间隔试品电容Cx=1 200 pF，则负载总电容为C=Cn+Cx=2 200 pF。表3中的第1～5列为串联谐振回路电压、电流及谐振频率测量值，第6及第7列分别为品质因数Q和回路等值电阻R的计算结果。

由表3中的原边电压与原边电流乘积可计算出谐振回路的有功功率P，由副边电压与副边电流乘积可计算出谐振回路的无功功率Wc，则由式（5）可得到回路的品质因数Q值，进一步由式（4）计算得到谐振回路的等效电阻值R，如表3所示。

由表3可见，随着试品两端电压增大，回路等值电阻R增大，品质因数Q减小。这是由于试品电压增加，回路引线电晕加剧，电晕损耗增大，回路等值电阻R增大。而此时的等效电感Lx和等效电容C基本不变，则由式（4）可见，此时的品质因数Q逐渐减小。品质因数减小导致回路试验效率降低，即在变频电源输出相同电压时，谐振回路输出电压降低。因此，有必要研究串联谐振回路装置参数对品质因数的影响，对谐振回路参数进行优化，以达到获得更大Q值的效果。

表3 谐振回路等值参数计算结果Tab.3 Calculation results of equivalent parameters for resonant circuit

3.3 现场耐压试验

为了检测某330 kV GIS在大修后的绝缘情况，彻底排除设备存在的隐患，对该变电站330 kV GIS进行现场交流耐压试验。按照标准DL/T 555-2004《气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则》的相关要求，现场交流耐压试验的试验电压为416 kV，时间为1 min。电清扫施加电压为210 kV持续5 min，330 kV持续3 min。整体加压程序如图2所示。

图2 交流耐压试验程序Fig.2 The AC withstand testing procedure

图3为某330 kV变电站主接线图，变频耐压装置接入其中一带电间隔进线。为对I母及断路器主绝缘进行耐压试验，对相应的隔离开关和断路器进行分合闸操作，使相应的母线及开关带电，如图3中红色实线所示。试验结果表明，GIS主绝缘可耐受规定的试验电压，无内部击穿放电及其它异常现象，试验通过。

图3 I母及断路器主绝缘耐压试验带电示意图Fig.3 Electrified schematic diagram of main insulation withstand voltage test for bus I and circuit breaker

4 串联谐振装置Q值影响因素

串联谐振装置的品质因数Q是现场试验时需要考虑的关键因素。Q值与试品两端电压和试品电容量等多种因素相关。

图4为某330 kV GIS间隔在进行现场耐压试验时的品质因数Q及回路等值电阻R与试品两端施加电压关系曲线。

图4 品质因数Q及等值电阻R与试品施加电压关系曲线Fig.4 The relationship between quality factor Q and equivalent resistance R with voltage of testing object

由图4可见，试品电容量一定，随试品两端电压增大，回路品质因数Q减小，回路等值电阻R增大。当试品两端电压超过一定值后，回路等值电阻增大速度变快，品质因数迅速降低。这是由于电压超过一定值后，回路电晕突然加剧所致。电晕损耗包括回路引线电晕损耗、分压器和电抗器等的电晕损耗等。因此，为减小电晕损耗，增大品质因数，可采取以下措施：①增大连接导线截面，如将连接线换成波纹管。②将实验设备布置更紧凑，缩短连接导线。③分压器、电抗器高压侧加装屏蔽罩。

现场耐压试验中，实际GIS的间隔数目不定，试品电容量也会随之变化，这将影响串谐装置的品质因数值。当试品两端输出电压值一定时，GIS试品电容量增大，由式（1）可知此时的谐振频率f值减小。若按照理想状况处理，不考虑回路电晕损耗与电压频率的关系，则品质因数随电容量增大逐渐减小。实际中，试品电容减小，谐振频率增大，电晕损耗增大，回路等值电阻增大，由式（4）可见此时的品质因数变化不定。

5 结语

调频式串联谐振现场耐压装置具有体积小、重量轻、电源能耗小、易满足现场耐压试验值等优点，可用于大容量GIS现场耐压试验。现场试验时，应根据GIS的电压等级和间隔数目估算所需电抗器及分压器容量，选择试验变压器输出电压等级。同时，为保证装置输出效率，应尽量减小试验回路中的电晕损耗引起的等效电阻，以提高回路品质因数，确保试品两端电压满足要求。

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