基于串联谐振的地下变电站成套试验设备设计

何真珍

(国网上海市电力公司经济技术研究院，上海 200120)

随着上海城市建设发展，人口的密集程度不断增加，城市用电需求量持续增长，输配电线路电压等级日益提升，城市电网规模的不断扩大，对电力设备的可靠性要求越来越高。地下变电站往往处于高负荷的市中心区域，受土地资源、地下施工难度、设计施工费用等因素的限制，设备布置所处空间相对狭小，并且从经济角度考虑希望地下变电站层高和结构布置尽可能紧凑。气体绝缘金属封闭设备(GIS)具有体积小、可靠性高、结构紧凑的特点，采用GIS已成为地下变电站一次设备的典型设计[1-2]。

由于场地狭小、层高限制，给GIS设备的交接耐压试验带来较为不利的影响。在地面变电站常用的GIS交流耐压设备(串联谐振高压发生装置)因体积庞大、质量很大，所以在地下变电站进行运输、吊装以及布置就位时非常困难，因此在地下变电站采用小型化GIS耐压试验装置已成为一种趋势[3-4]。

由于设备处于室内封闭空间，耐压试验中高压部位需要与周围墙壁和接地金属体等保持足够的安全距离，常规的串联谐振高压试验装置现场搭建后高度较高，体积较大，可能面临安全距离不足等问题，导致无法施加标准规定的耐受电压，而不得不采取增强局部区域绝缘的临时措施，也是地下变电站GIS现场耐压试验需考虑的重要因素。因此，有必要研制一种适用于地下变电站的GIS大容量耐压装置。

1 地下变电站成套试验设备功能设计

按照GIS安装现场的电源、场地、运输等限制条件，结合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》、DL/T 474.4—2006《现场绝缘试验实施导则 第4部分:交流耐压试验》的要求，对成套试验设备的功能设计具体如下。

(1)额定电压。该成套试验设备的额定输出电压按照750 kV设计，以满足550 kV GIS现场耐压740 kV的要求，当然也完全能够满足252 kV及以下电压等级GIS现场耐压的要求。

(2)整体结构。成套装置采用气体绝缘金属封闭结构，试验中避免了外界环境干扰脉冲，无外露高压导体的电晕干扰。

(3)耐压升压方式。为减小体积，提高试验容量，采用串联谐振方式进行升压耐压试验。

(4)局部放电测量。由于是气体绝缘金属封闭结构，可以采用脉冲电流法进行局部放电测量，测量结果可与出厂试验值进行比对，判断被试设备内部绝缘状况。

(5)与被试GIS对接方式。成套装置在与550 kV GIS或者252 kV GIS对接时，需根据具体的GIS产品的结构尺寸设计连接法兰和通管。采用法兰对接方式，通过一次性装配可完成产品试验。成套设备的支撑设计成具有一定调整范围(5 cm)，以便适应与GIS对接面的装配误差，使过渡罐体方便与试品法兰接口对接。

(6)现场移动方式。成套设备除变频控制箱外接之外，所有高低压部件组合装配成一整体，试验中无需拆装，试验前吊卸的在指定地点，通过推车或牵引车进行移动。

(7)击穿保护。成套设备在试品击穿情况下，自动失谐，电压归零，不会造成本试验装置及装置操作控制元件失灵。

2 地下变电站成套试验设备结构设计

成套试验设备的设计兼顾550 kV及220 kV GIS的耐压试验及局放试验的技术参数要求，容量要求大，以便同时耐压多个间隔或者组合电器主变间连接通管(电缆)的要求。

成套装置主体部分包括下列设备，一次接线图如图1所示。

图1 成套装置主体部分一次接线图

经对多个地下变电站和户内变电站的GIS设备区空间布置、通道走廊、运输路径等的调研，最终确定成套试验设备的主体部分的外形尺寸：长<4.9 m，宽<2 m，高<3.5 m。

成套试验设备的整体结构，电源联接电抗器(低电位)处的肘型电缆附件，由电抗器(低电位)通过联接罐和550 kV盆式绝缘子串接电抗器(高电位)，通过800 kV盆式绝缘子联接隔离阻抗，再分支两个出口，一端通过盆子联接电容器，另一端通过盆子作为对接试品接口。

在分支电容器和出口的中心部件处，在隔离阻抗罐体上设有接地开关。设备的移动通过牵引车牵引或推车推动的移动方式。成套设备质量约7 800 kg。

2.1 电抗器(低电位)结构及参数

电抗器(低电位)结构及参数具体如下。

(1)外形尺寸：长1 620 mm×宽1 400 mm×高1 530 mm结构说明：通过肘型电缆进线，联接内部绕组1，在通过导电杆实现两绕组的串联，最终通过550 kV盆式绝缘子输出。

(2)设备质量：约1 400 kg。

电抗器(低电位)外形图如图2所示。

图2 电抗器(低电位)外形图

2.2 电抗器(高电位)结构及参数

电抗器(高电位)结构及参数具体如下。

(1)外形尺寸：长1 880 mm×宽1 500 mm×高1 580 mm。

(2)结构说明：550 kV盆式绝缘子输入电压，通过端部连接件联接内部绕组一，再通过导电杆实现两绕组的串联，最终通过800 kV盆式绝缘子输出。

(3)设备质量：1 550 kg。

(4)技术参数：额定电压750 kV，额定电流2.5 A，额定容量1 800 kvar，电感量995 H(1±5%)，品质因数≥60，非线性度≤1%，SF6气体绝缘，冷却方式气体自冷式，运行时间750 kV/2.4 A下连续运行10 min间隔8 h，在规定运行时间内绕组温升≤75 K。

电抗器(高电位)外形图如图3所示。

图3 电抗器(高电位)外形图

2.3 电容器结构及参数

电容器结构及参数具体如下。

(1)外形尺寸：长3 575 mm×宽1 170 mm×高1 270 mm。

(2)结构说明：800 kV盆式绝缘子输入电压，并通过导体联接电容器，电容器末端固定在壳体罐盖上，罐盖设有一接线柱，与电容器末端输出联接。

(3)设备质量：约1 250 kg。

(4)技术参数：额定电压750 kV，标称电容量350 pF，工频耐压水平1.1倍额定电压1 min，介质损耗因数≤0.3%，测量不确定度≤1%，装在SF6气体罐内，由高压臂、低压臂可测量高压电压，端部引出可注入方波。

电容器结构及参数外形图如图4所示。

图4 电容器结构及参数外形图

2.4 隔离阻抗结构及参数

隔离阻抗结构及参数具体如下。

(1)外形尺寸：长1 160 mm×宽1 810 mm×高2 930 mm。

(2)结构说明：800 kV盆式绝缘子输入电压，并通过导体联接隔离阻抗，下端用绝缘子支撑，上端通过导体联接电容器罐和输出，侧面装有接地开关和方波电极。

(3)设备质量：约1 650 kg。

隔离阻抗结构及参数如图4所示。

图5 隔离阻抗结构及参数

2.5 底盘结构及参数

底盘结构及参数如图5所示。

(1)外形尺寸：长4 600 mm×宽1 900 mm×高440 mm。

(2)结构说明：由200×200工字钢组成框架结构，中部用20号槽钢和200×200工字钢组合成中部支撑，设有电抗器安装孔、隔离阻抗安装孔、固定滚轮和调节支撑等。

(3)设备质量：约1 550 kg。

底盘结构及参数外形图如图6所示。

2.6 励磁变压器和变频柜

基于串联谐振原理的成套试验设备，由励磁变输入电压，由变频柜产生频率可调的输出信号，在试品电容和电抗器之间的30～300 Hz频率范围内产生谐振，品质系数可达40以上。励磁变压器为单相，额定频率50 Hz，工作频率30～300 Hz，额定容量60 kVA，额定输入电压0.35 kV/0.4 kV两种电压，低压可串/并联，额定输入电流171.4 A×2，额定输出电压25 kV，额定输出电流2.4 A，阻抗电压<6%(所有高压线圈与低压之间)，绝缘水平低压线圈对地5 kV/1 min，高压线圈对地27.5 kV/1 min，冷却方式ONAN，额定容量下运行60 min，线圈温升≤65 K，油面温升≤55 K。

变频电源额定容量75 kW(30～300 Hz范围内)，输入电压三相(1±10%)380 V，输入频率50 Hz，额定输出电压单相0～350 V(正弦波)连续可调，输出电压不稳定度≤1%，工作频率范围30～300 Hz，频率分辨率0.01 Hz，绝缘水平AC 3 kV/1 min，局部放电水平<5 pC，冷却方式强迫风冷，连续运行时间60 min(额定输出时)。

图6 底盘结构及参数外形图

3 局部放电测量结构设计

GIS是封闭式气体绝缘和环氧固体绝缘的混合绝缘系统，特点是在一个金属封闭体内充满SF6气体，用环氧浇注的绝缘子，把载流导体支撑在外壳上。

由于GIS内工作场强很高，就可能产生以下几种局部放电。

(1)载流导体表面缺陷，如有毛刺、尖角、设计不合理、导体表面的电场强度过高等，均会引起局部放电。由于导体周围全是气体所包围，这种局部放电又可称为电晕。

(2)绝缘体与导体的交界面上存在气隙，这种气隙可能是在产品制造时残留的，也可能是在使用中热胀冷缩形成的。气隙中分配的场强高，而气隙本身的击穿场强又低，于是在气隙中首先产生放电。

(3)浇注绝缘体中的缺陷，如气泡、裂纹等所产生的局部放电。

(4)在SF6中导电微粒在强电场下产生的局部放电。

脉冲电流法是目前较为灵敏的局部放电检测法，也是GB 7354推荐的一种成熟的检测方法，在变压器等电力设备局部放电检测领域得到较为广泛的应用。脉冲电流法的基本原理是：试品在加压情况下发生局部放电时，两端会产生一个瞬时的电压变化，此时如果经过一个耦合电容耦合到一个检测阻抗上，回路中就会产生一个脉冲电流，将该脉冲电流流经检测阻抗产生的脉冲电压予以采集、放大和显示处理，就可测定局部放电基本量。这种方法灵敏度高，是目前国际电工委员会推荐进行局部放电测试的一种通用方法。用脉冲电流法测量时，在示波器50 Hz扫描椭圆时，可以看到不同的放电图形。

本文设计了GIS内部缺陷模型，在GIS中人工造成不同位置上、不同类型的放电，测得这些放电的放电电荷、放电能量、放电相位以及两次放电间的时间间隔等参数，再分析其统计量及其分布。

这些局部放电，都可能导致整个GIS损坏。在绝缘体中的局部放电会腐蚀绝缘材料，会发展成电树枝，最后导致绝缘击穿。初期老化，局部放电量明显变化并增大；气泡壁附着放电生成物，材料炭化。中期老化，放电生成物侵蚀、扩大形成空洞，并向深层发展。末期老化，树枝状破坏性放电通道形成，绝缘最终破坏。

在SF6中的局部放电和绝缘体表面的局部放电，都会生成或分解出一些新的生成物，如在填充剂中有硅元素存在时，可能生成有导电性的SiF4，这就会污染SF6，从而降低其击穿场强，最终造成击穿或闪络。

目前GIS中局部放电的测量，在厂内主要是用脉冲电流法，可以得到以pC为单位的局部放电量；在现场往往由于环境干扰、升压装置自身干扰、高压试验接线干扰等，而采用超声波法或者特高频法，这两种方法的检测结果以mV为单位，与出厂试验值无法对比。

本文设计的升压装置由于采用了气体绝缘金属封闭结构，所有高压导体均内置，内外部的干扰信号都得到消除，因此可以在现场试验中应用脉冲电流法进行局部放电测量时。本装置采用并联直测法的试验线路。测试方法按GB 7354《局部放电测量》国家标准有关规定。测量的灵敏度高，可测得的最小放电量不大于1 pC。为了解决试验前用标准方波对局部放电量进行标定的问题，项目在隔离阻抗与试品GIS连接的部位增加了一个类似接地开关的方波脉冲注入装置，如图7所示。

图7 类似接地开关的方波脉冲注入装置图

图7中的接地开关与一般的接地开关的工作状态不同，它在插入时，与装置内部导体接通，与外壳绝缘，将校准的方波信号注入试验测试回路，在拉出时，它和外壳连接，处于接地导通状态，屏蔽所有外部信号。

4 耐压中击穿定位设计

在耐压试验中，若GIS试品绝缘状况不佳，则会出现击穿。击穿时会有高频高能量的电磁波和电流信号，利用一种基于振动测试的GIS现场耐压试验的击穿故障定位方法。该方法要事先在被试范围内的GIS外壳上布置多个振动传感器进行监测，采集GIS击穿故障发生时的振动信号，通过比较分析各测点信号间的幅值差和时间差来进行故障定位。

振动加速度传感器测到的击穿信号如图8所示。

图8 振动加速度传感器测到的击穿信号

与现有的人工听声音、事后测量SF6气室内分解物浓度等击穿定位方法相比，基于振动的定位法具有测试精度高，抗电磁干扰能力强的优点。通过振动测试来实现故障定位，避免了大面积解体检查的麻烦，从而有效地提高了现场施工进度，同时消除了由于大面积解体带来的质量隐患。该在定位中具体按照以下步骤实施。

(1)在被试范围内的GIS外壳上布置多个振动传感器进行监测，采集GIS击穿故障发生时的振动信号幅值随时间变化的信号；

(2)对各位置振动传感器进行编号n，其中n=1、2…，k；

(3)在所有振动传感器中，找出振动信号峰值最大的测试点m，其振动信号峰值为AmMAX；

(4)求出最早发生振动响应的测试点i，并定义该测试点的波峰位置为Ao，并将该波峰位置对应的时刻定义为时间零点to=0；

(5)求出各测试点波峰时刻相对于零点波峰时刻的时间差的绝对值Δtn，排序后得最大时间差ΔtfMAX；

(6)求出每个测试点的振动传播时间相对值δtn和振动幅值相对值δAn，其中δtn=Δtn/ΔtfMAX，δAn=An/AmMAX，其中An为测试点n的峰值；

(7)求出每个测试点的δAnx和δtnx的差值Xn=δAnx-δtnx；

(8)对Xn从大到小进行排序，排序前两位的两个测点之间的GIS区间即为击穿发生的故障区域。

定位过程的流程图如图9所示。

图9 定位过程的流程图

5 结语

本文研制了一种适用于地下变电站的GIS大容量耐压装置，不仅能够在地下变电站的狭小空间中完成各种耐压试验，而且能够保证有足够的耐压容量，以适应高电压等级的多间隔耐压试验需求。

该成套试验设备采用串联谐振原理提高试品容量，采用气体绝缘减少设备体积，采用金属封闭结构提高设备安全性，采用耦合电容器具备局部放电测量功能，从而研发一套具有大容量、小型化、可移动的交流耐压成套装置，并且具有脉冲电流法局部放电测量功能。