长距离GIL现场耐压试验研究

洪巧章，彭 飞，许立波

(南方电网能源发展研究院有限责任公司，广东 广州 510530)

0 引言

气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed transmission line，GIL)具有传输容量大、运行损耗低、环境影响小、结构紧凑等优点[1]，在高电压、大电流的输送要求下，GIL技术具有架空导线与地下电缆所不可媲美的优势。随着城市规模的日益扩大、用电需求的不断增长以及用地紧张等因素，GIL技术已经成为未来输电线路发展的必然趋势之一[2]。

GIL安装完成后，需通过现场耐压试验后，方可带电运行。根据国际大电网会议(CIGRE)和国家电网公司多年运行经验的统计，没有进行过现场耐压试验的GIL设备发生事故的概率非常高，经过现场耐压试验的GIL设备发生事故的概率相对较低。为尽早发现缺陷，及时处理和避免投运后发生事故，GIL现场安装完成后进行现场耐压是非常必要的。

因此，本文针对长距离GIL线路的现场耐压试验需求，提出了具有经济可行的耐压试验方案，为GIL输电技术的大规模应用提供理论支持。

1 GIL交流耐压试验

1.1 GIL绝缘缺陷分析

GIL线路发生绝缘故障的原因通常是由多方面因素引起的，由于施工现场环境复杂，运输和组装过程难免会对GIL造成一些微小的损害。常见的GIL绝缘缺陷类型有：金属微粒、毛刺、导体接触不良、支撑绝缘子缺陷、支撑绝缘子与电极接触面缺陷等，如图1所示。根据运行经验可得各种缺陷统计情况如图2所示。

图1 GIL常见绝缘缺陷类型

图2 GIL各种缺陷统计情况

1.2 GIL耐压试验要求

为检测安装现场GIL的绝缘性能以及运输、组装过程是否对GIL造成绝缘损害，需进行回路耐压试验，由于GIL工程有其固有特征，因此现场耐压试验需要根据相关标准确定。

本文根据国标GB/T 22383—2017《额定电压72.5 kV及以上刚性气体绝缘输电线路》[3]和DL/T 304—2011《气体绝缘金属封闭输电线路现场交接试验导则》[4]，并结合以往GIL现场交流耐压试验案例，研究确定GIL交流耐压试验程序。

1.3 GIL耐压试验参数

1.3.1 试验频率

理论上交流耐压试验的试验频率取工频，最符合实际运行情况，最为合理。但由于试验设备的限制，严格的工频频率在现场难以实现。为解决这一问题，经过大量研究试验，发现在较宽频率范围内，绝缘介质的电压分布基本相同，与存在绝缘缺陷的GIL的击穿电压相比，无明显的差别。

这个发现表明，在进行交流耐压试验时试验频可以在较宽的频率范围内进行选择。但当试验频率超过300 Hz时，会出现被试介质的极化发热问题，因此试验频率上限不得超过300 Hz。根据DL/T 304—2011《气体绝缘金属封闭输电线路现场交接试验导则》规定，GIL的耐压试验频率应在30 Hz到300 Hz之间。

1.3.2 试验电压

交流耐压试验电压的选取属于绝缘配合范畴，试验电压通过模仿GIL运行条件下内外绝缘承受的工作电压、内部过电压和雷电过电压达到试验目的。试验电压选取的过高，会导致试验设备造价的显著增加；试验电压选取的过低，则可能达不到试验要求。因此，试验电压的选取至关重要，同时在交流耐压试验时，试验电压的大小和耐受时间的选取具有相关性。

1.3.3 耐压时间

耐压试验的基本思路是通过提高试验电压的幅值，从而达到缩短试验时间的目的。当试验电压的幅值确定后，施加的时间就成为衡量设备绝缘水平的直接指标。经过研究人员的多年探索，IEC于20世纪80年代末提出了GIL交流试验的国际标准。参考该标准规程，GIL绝缘故障的主要原因是导体表面金属毛刺放电和绝缘子沿面放电导致的电击穿，一般不发生热击穿现象，故加压时间为1 min。

1.4 GIL耐压试验方法

变频谐振耐压试验方法具有设备质量轻、供电容量需求小、符合现场绝缘试验要求等优点，是目前高压及超高压GIL耐压试验的首选方法。

1.4.1 变频串联谐振原理

变频串联谐振耐压试验方法的基本原理是将电抗器和被试GIL组成串联谐振回路，通过调节电源频率使回路达到谐振状态，从而使被试GIL达到耐压值，此时电源只需提供系统消耗的有功功率。

如图3所示，在正弦电压U作用下，回路阻抗如式(1)所示。

图3 串联谐振原理图

式中：R为串联谐振回路的等值电阻；L为串联电抗；C为等值电容(包括电容分压器的电容和试品电容)。调节电源频率使XL-XC= 0时，回路阻抗Z-R达到谐振状态，此时被试GIL两端的电压值为电源电压的Q倍。谐振频率f0和电路品质因数Q的表达式如式(2)和(3)所示。

1.4.2 变频串联谐振装置

变频串联谐振试验装置是由变频电源、励磁变压器、电抗器和电容分压器组成。被试GIL与电抗器构成串联回路，分压器并联在被试GIL上，用于测量被试GIL上的谐振电压，并作为过压保护信号，变频电源输出电压经激励变压器耦合给串联谐振回路，提供串联谐振的激励功率。串联谐振耐压试验设备如图4所示。

图4 串联谐振耐压试验设备布置

2 长距离GIL绝缘试验

2.1 单相550 kVGIL整段加压

本文以规划中的武汉市GIL工程为例，对长距离交流GIL耐压试验方案进行研究。该工程为550 kV双回线路，GIL的电容参数为54.2 pF/m，长度为6.4 km，为国内最长的GIL工程。采用单相整段加压方式和单相分段加压方式分别进行耐压试验。单相整段加压方式如图5所示，双回GIL共计需要进行6次耐压试验。单次试验中，经核算单相GIL的电容量在0.346 88 μF左右，试验时电容量按0.35 μF进行计算，分压电容器取1 000 pF。

图5 单相整段加压方式

根据试验频率30 Hz以上的要求，计算可得串联电抗器等效电感的最大要求为80 H。

在40 Hz试验条件下，计算可得回路电流为52.08 A，考虑一定的裕度，要求串联电抗器的允许通过电流不小于60 A，耐压水平不低于651 kV(取592 kV试验电压值的1.1倍)。根据回路有功损耗计算变频电源选型范围。经计算回路无功功率QL为30.83 MVA，由于串联谐振回路的品质因数Q一般大于80，所以试验回路的有功损耗PLloss为385.4 kW，因此要求变频电源的输出功率大于400 kW，励磁变压器容量大于400 kVA。相关计算表达式如式(5)和式(6)。

2.2 单相550 kV GIL分段加压

单相分段加压方式如图6所示，GIL的两个分段相互独立，分段进行加压。耐压试验按相分段进行，因此双回GIL共需进行12次耐压试验。单次试验中，经核算单相每分段GIL的电容量在0.173 44 μF左右，试验时电容量按0.175 μF进行计算，分压电容器取1 000 pF。

图6 单相分段加压方式

根据频率30 Hz以上的要求，计算可得串联电抗器等效电感的最大要求为160 H。

在40 Hz试验条件下，计算可得回路电流为26.04 A，考虑一定的裕度，要求串联电抗器的允许通过电流不小于30 A，耐压水平不低于651 kV(取592 kV试验电压值的1.1倍)。根据回路有功损耗计算变频电源选型范围。经计算回路无功功率QL为15.41 MVA，由于串联谐振回路的品质因数Q一般大于80，所以试验回路的有功损耗PLloss为193 kW，因此要求变频电源的输出功率大于200 kW，励磁变压器容量大于200 kVA。

对上述计算结果进行分析可知，单相整段加压方式的试验次数较少，但对变频电源输出功率的要求较高；单相分段加压方式对变频电源输出功率的要求较小，但试验次数明显增加。

2.3 方案设备选型

可选取的耐压试验设备型号和技术参数如表1所示。

表1 试验设备

对于不同长度的GIL分别给出不同的试验建议方案，不同长度GIL耐压试验方案如表2所示。对于长度超过10 km的GIL，由于所需变压器容量较大，建议采用分段加压方式进行耐压试验。

表2 不同长度GIL耐压试验方案

2.4 试验现场设备布置

以试验单位现场试验经验，在良好的均压条件和气象条件下，可按200 kV/m进行绝缘距离控制，因此592 kV耐压绝缘间距可选为3 m，考虑一定裕度，建议保持4 m以上距离。

以2.1节中6.4 km GIL工程的现场试验为例，整段加压试验方案和分段加压试验方案的设备占地情况为：整段试验时试验设备占地范围为11 m×2.5 m，分段试验时试验设备占地范围为9 m×2.5 m。考虑4 m的绝缘距离后，整段试验时试验设备占地范围为19 m×10.5 m，分段试验时试验设备占地范围为17 m×10.5 m。GIL终端场中预留了10 m×20 m的试验场地，并且试验场地周围也预留了一定空间，试验场地可以满足耐压试验需求。

类似的，对于表2中其他长度的GIL现场试验，场地尺寸如表3所示。

表3 不同长度GIL试验场地尺寸

以表3中18 km长的GIL耐压试验为例，试验方案按3段分段加压方式，场地尺寸与设备布置方式有关，有29.45 m×10.5 m和18.5 m×12.7 m两种形式，如图7所示。

图7 试验设备布置

3 结论

本文基于对GIL典型结构和绝缘特性的分析，针对长距离GIL线路，提出单相整段加压方式和单相分段加压方式两种耐压试验方案，为GIL输电技术的大规模应用提供理论支持。主要结论如下：

1)变频谐振耐压试验方法由于具有设备质量轻、供电容量需求小、符合现场绝缘试验要求等优点，已普遍应用于GIL的出厂试验及现场验收试验，是目前高压及超高压GIL耐压试验的首选方法。

2)对于短距离GIL建议采用整段加压方式进行耐压试验，对于长度超过10 km的GIL建议采用分段加压方式进行耐压试验。