直流GIS 长期带电考核试验方案

邵苠峰，王 刚，魏建巍，陈江波，费 烨，李 辉，尹 晶

（1.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074；2.平高集团有限公司，河南 平顶山 467001）

0 引言

随着海上风电走向深远海和“平价时代”的到来，直流输电是降低海上风电成本的重要途径。目前，海上换流平台体积大、重量重、成本高，制约了直流输电在海上风电中的应用[1-2]。直流GIS（气体绝缘封闭组合电器）可替代海上风电换流站用线路侧敞开直流开关设备，相比现有的敞开式直流开关设备，直流GIS 占用空间可减少70%以上，可使海上换流平台体积减少约10%，大大节约了平台的建设成本。同时，直流GIS 还具有免维护、抗震性好等优点，这是陆上用直流开关设备的发展方向，可用于极线、中性线及换流变阀侧等多个位置，其主要包含隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、套管和电缆终端等元件，可根据工程拓扑灵活布置[3-5]。目前，国内外对相应直流GIS 设备的各部件均有相关的试验方法进行性能考核，但设备组装完成后，这类新设备在各类恶劣运行条件下整体性能还缺乏检测手段，无法掌握其在长期全工况下运行后的设备温升水平、局部放电（以下简称“局放”）水平以及绝缘性能状况。如果直接将此类新设备安装到电网中可能存在安全隐患，需对设备开展长期带电考核试验方案研究，提出相应的试验方法。

目前，国内外尚未开展直流GIS 长期带电考核试验方法的系统性研究，也未开展工程实践，对试验接线方式、考核项目和判断依据等关键因素掌握不深，对诸如在全工况下进行雷电冲击、操作冲击叠加试验时如何避免试验设备相互损坏等关键问题研究较少，在实际工程实践时，还需考虑现场安装时试验设备的安装姿态、试验设备布置等一系列问题[6-9]。

1 直流GIS 长期带电考核关键因素

绝缘性能是考核高压设备的关键参数，目前设计的应用于海上风电的直流GIS 主要包括±200 kV 和±320 kV 2 个电压等级，其中±320 kV 直流GIS 还没有相关的试验标准对其绝缘耐受水平进行规定，CIGRE（国际大电网会议）电力材料和先进试验技术专委会给出了±320 kV 直流GIS 装置绝缘耐受水平的建议，如表1 所示。

表1 ±320 kV 直流GIS 绝缘耐受水平

为了充分考核GIS 的绝缘性能，更贴近设备运行时的真实状况，长期带电考核还应在额定运行工况下进行叠加雷电冲击和操作冲击的试验。同时，在典型结构下，GIS 内部最大场强一般在导体附近，对直流GIS 而言，绝缘材料的直流电导率与温度关系较大，但介电常数与温度关系较小，当导体温度发生变化时，其内部场强变化比交流GIS 更加剧烈，因此开展导体发热后的绝缘试验也是长期带电考核的关键[10]。

2 长期带电考核试验方法

为全面验证直流GIS 设备的性能，长期带电考核试验先从带电考核前的预试验开始，再开展正式带电考核试验。考核试验结束后，还应开展考核后的绝缘试验，从而全面验证设备的可靠性。

2.1 试验装置及参数选择

直流GIS 长期带电考核采用额定电压为1 400 kV、带极性翻转功能的直流高压发生器提供稳定直流电压，采用额定容量为300 MVA、额定电流为5 000 A 的升流器提供电流对设备进行加热，采用额定电压为2 400 kV 的冲击电压发生装置提供雷电波和操作冲击波。同时，考虑到叠加试验，为防止设备损坏，还需准备阻尼电阻和电容器。

2.2 带电考核前的预试验项目及相关要求

为确保直流GIS 满足试验工装要求，同时考核其绝缘性能，带电考核前应开展绝缘预试验，绝缘预试验绝缘水平参照表1 执行。试验项目除第1 节中提出的额定电压下叠加雷电、操作冲击试验外，还需开展极性反转带局放测量试验，考核直流GIS 绝缘能否承受极性反转时的直流跃变电压。另外参照GB/T 7674—2020《额定电压72.5 kV 及以上气体绝缘金属封密开关设备》等标准要求，还应开展外观检查、气密性试验和直流耐压等常规出厂试验。以±320 kV 直流GIS 为例，长期带电考核预试验主要试验项目及相关要求见表2。

表2 ±320 kV 直流GIS 长期带电考核预试验项目及相关要求

2.3 长期带电考核试验项目

长期带电考核重点应考察设备在运行状态下的各项性能，以及在正常运行状态下突然遭受雷电冲击、操作冲击后的设备状态。对于直流额定电流热效应等效试验，由于无法提供4 000 A 直流负载，本文采用交流升流器施加4 000 A 交流电流持续24 h 等效模拟导体发热状况[11-14]。主要试验项目及相关要求见表3。

表3 长期带电考核试验项目

2.4 带电考核后的试验项目

长期带电考核结束后，为验证设备绝缘未受到破坏，应按照表1 中的绝缘水平，参照GB/T 7674—2020 开展常规绝缘试验，具体试验项目见表4。

表4 长期带电考核后的试验项目

3 叠加冲击试验的长期带电考核试验技术

对于叠加冲击试验而言，需将直流高压发生器、冲击电压发生器和升流器等试验设备连接在同一回路中开展试验，直流高压发生器无法耐受雷电、操作冲击波，雷电冲击发生器无法长时耐受高直流电压，特别是在长期带电考核及预试验时，还需叠加电流，如不采取措施，试验时会出现设备损坏的情况[15]。

3.1 叠加试验的接线图

为解决这一问题，研究了一种通过组合升流器、直流高压发生器、冲击电压发生器、阻尼电阻和电容器的试验接线。当施加直流电压时，通过串联电容器隔离直流电压，防止直流电压损坏冲击电压发生器；当进行叠加冲击试验时，通过串联的阻尼电阻和并联的电容器防止雷电波或操作波入侵到直流高压发生装置中，避免装置损坏，同时还可以满足标准中雷电、操作冲击波的参数要求。试验接线原理如图1 所示。

图1 叠加试验接线原理

其中，GT为冲击发生器的点火球隙GAP。接线时，先将被试品通过出线套管与阻尼电阻Re和隔离电容器C0连接，再将阻尼电阻Re和直流高压发生器连接、隔离电容器C0与冲击电压发生器连接。升流器套装在形成环路的GIS 设备上单独供电。

试验回路现场布置如图2 所示。

图2 试验回路现场设备布置

3.2 叠加试验操作过程

由于升流器与壳体之间存在空间分布电容，在开展叠加冲击实验时，会对升流器产生暂态过电压冲击，升流器的一次绝缘水平较低，容易导致升流器发生线圈匝间击穿故障；另外，叠加试验主要是考核设备在运行温度下的绝缘性能，因此在叠加雷电、操作冲击试验前，应暂时将升流器停止工作并接地，叠加试验完成后，再恢复工作状态。

整个试验过程为：首先，启动直流高压发生器，将设备电压升至额定电压；其次，通过升流器输出4 000 A 额定电流（重载），完成直流电压长期考核；最后，将升流器关闭并接地，开展运行电压下的雷电、冲击波叠加试验，试验完成后，解除升流器接地并恢复供电。

4 长期电压考核试验方法验证

为验证试验方法的有效性以及是否具备工程实践的基础，先期按照该试验方案对±200 kV 直流GIS 开展长期带电考核试验[16]。试验绝缘水平见表5。

表5 ±200 kV 直流GIS 长期带电考核试验绝缘水平

先在试验大厅内开展绝缘预实验，现场布置如图3 所示。

图3 绝缘预试验现场布置

预试验结束后，转移到户外场开展长期带电考核，户外场现场布置如图4 所示。

图4 户外长期带电考核现场布置

户外长期带电考核试验结束后，将试品运回至试验大厅开展长期带电考核后的试验，如图5所示。

图5 长期带电考核后的绝缘试验现场布置

被试±200 kV 直流GIS 顺利通过长期带电考核全部试验，试验过程中未出现试验设备击穿或被试品损坏的情况，验证了本文所提试验方案的有效性。后续可按照试验方案开展±320 kV 直流GIS 长期带电考核试验。

5 结论

1）鉴于直流GIS 的结构特点，需考核其在运行温度下的绝缘强度，因此有必要开展长期带电考核特殊试验，验证直流GIS 设备的可靠性。

2）在进行叠加雷电冲击、操作冲击试验时，应在直流高压发生器侧串联阻尼电阻，在冲击电压发生装置侧串联电容器，避免试验设备间损坏。

3）按照本文的长期带电方案对±200 kV 直流GIS 开展了相应带电考核试验，试验效果良好。