电力系统中高压电气设备试验与安全设计

邓立群，李守成，王成琼

（内江职业技术学院，四川内江，641100）

0 引言

高压电气设备一般是对1 kV以上电力系统中发电机、变压器、电力线路和断路器的称谓。由于这类电气设备需要在高压环境中运行，高压环境意味着更大的电流和更严峻的安全隐患，因而对这类电气设备的安全试验贯穿安装、运行与维护的全过程。具体细分，试验内容又包括绝缘试验、局部放电试验、设备在线监测、电力变压器的状态监测、高压开关设备试验与状态监测等等诸多方面。本研究仅从绝缘试验与电气设备状态与在线监测展开分析与探讨。

1 高压电气设备绝缘试验

文章以某变电站中的气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）设备主回路绝缘检测为例展开本次研究。该变电站为330 kV的高压，其GIS的结构为三相分体，包含5个断路器间隔。当前，一般GIS设备作为基础组件，其中的小单元模块较多，一般会采取分离运输，集中到现场后再组装的配备方式。这样一来，在拆分、运输和再组装的过程中就会产生磕碰损伤、混入杂物的情况，而这些都会直接或间接地影响到设备的绝缘性能。基于此，一般工作人员会在设备到达现场后进行清理以及检查。为了安全起见，在GIS设备组装完成后还要电气交接试验，也就是主回路绝缘试验。

2 主回路绝缘试验

由于支持设备运行的电压高达330kV，存在较大的风险，试验操作的难度很大。然而，为了能顺利推进试验进程，工作人员必须保持谨慎态度，严格落实操作规范。准备工作是重要的一环，也是电气设备良好运行的安全保障。在开展试验之前，要对高压电气设备周围环境进行安全隔离，设置安全屏障及提示语，对设备结构的完整性进行检测和评估，确保设计环境温度达到标准要求。

2.1 试验准备工作

安全隔离措施是重中之重，具体可以从高压耐受部分、电力变压器、避雷器等基础构成设备着手，采取安全可靠的隔离措施，减少不必要的风险。落到实践，就是确保空气绝缘距离超过10m，对于测试设备周围的金属物体务必要做好接地处理，杜绝安全隐患。

在确保待测GIS设备的结构完整、性能稳定后，可通过向其内注入SF6气体（必须足量且成分满足要求）展开检测。根据检测结果，提取数据制成SF6气体温度-压力曲线示意图。再结合试验条件，对结果进行分析与评估，得出最终结论。假设试验环境为20℃，那么断路器、隔离开关的气室内压则要超过0.5MPa，套管的气室压力大于0.48MPa。此外，其他各类气室的压力均应超过0.36MPa。同时，还应将气体压力控制在一定范围内，避免异常波动，将其静置24h后，再开展微水测量。

对于电流互感器，本研究配备了二次绕组，针对这部分展开短路和接地设置，以准确评估试验频率，根据频率参数是否会使得电压互感器变得饱和展开判断，如果结果是否，则可继续开展耐压试验。注意，二次绕组必须保持开路。

元件的合分闸指示情况也不可忽视，具体包括断路器、隔离开关是否合闸，这对于安全操作是重要且不可跳过的一个步骤。

各气室的布置方式和尺寸是关乎能否科学、合理配置电气设备的重要参考条件，因为直接关系到GIS闪络定位仪的配备规格、数量和间隔距离。如果进行耐压测试时，其中气室被击穿，可以通过仪器所监测到的最大值展开分析，获取准确的数据，及时定位存在击穿情况的气室。这样既可以提升检测效率，又可以排除安全隐患，能为安全作业提供一定保障。

环境温度也是影响GIS主回路绝缘试验结果的重要因素之一，因而在进行准备工作时也应重视对温度的分析。通常情况下，设备测试环境温度一般在5℃以上，湿度也应在80%以下。如工程试验遇到多雨天气，现场存在积水情况，则应提前做好排水、防水等措施，保持现场场地整洁，增设防水器具，同时对近期的天气情况保持关注，选取合适的时机开展试验。

2.2 现场试验

GIS主回路中，串联谐振电路是关键的组成部分，其试验接线原理如图1所示[1]。

图1 试验接线原理示意

在图1中，T是励磁变压器，属于谐振电抗器；C是试品等效对地电容；D是电容分压其；C1、C2是分压电容。

由于加压处连接引线的电压一般较高，在这类特殊的条件下展开实验，如果还采用普通参数的加压线，势必会出现电晕过大的情况，因此最好是更换合适参数的加压线，例如φ500mm的防晕导线。

2.2.1 试验过程

本次试验分阶段进行，同时还包括加压流程。

首先，进行老练试验。加压过程分两个阶段，先将电压从0升至209kV，保持10min，然后升至363kV，保持20min，注意记录运行过程中的最大电压，一般设为Umax。

其次，进行交流耐压试验。加压的步骤是从363kV升至408kV，然后保持1min，将此作为试验电压，记作Utest。

最后，开展局部放电测量试验。在老练试验和交流耐压试验的基础是哪个，对测试电压进行下调，直至降到363kV，将这一参数保持30min，其间继续试验。

2.2.2 局部放电测量

局部放电测量采用的方法是超声波测量法，在GIS设备外部上分布测量点，各测量点之间的距离设置为1m。此外，部分关键装置例如断路器的端口、接地刀闸、避雷器以及电压互感器等也需要设置测点。只有这样，才能获得全面而具体的测量数据。在分布设点时，建议将测点设置在气室下方。试验后及时对检测图谱展开分析，以便尽快确认是否存在放电的可能。

2.2.3 试验注意事项

（1）对GIS闪络定位仪及时进行全方位的检查，并结合规范要求科学判断其运行状态，排除异常情况发生的可能。

（2）严格按照图纸规范安装试验各组件，对设备做升压测试。

（3）依据流程有序完成准备工作中的老练试验和交流耐压试验，将各环节具体细分工作认真落实到位，规范推动试验完成。

（4）在开展耐压试验之前和试验之后都应精确测定各相导体对地的绝缘电阻，收集各项数据并做好记录，分析和对比各项参数后，判断试验指标的完成情况。安全情况下，前后数据应大体一致，波动在可控范围内。

2.2.4 试验判断的基本思路

只有GIS设备接收试验的各部分能耐受试验高压，且气室不存在击穿放电问题，经超声波局部放射测试信号没有异常，才能说明试验效果是良好的，测试部件在一定程度上达到要求。

假如发现存在击穿放电现象，可以通过GIS闪络仪在被测过程中具体的数据形成科学合理的判断。如有必要，可重复一次试验，如果二次试验没有发生击穿放电现象，则表示通过试验。如果还存在异常，那么就要对具体的闪络仪所在的气室进行分解操作，仔细盘查其内部的各个部件，确认是否有绝缘损坏的部分，如果有，还要根据实际情况判断损坏程度，进而采取有针对性的维修措施。修复之后再继续做耐压试验，直到实现最终的目标为止[2]。

在进行局部测试试验时，如果放电信号属于典型的局部放电，那么在之后的试验流程中，例如老练试验环节，还要重新围绕这种情形展开测量，如果不再出现局部放电情况，说明已经满足了要求。在老练试验环节还出现这类信号，那么可以采用特高频法，锁定放电源并进行修复。对于情况严重异常的，还有必要进行严格的解体检查和修复，最后也需要进行绝缘测试，直到检测结果完全合乎标准，方可停止[3]。

2.3 分段耐压试验

（1）确定实施方案。为了避免耐压试验次数多次重复，除了严格确认各项参数外，还要致力于提升操作的准确率和便捷性。经实际优化和论证后，本研究提出分两阶段展开实验。

（2）估算待测试设备的电容量。待测试设备的电容量大致数据如表1所示。

（3）估算试验参数。各相最大电容量确认后可展开下一步分析。假设待测试设备最大的电容量为Cx，这里大概是18 503pF，分压器的电容量Cy，大致为330pF。将测试环境中300 kV/80H电抗器串联，共有四节，这样可得总电感L=320H[1]。

根据上述参数，谐振频率获取公式如下：

本研究中的试验结果显示，当频率处于40～90Hz时，可以完美实现TV空载电流频率的目标。

从试验各阶段的获得的参数可知，试验没有发生击穿放电的现象，各相位绝缘电阻在试验中波动较小，保持着相对而言较未定的状态，经超声波局部放射，信号也正常。以上说明该GIS设备的主回路绝缘测试的结果很好，符合进一步投入运行的部分标准。

3 试验的关键操作点

鉴于两个阶段的试验都已经顺利推进，且是一次通过，说明本研究提出的试验方法可行性较强。总结本次试验的各项流程，主要指出以下几项关键操作。

3.1 电容控制

待测试的设备由于电容较大，试验的难度系数较大，必须采取合理的控制手段。比如确保其中的变频电源、励磁变压器的容量都达到标准。此外，对分压器和电抗器这两类装置而言，其试验电流被控制在允许的范围内也很有必要。在具体展开试验时，应尽可能减少绝缘部件接受重复耐压试验的次数，提升试验效率。为了能顺利推进试验工作，本研究建议将试验分为不同的两个阶段，分批进行耐压测试，有序进行。具体试验也表明，这样的方案结果更准确，效率更高。

3.2 接地措施

由于试验处于高压环境，对于周边悬浮的导体必须采取有针对性的安全接地措施。首先，在开展试验时，（1）应提前确认电缆沟停止作业，避免受电压影响，出现击穿反击的问题。（2）科学设置控制台的安全位置，确保与一次导体之间的距离不小于20m。（3）加强对参与人员的自我安全意识培训，嘱咐其做好各自的安全防护，例如佩戴绝缘手套等防护用具，保证所处位置在绝缘垫上，从多角度保证安全作业。其次，在试验前采取接地保护措施。具体包括滑动支撑件的接地线和GIS设备外部接地点等等，避免在进行局部放电检测时威胁操作人员的人身安全。此外，试验前和试验后都应该合理安排对绝缘电阻的测试、数据采集以及参数记录，这样有助于纵向对比和分析绝缘电阻的情况，清晰了解电阻的变化特征。最后，要确保电压互感器处于开路状态，即电压互感器中性点接地连线被取下， 避免连线末端单一打开，进而影响测试结果。

3.3 击穿放电措施

在试验中，如果发生击穿放电的现象，应及时采集GIS设备中闪络仪收集的数据，对这些数据进行分析和判断，最终锁定放电的位置。对有击穿放电的部位进行修复，并重复进行耐压试验，直至满足要求；如果多次不满足要求，还可以考虑将击穿设备做解体分析，详细监测并修复后按照最初的方案实施测试，全部通过后方可说明完成了主回路绝缘试验。