500 kV 交流场断路器串联谐振耐压试验电路模型的建立及应用

韦清化，张新波，袁瑞敏

（南方电网超高压输电公司电力科研院，广东 广州 510663）

0 引 言

直流输电工程的特点是电压高、容量大，如双回±500 kV 溪洛渡工程的容量最高可达6 400 MW，其带来的大量电能需要多个500 kV 变电站进行消纳。换流站容量越大，需要的滤波及无功补偿装置就越多，这需要较多的交流场来辅助完成工作[1-7]。

换流站的稳定运行关系整个电力系统的安全稳定，而换流站交流场设备的安全稳定是整个直流工程安全稳定的前提。因此，交流场设备投入运行前需确保无缺陷，这对交流场设备的交接试验提出了更高的要求[8-12]。

为了更灵敏地查出交流设备某些局部绝缘缺陷，考验被试品绝缘承受过电压的能力，对其进行交流耐压试验是最为有效的办法。通过观察交流耐压试验中电压、波形以及频率在被试品绝缘内的分布，将所测数据与实际运行情况相比，能有效发现绝缘缺陷[13-15]。

以某换流站交流场设备的交流耐压试验为例，结合交流场接线、断路器及其断口、电流互感器和支柱绝缘子等设备的实际情况，提出试验中频率、品质因数以及电晕的控制方法。

1 谐振系数在交流耐压计算中的使用

在工程应用中发生谐振时，可忽略电抗器电阻的影响，不论是串联谐振还是并联谐振，都将出现感抗等于容抗的现象，即

式中：ω为谐振时所加电压的角频率；L为谐振时的电感量，H；C为谐振时的电容量，F。

工频谐振耐压时，不论是串联谐振还是并联谐振，在工程应用中都可以忽略电抗器电阻的影响。谐振系数K的计算公式为

实际工程应用中，为便于计算，将谐振时的电容量换算为C'，单位为nF。取f=50 Hz，则谐振系数K50≈10 132。在2 组不同的频率下发生谐振，其谐振系数可通过50 Hz 下的谐振系数进行折算，即

频率为f时的谐振系数为

2 交流串联谐振耐压试验设计

在大型500 kV 交流场进行串联谐振耐压试验时，试验人员可以根据试品前后对比估算出对地电容的大小，如果变大则减小试验频率，如果变小则增大试验频率。在串联谐振交流耐压试验中使用到的设备见表1，接线如图1 所示。

表1 串联谐振交流耐压试验设备参数

图1 串联谐振耐压试验接线

在交流耐压试验电压大于500 kV 时，必须采用3节串联才能提供足够的电压来保证试验的顺利进行。当耐压试验电压小于375 kV 时，可采用2 节串联或2 节并联再外加1 节串联，可以达到调节试验谐振频率的作用。在某换流站的现场试验中，500 kV 交流场全场耐压试验采用第1 种连接方式，500 kV 断路器断口耐压试验采用第2 种连接方式。

3 全场耐压试验

某站内交流场的接线方式为3/2 接线，共有11串，每串有3 组断路器和3 组电流互感器，具体如图2 所示。

图2 交流场设备布置图

由于架空线路已连接至交流场，交流场主设备的耐受电压高达592 kV，即便解开架空线与交流场的连接部位，也无法提供足够的安全距离。在进行交流场设备耐压试验时，需要合上线路地刀，将耐压设备分别放在#1M 母线和#2M 母线。为了降低试验容量和减少试验接线，可采用单相母线加压。在#1M母线侧开展耐压试验时，采用3 串、4 串、4 串依次加压进行。

尽管在实际中每相设备对地的电容量会有所不同，但其差别对试验计算的影响可以忽略，选择电路模型时可以将每相设备对地的电容量视为相等。设每相母线对地的等效电容为Cx，每相断路器、电流互感器、支柱绝缘子及部分跳线对地的等效电容为Cy。考虑到试验总电容量包含了1 nF 的分压电容Cz，则3 串和4 串同时加压试验的等效电路原理如图3 所示。其中，B 为励磁变压器，L1、L2、L3为串谐电抗器。

图3 串联谐振耐压试验的等效电路原理

在3 串同时加压时，试验频率为77 Hz；在4 串同时带电时，试验频率为71 Hz。现场试验的串谐电抗器总电感量L1=450 H，当试验频率f2=77 Hz 时，试验总电容量C1≈9.5 nF；当试验频率f3=71 Hz 时，试验总电容量C2≈11.2 nF。由图3 可得

计算得出Cx=3.4 nF，Cy=1.7 nF。

4 等效电容的计算在断路器断口耐压试验中的应用

500 kV 断路器采用双断口开断电压，每个断口并联一个2 nF 的均压电容。在对断路器断口进行耐压试验的同时，也对均压电容进行极间耐压试验。因为均压电容在耐压试验时一定要用工频（45 ～65 Hz），所以在断口耐压试验时要使用工频电压。

如果采用普通的工频调感装置进行耐压试验。由于调感电抗器容量小，试验要分多次进行，工作量较大、效率低。通过断路器和刀闸的倒闸操作可以将交流场断路器断口分成若干等份，加压线直接接在母线上，并且刚好可以满足工频耐压的条件，这样就不必在试验过程中移动串谐装置，可以减少现场试验的工作量。

断路器断口的耐受电压为325 kV，采用3 节串联（电感量为450 H）、2 节串联（电感量为300 H）或2 并1 串（电感量为225 H）均可满足要求。由于试验频率在类工频45 ～65 Hz 之间，经过计算得出试验回路的总电容量范围分别为13.3 ～27.8 nF、20.0 ～41.7 nF 或26.6 ～55.6 nF。由此可见，试品电容在13.3 ～55.6 nF 时就可以使用现场的变频串联谐振装置进行工频耐压试验。

以某换流站的现场试验为例，将6 条母线（#1M和#2M 母线各3 条相线）全部带电，并使其中一串的刀闸与断路器全部处于合闸状态，保持#1M 和#2M 母线相连。在一串中的某一组断路器断口耐压试验时，仅有被试的3 台断路器被断开，中间采用人工挂地线的方式接地，其余的断路器和刀闸仍处于合闸状态。除了和母线相连的2 串设备，其余9 串设备均与母线断开。断口耐压试验接线如图4 所示。

图4 断口耐压试验接线

该操作模式可以将整个交流场断路器分成33 等份，通过倒闸操作和人工挂地线从2 侧母线加压，分33 次完成全场断路器断口耐压试验。

以单相单条母线对地电容量和单串单相断路器、电流互感器、支柱绝缘子及相关跳线对地等效电容量的计算结果为基础，计算得到6 条母线对地的等效电容量Cm=20.4 nF。2 串接入母线的设备中共有6 台单相设备，且被试断路器的一个断口电容约为100 pF，支柱电容约为200 pF，等效电容量Cn=10.2 nF，被试单组断路器的6 个均压电容量Ck=12 nF。

考虑分压器的分压电容Cz为1 nF，试验等效电路原理如图5 所示。

图5 断口耐压试验等效电路

经过计算，试验回路总电容量C为43.6 nF。如果少接入2 条母线，则试验回路总容量为36.8 nF，可以满足工频耐压试验要求。

为减少2 条母线的接入，现场将交流场11 串设备靠#1M 母线侧母线刀闸用铜线进行短接，每一串用一段铜线，在操作母线刀闸时约定全部只操作A相，正好实现用一相母线代替三相母线。此时电抗器的连接方式为2 串，总电感量为300 H，可计算出试验频率为47.9 Hz。

在实施断路器断口耐压试验时，试验频率为46.2 Hz，与计算频率几乎一致。由此可知，根据断路器一次对地耐压试验总结出的等效电容模型在断口耐压试验中得到了成功应用，同时也验证了该数据模型实际应用的可行性。

5 结 论

通过对换流站交流场断路器耐压试验的计算分析、操作实施，引入谐振系数可以快速准确地计算出串并联谐振交流耐压中的试验频率、需要补偿的电感量以及试品电容量。对于实施大型换流站交流场断路器一次对地耐压试验，提出了通过母线带多串设备同时加压的方法并成功付诸实施，极大地减少了试验工作量。通过建立试验的电路模型，计算出单相单条母线对地等效电容值、单串单相设备对地等效电容值，并将模型和计算结果成功应用到断路器断口交流耐压试验，成功验证了基于交流场断路器一次对地耐压试验提出的试验电路模型和计算结果的正确性。