CN105445629A - 一种500kV GIS设备的交流耐压试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种500kV？GIS设备的交流耐压试验方法，包括以下步骤：步骤(1)试验前准备：断开高压电缆、架空进线、变压器与GIS设备的连接，检查试验仪器后，将试验仪器与GIS设备连接形成交流耐压试验回路；步骤(2)分段加压试验：在最高运行相电压对GIS设备逐步施加交流电压进行老练试验15min，然后操作断路器、隔离开关及接地刀闸，并升压至耐压值进行1min的交流耐压试验，记录谐振回路的品质因数、谐振频率、试验容量、试验电流和励磁变压器容量，然后判断GIS设备是否出现故障。本发明采用串联谐振耐压装置对GIS设备进行交流耐压试验，输出电压波形好、升压平稳，不会对被试品和试验设备产生破坏。

Description

一种500kV GIS设备的交流耐压试验方法

技术领域

本发明属于交流耐压试验技术领域，尤其涉及一种500kVGIS设备的交流耐压试验方法。

背景技术

GIS设备(gas-insulatedmetal-enclosedswitchgear)是指气体绝缘金属封闭开关设备，它是由断路器、隔离开关、接地刀闸、避雷器、电压互感器、电流互感器、套管和母线等原件直接联结在一起，并全部封闭在接地的金属外壳内，壳内充以一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。GIS具有结构紧凑、占地面积和空间占有体积小、运行安全可靠、安装工作量小、检修周期长等优点。

GIS在工厂整体组装完成以后进行调整试验，在试验合格后，以运输单元的方式运往现场安装工地。运输过程中的机械振动、撞击等可能导致GIS原件或组装件内部紧固件松动或相对位移。安装过程中，在联结、密封等工艺处理方面的可能失误，导致电极表面刮伤或安装错位引起电极表面缺陷；空气中悬浮的尘埃、导电微粒杂质和毛刺等在安装现场又难以彻底清理。这些缺陷如未在投运前检查出来，将引发绝缘事故。统计表明，GIS的绝缘事故中约有2/3发生在未进行过现场耐压试验的设备上。

交流耐压试验是鉴定电力设备绝缘强度最直接和最有效的方法。交流耐压试验符合设备绝缘实际运行情况，能有效地发现上述绝缘缺陷。故交流耐压试验在电气设备绝缘的各项试验中，是一项具有决定意义的试验。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种500kVGIS设备的交流耐压试验方法。

本发明的技术方案如下：一种500kVGIS设备的交流耐压试验方法，包括以下步骤：

步骤(1)试验前准备：断开高压电缆、架空进线、变压器与GIS设备的连接，检查试验仪器后，将试验仪器与GIS设备连接形成交流耐压试验回路；

所述试验仪器为变频式串联谐振耐压装置，所述变频式串联谐振耐压装置由变频电源、励磁变压器、电抗器和分压器组成；

步骤(2)分段加压试验：在最高运行相电压对GIS设备逐步施加交流电压进行老练试验15min，然后操作断路器、隔离开关及接地刀闸，并升压至耐压值进行1min的交流耐压试验，记录谐振回路的品质因数、谐振频率、试验容量、试验电流和励磁变压器容量，然后判断GIS设备是否出现故障；

GIS设备的耐压值为出厂试验时施加电压的80％，试验电压施加到每项主回路和外壳之间，每相一次，其他相应的主回路应和接地外壳相连，每个部件都至少施加一次试验电压，并避免设备部件多次重复耐压。

本发明利用串联谐振耐压装置进行GIS设备的交流耐压试验，可以利用较低电压、较小容量的变压器对大容量GIS设备进行耐压试验。

GIS设备交流耐压试验中通过变频电源将三相工频电源变为频率和电压可调的电源输出，通过调节电源频率使试验回路中的感抗等于容抗，电路发生串联谐振，使电感或电容两端获得一个等于励磁变输出电压Q倍的电压，Q为谐振回路的品质因数：

$U_C=I\×X_C=\frac{U}{\sqrt{R^2+{(X_L-X_C)}^2}}\×X_C,$ 当回路发生串联谐振时，试验回路中的感抗等于容抗X_L＝X_C，此时：

$Q=\frac{U_C}{U}=\frac{X_C}{R}=\frac{1}{\mathrm{\ω}CR}=\frac{\mathrm{\ω}L}{R}=\sqrt{\frac{L}{C}}/R---\left(1\right)$

U—励磁变输出电压，I—励磁变输出电流，R—串谐系统等效电阻，U_C—串谐输出电压，ω—角频率，ω＝2πf；L—电抗器电感量，H。

由式(1)可知，Q的大小与回路中的电感值、电容值和电阻值有关，而在电抗器的电感值远大于回路中等效电感、回路中的等效电容基本恒定不变的情况下，减等效电阻可以达到提高Q值的目的。

回路中的等效电阻包括电抗器直阻、励磁变等效电阻和回路中电晕损耗等效电阻。其中电抗器直阻和励磁变等效电阻基本不变，所以降低回路中电晕损耗对降低回路中的等效电阻起到关键作用，试验时为了降低电晕损耗，应尽量选择晴天空气较干燥时进行，一次引线应尽量使用防晕导线并尽量缩短其长度，一般不宜使用裸铜线，加压套管处应加装均压环，电抗器应对地绝缘、表面干燥清洁。

所述GIS设备的交流耐压试验回路发生谐振，X_L＝X_C，即ωL＝1/ωC，则回路谐振频率按式(2)进行计算：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{LC}}---\left(2\right)$

f₀—谐振频率，Hz；

L—电抗器电感量，H；

C—被试GIS设备和分压器电容量，F。

所述GIS设备的交流耐压试验回路中流过的电流等于流过电抗器的电流等于流过被试GIS设备的电流，试验电流可按式(3)进行计算：

I＝I_L＝I_C＝ωCU_C(3)

I、I_L、I_C—试验回路中的电流或流过电抗器或被试品的电流，A；

ω—角频率，ω＝2πf；

U_C—被试GIS设备两端的试验电压，kV。

所述GIS设备的交流耐压试验回路中试验容量等于被试品两端的试验电压乘以流过它的电流，可按式(4)进行计算：

P_S＝U_CI_C＝ωCU_C ²(4)

P_S—试验容量，kVA。

所述GIS设备的交流耐压试验中励磁变压器容量应大于式(5)的值，变频电源容量等于励磁变压器的容量：

$P=\frac{P_S}{Q}---\left(5\right)$

P—励磁变压器容量，kVA；Q—试验回路品质因数。

谐振时，试验电源所带负荷几乎为纯阻性的，输入功率也仅为被试品容量的1/Q，即其中P_S为试验容量。本发明使用串联谐振耐压装置，可以利用较低电压、较小容量的变压器对大容量GIS设备进行耐压试验。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明采用串联谐振耐压装置对GIS设备进行交流耐压试验，串联谐振耐压装置输出电压波形好、升压平稳，若在试验过程中发生闪络、击穿放电，系统会因失去谐振条件而使试品上的高电压立即消失，从而不会对被试品和试验设备产生破坏。

附图说明

图1为GIS设备的现场交流耐压试验的加压程序图；

图2为普洱换流站的GIS设备#1M及其所带间隔耐压试验带电范围图及相应刀闸、地刀状态；

图3为普洱换流站的GIS设备#2M及其所带间隔和#2MB相处理后耐压试验带电范围图及相应刀闸、地刀状态；

图4为普洱换流站GIS设备的#2母线B相故障排查带电范围图；

图5为普洱换流站GIS设备的#2母线B相故障排查带电范围图；

图6为普洱换流站GIS设备的5011间隔CT气室故障排查带电范围图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

以下实施例对普洱换流站的GIS设备进行现场交流耐压试验，被试GIS设备由厦门ABB高压开关有限公司生产，其相关技术参数如表1所示，被试GIS设备单相对地电容量约为65nF。

表1

实施例中采用的变频式串谐装置耐压装置主要由变频电源、励磁变、电抗器、分压器组成，其主要技术参数如表2所示。

表2变频式串联谐振耐压装置主要部件技术参数

交流耐压试验的最高电压为592kV，由表1所示的设备参数可以看出，每节电抗器的额定电压为200kV，使用3节或4节电抗器均可以满足试验要求；试验用每节电抗器高约2.2m、重约4t，考虑到现场设备的安装和试验安全问题，遂决定采用3节电抗器进行试验。

每节电抗器的额定电感为100H，因此谐振回路的电感为300H，即L＝300H。若要在可调频率范围内发生谐振，按照全补偿的原则，将L、f值代人式(2)中，得到试验电容量的范围为：0.94nF＜C＜211nF。

当试验电容量为211nF、试验频率为20Hz时，此时的电流值为：I＝ωCU＝2×3.14×20×211×10^-9×59200＝15.6A，大于设备额定电流10A。当I＝10A时，计算可得试验电容量最大为85.6nF，此时谐振频率为31.42Hz。

由上述的分析计算可以看出，采用3节电抗器完全可以满足GIS设备的交流耐压试验工作。

GIS设备试验原则

GIS现场交流耐压试验电压值应为出厂试验时施加电压的80％，试验电压应施加到每项主回路和外壳之间，每相一次，其他相应的主回路应和接地外壳相连，每个部件都至少施加一次试验电压，并应避免设备部件多次重复耐压。现场一般只进行相对地交流耐压试验，在怀疑断路器和隔离开关的断口在运输、安装过程中收到损坏，或经解体，应做断口间的交流耐压试验。

GIS设备分段加压的选择

由于GIS设备间隔较多，电容量大，经过分析计算为了使试验顺利进行、试验设备保持一定的裕度，在试验时采用分段加压的方式进行。分段加压时容量的选择应尽量遵循容量均分的原则，以便按照相同标准，在同一个频率下考验设备的绝缘水平。

GIS设备试验加压程序

GIS设备的出厂试验电压为740kV，规程要求现场试验的耐压值为U_f＝740×0.8＝592kV，根据规程建议和与厂家商定现场试验加压程序为：在最高运行相电压进行老练试验15min，然后升压至耐压值U_f进行1min的交流耐压试验，如图1所示。

GIS设备的现场交流耐压试验

老练试验

由GIS的现场交流耐压试验程序可以看出，现场交流耐压试验的第一阶段是老练试验。老练试验是指对设备逐步施加交流电压，可以阶梯式地或连续地加压，其目的是将设备中可能存在的活动微粒杂质迁移到低电场区域里去，在此区域，这些微粒对设备的危险性减低，甚至没有危害；通过放电烧掉细小的微粒或电极上的毛刺、附着的尘埃等。

老练试验的基本原则是既要达到设备净化的目的，又要尽量减少净化过程中微粒触发的击穿，还要减少对被试设备的损害，即减少设备承受高电压作用的时间，所以逐级升压时，在低电压下可以保持较长的时间，在高电压下不允许长时间耐压。

交流耐压试验参数计算

(1)试验频率、试验电流计算

进行GIS设备耐压试验之前，与厂家确认设备安装情况。现场实际试验按照表3所示方式进行，试验时断路器、隔离开关、接地刀闸状态如表4所示，谐振频率、试验电流的理论计算如表5所示，试验时带电范围见图2和图3。

表3现场试验日期及被试设备间隔

表4试验时断路器、隔离开关、接地刀闸状态

表5谐振频率、试验电流理论计算

序号	电容量(nF)	谐振频率(Hz)	试验电流(A)
				1	43	44.33	7.09
2	41	45.40	6.92
				3	43	44.33	7.09
4	41	45.40	6.92
				5	41	45.40	6.92
6	25	58.14	5.4
				7	6	118.69	2.65
8	7	109.88	2.86

(2)试验容量计算

分别选取2组GIS(318kV时)进行试验容量的计算，如表6所示。

试验时励磁变低压侧采用350V端子输入，高压侧采用55kV端子输出，

所以励磁变的变比k_T＝55000/350＝157。

表6试验容量计算

由表6中数据可以看出GIS设备电容量和频率根据厂家提供的数据进行理论计算值和现场试验的实际值相差较大，其可能的原因是厂家提供的设备电容值偏大，而在理论计算时均按照最严苛试验条件进行，GIS设备断路器、隔离开关、接地刀闸的状态也对设备电容量有一定的影响。

GIS设备的现场交流试验安全控制措施

GIS试验区域大，试验监护较为困难。分部人员通过以下措施保证了试验的安全进行：

a)试验方案编写时即对试验过程中可能的风险进行了分析并提出了有针对性的控制措施。

b)试验前发布现场工作通知单，告知有关单位试验时间和安全注意事项，保证现场工作安全。

c)由于现场工况复杂，试验一般选择在其他单位作业人员中午休息或晚上下班后进行，这样大大降低了试验的风险。

d)购置带安全警示标识的围网替代传统的安全警示带，围住试验区域四周，对防止试验过程中人员的突然闯入，起到了良好的效果。

e)在人员有可能进入试验区域的位置派专人进行监护，及时发现，及时告知，及时制止，保证现场试验安全。

普洱换流站GIS设备耐压试验故障分析

在进行GIS设备交流耐压试验时，普洱换流站GIS设备分别有两次耐压未能通过。普洱换流站GIS设备发生闪络击穿的部位是#2母线U型转角处盆式绝缘子和5011间隔C相CT气室盆式绝缘子。

#2母线B相U型转角处盆式绝缘子故障

GIS试验采用分段加压的方式进行，在进行#2母线B相及其所带间隔试验时，加压位置为糯普丙线出线套管处，试验电压升至580kV发生了放电，再次升压至400kV就发生了放电，说明GIS内部存在固体绝缘击穿现象。由于不确定是母线还是加压间隔放电，所以采取如表7所示的方式进行排查，最后确定故障位置为#2母线B相U型转角处。

表7#2母线B相耐压试验故障查找

5011间隔C相CT气室盆式绝缘子故障

在进行#1母线C相及其所带间隔试验时，加压位置为极II低端换流变出线套管处，但电压升至590kV时，设备发生了放电，再次升压电压414kV再次发生放电，确认GIS内部存在固体绝缘击穿放电现象。为确认故障点，按照表8所示的方式进行了故障点的排查。

表8#1母线及其所带间隔故障排查过程

根据表8排查后，可以确认故障点位于5011间隔C相CT气室。解体发现故障位于该气室的盆式绝缘子，故障盆式绝缘子有4条明显的放电痕迹，这也与试验及故障查找时的放电次数是相符的，解体后发现均压帽有几道明显的擦痕。

故障诊断分析

两次放电故障均是导体均压帽对盆式绝缘子放电。从已经拆下来的均压帽上可以发现，两个均压帽底部均有受外力挤压或撞击后的痕迹，其中#2母线导体均压帽有一明显的凹痕，5011间隔CT气室均压帽有几道明显的擦痕，凹痕边缘的油漆受形变的影响产生裂纹，在耐压试验时该裂纹尖端通过盆式绝缘子对外壳放电，同时造成盆式绝缘子表面的绝缘被破坏。

造成耐压未通过的可能原因有以下几点：

a)在工厂做完出厂例行试验后，回装运输盖时不慎撞击造成均压帽变形，现场安装时未能及时发现该部件有问题；

b)运输过程中固定不牢靠，受路况影响颠簸引起均压帽变形，由于运输时每一个运输单元均加装了三向的震动冲撞加速度检测仪，所以运输环节导致绝缘子故障的可能性基本可以排除；

c)在现场设备安装前，拆卸运输端盖时不慎撞击造成均压帽变形，或吊装时不慎发生磕碰，引起均压帽变形。

Claims (7)

1.一种500kVGIS设备的交流耐压试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)试验前准备：断开高压电缆、架空进线、变压器与GIS设备的连接，检查试验仪器后，将试验仪器与GIS设备连接形成交流耐压试验回路；

所述试验仪器为变频式串联谐振耐压装置，所述变频式串联谐振耐压装置由变频电源、励磁变压器、电抗器和分压器组成；

步骤(2)分段加压试验：在最高运行相电压对GIS设备逐步施加交流电压进行老练试验15min，然后操作断路器、隔离开关及接地刀闸，并升压至耐压值进行1min的交流耐压试验，记录谐振回路的品质因数、谐振频率、试验容量、试验电流和励磁变压器容量，然后判断GIS设备是否出现故障。

2.如权利要求1所述的500kVGIS设备的交流耐压试验方法，其特征在于，GIS设备交流耐压试验的耐压值为出厂试验时施加电压的80％，试验电压施加到每项主回路和外壳之间，每相一次，其他相应的主回路应和接地外壳相连，每个部件都至少施加一次试验电压，并避免设备部件重复耐压。

3.如权利要求1所述的500kVGIS设备的交流耐压试验方法，其特征在于，GIS设备的交流耐压试验中通过变频电源将三相工频电源变为频率和电压可调的电源输出，通过调节电源频率使试验回路中的感抗等于容抗，电路发生串联谐振，使电感或电容两端获得一个等于励磁变输出电压Q倍的电压，Q为谐振回路的品质因数：

$Q=\frac{U_C}{U}=\frac{X_C}{R}=\frac{1}{\mathrm{\ω}CR}=\frac{\mathrm{\ω}L}{R}=\sqrt{\frac{L}{C}}/R---\left(1\right).$

4.如权利要求1所述的500kVGIS设备的交流耐压试验方法，其特征在于，GIS设备的交流耐压试验回路发生谐振，X_L＝X_C，即ωL＝1/ωC，则回路谐振频率按式(2)进行计算：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{LC}}---\left(2\right)$

f₀—谐振频率，Hz；

L—电抗器电感量，H；

C—被试品和分压器电容量，F。

5.如权利要求1所述的500kVGIS设备的交流耐压试验方法，其特征在于，

GIS设备的交流耐压试验回路中流过的电流等于流过电抗器的电流等于流过被试GIS设备的电流，试验电流可按式(3)进行计算：

I＝I_L＝I_C＝ωCU_C(3)

I、I_L、I_C—试验回路中的电流或流过电抗器或被试品的电流，A；

ω—角频率，ω＝2πf；

U_C—被试GIS设备两端的试验电压，kV。

6.如权利要求1所述的500kVGIS设备的交流耐压试验方法，其特征在于，GIS设备的交流耐压试验回路中试验容量等于被试GIS设备两端的试验电压乘以流过它的电流，可按式(4)进行计算：

P_S＝U_CI_C＝ωCU_C ²(4)

P_S—试验容量，kVA。

7.如权利要求1所述的500kVGIS设备的交流耐压试验方法，其特征在于，GIS设备的交流耐压试验中励磁变压器容量应大于式(5)的值，变频电源容量等于励磁变压器的容量：

$P=\frac{P_S}{Q}---\left(5\right)$

P—励磁变压器容量，kVA；Q—试验回路品质因数。