淺談GIS現場交流耐壓試驗
1.引言
中國電網公司上海供電公司220kV王華變于2012年建成，局工程部擬定于2015年12月將其投入運行。由于1號主變在建成初期未進行GIS（氣體絕緣金屬封閉開關設備）現場交流耐壓試驗，加之未投運以達三年時間，所以，貴州送變電工程公司在2015年11月25日對GIS設備進行了現場交流耐壓試驗。
2.交流耐壓試驗的目的
GIS交流耐壓試驗是檢驗GIS設備絕緣性能的重要試驗之一,它對反應設備在制造及安裝過程中可能的絕緣缺陷直觀靈敏。
GIS設備大多是散件運抵現場后進行組裝充氣, 如果在運輸中內部零件有移位或安裝中內部有殘余雜物, 將改變原設計的電場分布。為檢查總體裝配的絕緣性能是否良好, 以防止意外因素導致的內部故障, 應進行安裝后的現場交流耐壓試驗。
3.交流耐壓試驗的方法
GIS耐壓試驗一般有三種方法，即利用工頻高壓試驗變壓器進行試驗，采用電抗器并聯補償進行試驗，采用串聯諧振裝置進行試驗。其中串聯諧振裝置又分為調感式串聯諧振耐壓試驗裝置和調頻式串聯諧振耐壓試驗裝置。此次試驗采用的就是調頻式串聯諧振耐壓試驗裝置。這套裝置體積小、質量輕、使用方便，得到了試驗技術人員的普遍認可。但由于試驗頻率是可調的,這與工頻試驗還是有區別的,通過相關理論和研究可知,頻率對氣體擊穿電壓的影響主要有:①在均勻電場中,300 Hz 以下的頻率對SF6 氣體擊穿電壓的影響是甚微的。在稍不均勻電場中,隨著電壓頻率的變化,擊穿電壓有較大的變化。②在極不均勻電場中,當SF6 氣體的密度大于0. 4 MPa 的情況下,交流電壓的頻率在數百Hz以內,擊穿電壓值基本不隨頻率的變化而變化。③在電場中存在導電微粒時,在一定的電壓下,微粒的跳動高度與電壓的頻率有關,頻率低,跳得高,頻率高,微粒在電場的作用下產生的加速運動尚未達到較高的速度時,電場方向使微粒改變運動方向,因而達不到一定的高度。當頻率上升到一定數值,微粒難以穿越氣隙時,使擊穿電壓偏高。試驗頻率的選擇對耐壓的效果是有影響的,但影響不大, IEC517和GB7674-2008 均認為試驗電壓頻率在10～300 Hz范圍內與工頻電壓試驗基本等效,所以《氣體絕緣金屬封閉開關設備現場交接試驗規程》規定,試驗電壓的頻率一般在10～300 Hz 的范圍內。
4.調頻式串聯諧振試驗裝置簡介：
4.1 裝置原理
發生串聯諧振的基本原理是：在R-L-C電路中由電工知識得到：Uc=I/ωC,UL=I*ωL，UR=I*R，U=Uc+UL+UR，當LRC串聯回路中的感抗與試品容抗相等時，電感中的磁場能量與試品電容中的電場能量相互補償，試品所需的無功功率全部由電抗器供給，電源只提供回路的有功損耗。電源電壓與諧振回路電流同相位，電感上的電壓降與電容上的壓降大小相等，相位相反。由圖1 可知，當 ωL=1/ωc，回路的諧振頻率 f=1/2π√LC，也就是說，電路發生串聯諧振，電源提供很小的勵磁電壓，試品上就能得到很高的電壓,電源頻率為諧振頻率。
4.2 裝置特點：
利用串聯諧振原理在回路中產生高電壓,一般頻率為10~300Hz。串聯諧振高壓發生器原理VF：變頻控制器 L1：高壓電抗器 Cx：試品 T1：勵磁變壓器 C1、C2：電容分壓器
當電源頻率(f)、電感(L)及被試設備電容(C)滿足下式時回路處于串聯諧振狀態。此時：f=1/2π√LC，回路中電流為I= US /R,被試設備電壓為UC =I/ωC，輸出電壓與勵磁電壓之比為試驗回路的品質因數：Q= UC/US=1/ωCR，由于試驗回路中電阻R很小，故試驗回路品質因數很大。一般情況下在30-50之間，即輸出電壓可達到勵磁電壓的50倍，因此用較低容量的試驗變壓器就能得到較高的試驗電壓。這樣就解決了在一般的交流耐壓試驗中試驗變壓器容量不能滿足試驗要求的問題。而此時電容量與電感的關系為ωL=1/ωC，因為對某個試品而言，電容量是固有的，試驗用可調電感的價格也非常昂貴，因此解決問題的途徑就引到了改變電源頻率回路的諧振頻率，在初始電壓下調節回路的頻率，觀察Uc的變化達zui大值時，增加或減小頻率時諧振電壓都要下降，這時的頻率為諧振頻率，這時的電壓為諧振點電壓，增加勵磁電壓就能升高諧振電壓，從而達到試驗電壓目的。另外，由于試驗回路是處于諧振狀態，回路本身具有良好的濾波作用，電源波形中的諧波分量在設備兩端大為減小，從而輸出良好的正弦波形。當試品放電或擊穿時，即回路中等值電容被短路，諧振條件被破壞，電壓明顯下降，恢復電壓上升緩慢，試品上不發生暫態過電壓，且電源供給的短路電流受到電抗的限制而減少，從而限制被試設備的損壞程度。
5.現場交流耐壓試驗過程
5.1 試驗依據
GIS 交流耐壓試驗施加電壓高,具有一定的危險性,同時,它又是一種破壞性試驗,為保證試驗有序安全順利地進行,根據《氣體絕緣金屬封閉開關設備現場交接試驗規程》規定,一般試驗方案的基本內容是:試驗分為老練試驗和耐壓試驗兩個階段,其中*階段老練試驗應在耐壓試驗之前進行,它通過施加的電壓并停留一段時間,可將設備中可能存在的活動微粒遷移到低電場區域,或通過放電燒掉細小的微粒或電極上的毛刺、附著的塵埃等。“老練凈化”時間為10 min ,電壓值為1. 0 倍設備額定相對地電壓,試驗范圍包括避雷器、電壓互感器在內的所有GIS 電器設備。第二階段為耐壓試驗,首先升壓至1. 73 倍額定相對地電壓,并保持3 min ,無異常后上升到現場交流耐壓額定值(為出廠試驗電壓值的80 %) ,保持1 min ,然后降壓至零,其試驗范圍不包括避雷器、電壓互感器等不允許耐壓的設備。對于避雷器、電壓互感器與母線之間若無隔離開關連接,則該部分設備需在耐壓試驗后才可安裝。試驗分相進行,被試相加壓,其余兩相短接接地。如GIS 的每一部件均已按選定的試驗程序耐受規定的試驗電壓而無擊穿放電則認為GIS 通過耐壓試驗。
5.2 試驗前準備
試驗前準備: ① 試驗儀器儀表準備、檢查;安全用品和起吊用具準備、檢查。②對GIS 設備巡視,檢查各斷路器及隔離開關位置正確。③ 斷開高壓電纜、架空進線、變壓器與GIS 的連接,并保持足夠的安全距離。④短接所有電流互感器的二次繞組并接地,電壓互感器二次繞組接地。⑤測試GIS 主回路絕緣。⑥確定試驗儀器的現場位置。
5.3 試驗注意事項
（1）在GIS 現場試驗過程中,試驗天氣的狀況對諧振回路的品質因數Q值影響很大,品質因數Q=UC/US=1/ωCR， R是試驗回路的總電阻,它包括引線和電感的固有電阻,也代表了高壓引線的電暈損耗及試品介質損耗的等效電阻且占的比例較大,隨著試驗電壓值的慢慢升高, 試驗回路中發生電暈, 有功損失的等效電阻R也會增加, 造成品質因數Q下降。研究表明,在陰天或空氣濕度較大的情況下, 品質因數Q值將減少30 %左右,由式UC=UL=QUS(UC為諧振時電容分壓器上的電壓,UL為諧振時電感上的電壓,US為勵磁變壓器輸出電壓) 可知,使得勵磁變壓器輸出壓增大,因此GIS的耐壓試驗一定要選擇晴天或空氣較干燥的情況下進行試驗。
（2）高壓引線須用的試驗聯絡線并連接可靠,以防在試驗過程中在外力和電動力的作用下造成引線松動引起閃絡,同時要考慮引線與套管的角度。
（3）試驗電抗器的底座下面不能有鐵磁性物質,如馬路的鋼筋網等, 避免漏抗造成對設備選頻的影響。
（4）試驗必須在SF6 氣體額定壓力下進行。
（5）試驗操作臺的接地線單獨引取,避免高壓放電時瞬間的高電壓通過地線傷及操作臺和操作人員。
（6）試驗電源嚴格按規定使用,電壓穩定,三相平衡,試驗過程中,附近不能有大型電氣設備的工作,如電焊機、真空泵、濾油機等。此外,電源線不能有纏繞、鉸接現象且不能直接從GIS 裝置上跨過。
6.結語
GIS 設備的耐壓試驗是檢查其絕緣性能的一項有效的措施,由于不同的GIS 設備的結構上區別,在進行試驗時如果發生放電所出現的現象也不是*一樣的,設備的任何一個內部缺陷都可能造成試驗的終止,正確判斷放電的位置和原因并制定出處理方案是關鍵,這就得依靠試驗人員細心的觀察,扎實的理論基礎以及豐富的試驗經驗,在每一次的試驗中不斷總結、積累。同時,勇于探索,敢于創新,采用更、更科學的試驗儀器和方法,完成每一次GIS的現場耐壓試驗,為其絕緣性能作出越來越可靠的技術鑒定。
