洪巧章，彭 飛，許立波

(南方電網(wǎng)能源發(fā)展研究院有限責(zé)任公司，廣東 廣州 510530)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉輸電線路(gas insulated metal enclosed transmission line，GIL)具有傳輸容量大、運(yùn)行損耗低、環(huán)境影響小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)[1]，在高電壓、大電流的輸送要求下，GIL技術(shù)具有架空導(dǎo)線與地下電纜所不可媲美的優(yōu)勢。隨著城市規(guī)模的日益擴(kuò)大、用電需求的不斷增長以及用地緊張等因素，GIL技術(shù)已經(jīng)成為未來輸電線路發(fā)展的必然趨勢之一[2]。

GIL安裝完成后，需通過現(xiàn)場耐壓試驗后，方可帶電運(yùn)行。根據(jù)國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)和國家電網(wǎng)公司多年運(yùn)行經(jīng)驗的統(tǒng)計，沒有進(jìn)行過現(xiàn)場耐壓試驗的GIL設(shè)備發(fā)生事故的概率非常高，經(jīng)過現(xiàn)場耐壓試驗的GIL設(shè)備發(fā)生事故的概率相對較低。為盡早發(fā)現(xiàn)缺陷，及時處理和避免投運(yùn)后發(fā)生事故，GIL現(xiàn)場安裝完成后進(jìn)行現(xiàn)場耐壓是非常必要的。

因此，本文針對長距離GIL線路的現(xiàn)場耐壓試驗需求，提出了具有經(jīng)濟(jì)可行的耐壓試驗方案，為GIL輸電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供理論支持。

1 GIL交流耐壓試驗

1.1 GIL絕緣缺陷分析

GIL線路發(fā)生絕緣故障的原因通常是由多方面因素引起的，由于施工現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，運(yùn)輸和組裝過程難免會對GIL造成一些微小的損害。常見的GIL絕緣缺陷類型有：金屬微粒、毛刺、導(dǎo)體接觸不良、支撐絕緣子缺陷、支撐絕緣子與電極接觸面缺陷等，如圖1所示。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗可得各種缺陷統(tǒng)計情況如圖2所示。

圖1 GIL常見絕緣缺陷類型

圖2 GIL各種缺陷統(tǒng)計情況

1.2 GIL耐壓試驗要求

為檢測安裝現(xiàn)場GIL的絕緣性能以及運(yùn)輸、組裝過程是否對GIL造成絕緣損害，需進(jìn)行回路耐壓試驗，由于GIL工程有其固有特征，因此現(xiàn)場耐壓試驗需要根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定。

本文根據(jù)國標(biāo)GB/T 22383—2017《額定電壓72.5 kV及以上剛性氣體絕緣輸電線路》[3]和DL/T 304—2011《氣體絕緣金屬封閉輸電線路現(xiàn)場交接試驗導(dǎo)則》[4]，并結(jié)合以往GIL現(xiàn)場交流耐壓試驗案例，研究確定GIL交流耐壓試驗程序。

1.3 GIL耐壓試驗參數(shù)

1.3.1 試驗頻率

理論上交流耐壓試驗的試驗頻率取工頻，最符合實際運(yùn)行情況，最為合理。但由于試驗設(shè)備的限制，嚴(yán)格的工頻頻率在現(xiàn)場難以實現(xiàn)。為解決這一問題，經(jīng)過大量研究試驗，發(fā)現(xiàn)在較寬頻率范圍內(nèi)，絕緣介質(zhì)的電壓分布基本相同，與存在絕緣缺陷的GIL的擊穿電壓相比，無明顯的差別。

這個發(fā)現(xiàn)表明，在進(jìn)行交流耐壓試驗時試驗頻可以在較寬的頻率范圍內(nèi)進(jìn)行選擇。但當(dāng)試驗頻率超過300 Hz時，會出現(xiàn)被試介質(zhì)的極化發(fā)熱問題，因此試驗頻率上限不得超過300 Hz。根據(jù)DL/T 304—2011《氣體絕緣金屬封閉輸電線路現(xiàn)場交接試驗導(dǎo)則》規(guī)定，GIL的耐壓試驗頻率應(yīng)在30 Hz到300 Hz之間。

1.3.2 試驗電壓

交流耐壓試驗電壓的選取屬于絕緣配合范疇，試驗電壓通過模仿GIL運(yùn)行條件下內(nèi)外絕緣承受的工作電壓、內(nèi)部過電壓和雷電過電壓達(dá)到試驗?zāi)康?。試驗電壓選取的過高，會導(dǎo)致試驗設(shè)備造價的顯著增加；試驗電壓選取的過低，則可能達(dá)不到試驗要求。因此，試驗電壓的選取至關(guān)重要，同時在交流耐壓試驗時，試驗電壓的大小和耐受時間的選取具有相關(guān)性。

1.3.3 耐壓時間

耐壓試驗的基本思路是通過提高試驗電壓的幅值，從而達(dá)到縮短試驗時間的目的。當(dāng)試驗電壓的幅值確定后，施加的時間就成為衡量設(shè)備絕緣水平的直接指標(biāo)。經(jīng)過研究人員的多年探索，IEC于20世紀(jì)80年代末提出了GIL交流試驗的國際標(biāo)準(zhǔn)。參考該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程，GIL絕緣故障的主要原因是導(dǎo)體表面金屬毛刺放電和絕緣子沿面放電導(dǎo)致的電擊穿，一般不發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象，故加壓時間為1 min。

1.4 GIL耐壓試驗方法

變頻諧振耐壓試驗方法具有設(shè)備質(zhì)量輕、供電容量需求小、符合現(xiàn)場絕緣試驗要求等優(yōu)點(diǎn)，是目前高壓及超高壓GIL耐壓試驗的首選方法。

1.4.1 變頻串聯(lián)諧振原理

變頻串聯(lián)諧振耐壓試驗方法的基本原理是將電抗器和被試GIL組成串聯(lián)諧振回路，通過調(diào)節(jié)電源頻率使回路達(dá)到諧振狀態(tài)，從而使被試GIL達(dá)到耐壓值，此時電源只需提供系統(tǒng)消耗的有功功率。

如圖3所示，在正弦電壓U作用下，回路阻抗如式(1)所示。

圖3 串聯(lián)諧振原理圖

式中：R為串聯(lián)諧振回路的等值電阻；L為串聯(lián)電抗；C為等值電容(包括電容分壓器的電容和試品電容)。調(diào)節(jié)電源頻率使XL-XC= 0時，回路阻抗Z-R達(dá)到諧振狀態(tài)，此時被試GIL兩端的電壓值為電源電壓的Q倍。諧振頻率f0和電路品質(zhì)因數(shù)Q的表達(dá)式如式(2)和(3)所示。

1.4.2 變頻串聯(lián)諧振裝置

變頻串聯(lián)諧振試驗裝置是由變頻電源、勵磁變壓器、電抗器和電容分壓器組成。被試GIL與電抗器構(gòu)成串聯(lián)回路，分壓器并聯(lián)在被試GIL上，用于測量被試GIL上的諧振電壓，并作為過壓保護(hù)信號，變頻電源輸出電壓經(jīng)激勵變壓器耦合給串聯(lián)諧振回路，提供串聯(lián)諧振的激勵功率。串聯(lián)諧振耐壓試驗設(shè)備如圖4所示。

圖4 串聯(lián)諧振耐壓試驗設(shè)備布置

2 長距離GIL絕緣試驗

2.1 單相550 kVGIL整段加壓

本文以規(guī)劃中的武漢市GIL工程為例，對長距離交流GIL耐壓試驗方案進(jìn)行研究。該工程為550 kV雙回線路，GIL的電容參數(shù)為54.2 pF/m，長度為6.4 km，為國內(nèi)最長的GIL工程。采用單相整段加壓方式和單相分段加壓方式分別進(jìn)行耐壓試驗。單相整段加壓方式如圖5所示，雙回GIL共計需要進(jìn)行6次耐壓試驗。單次試驗中，經(jīng)核算單相GIL的電容量在0.346 88 μF左右，試驗時電容量按0.35 μF進(jìn)行計算，分壓電容器取1 000 pF。

圖5 單相整段加壓方式

根據(jù)試驗頻率30 Hz以上的要求，計算可得串聯(lián)電抗器等效電感的最大要求為80 H。

在40 Hz試驗條件下，計算可得回路電流為52.08 A，考慮一定的裕度，要求串聯(lián)電抗器的允許通過電流不小于60 A，耐壓水平不低于651 kV(取592 kV試驗電壓值的1.1倍)。根據(jù)回路有功損耗計算變頻電源選型范圍。經(jīng)計算回路無功功率QL為30.83 MVA，由于串聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q一般大于80，所以試驗回路的有功損耗PLloss為385.4 kW，因此要求變頻電源的輸出功率大于400 kW，勵磁變壓器容量大于400 kVA。相關(guān)計算表達(dá)式如式(5)和式(6)。

2.2 單相550 kV GIL分段加壓

單相分段加壓方式如圖6所示，GIL的兩個分段相互獨(dú)立，分段進(jìn)行加壓。耐壓試驗按相分段進(jìn)行，因此雙回GIL共需進(jìn)行12次耐壓試驗。單次試驗中，經(jīng)核算單相每分段GIL的電容量在0.173 44 μF左右，試驗時電容量按0.175 μF進(jìn)行計算，分壓電容器取1 000 pF。

圖6 單相分段加壓方式

根據(jù)頻率30 Hz以上的要求，計算可得串聯(lián)電抗器等效電感的最大要求為160 H。

在40 Hz試驗條件下，計算可得回路電流為26.04 A，考慮一定的裕度，要求串聯(lián)電抗器的允許通過電流不小于30 A，耐壓水平不低于651 kV(取592 kV試驗電壓值的1.1倍)。根據(jù)回路有功損耗計算變頻電源選型范圍。經(jīng)計算回路無功功率QL為15.41 MVA，由于串聯(lián)諧振回路的品質(zhì)因數(shù)Q一般大于80，所以試驗回路的有功損耗PLloss為193 kW，因此要求變頻電源的輸出功率大于200 kW，勵磁變壓器容量大于200 kVA。

對上述計算結(jié)果進(jìn)行分析可知，單相整段加壓方式的試驗次數(shù)較少，但對變頻電源輸出功率的要求較高；單相分段加壓方式對變頻電源輸出功率的要求較小，但試驗次數(shù)明顯增加。

2.3 方案設(shè)備選型

可選取的耐壓試驗設(shè)備型號和技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗設(shè)備

對于不同長度的GIL分別給出不同的試驗建議方案，不同長度GIL耐壓試驗方案如表2所示。對于長度超過10 km的GIL，由于所需變壓器容量較大，建議采用分段加壓方式進(jìn)行耐壓試驗。

表2 不同長度GIL耐壓試驗方案

2.4 試驗現(xiàn)場設(shè)備布置

以試驗單位現(xiàn)場試驗經(jīng)驗，在良好的均壓條件和氣象條件下，可按200 kV/m進(jìn)行絕緣距離控制，因此592 kV耐壓絕緣間距可選為3 m，考慮一定裕度，建議保持4 m以上距離。

以2.1節(jié)中6.4 km GIL工程的現(xiàn)場試驗為例，整段加壓試驗方案和分段加壓試驗方案的設(shè)備占地情況為：整段試驗時試驗設(shè)備占地范圍為11 m×2.5 m，分段試驗時試驗設(shè)備占地范圍為9 m×2.5 m?？紤]4 m的絕緣距離后，整段試驗時試驗設(shè)備占地范圍為19 m×10.5 m，分段試驗時試驗設(shè)備占地范圍為17 m×10.5 m。GIL終端場中預(yù)留了10 m×20 m的試驗場地，并且試驗場地周圍也預(yù)留了一定空間，試驗場地可以滿足耐壓試驗需求。

類似的，對于表2中其他長度的GIL現(xiàn)場試驗，場地尺寸如表3所示。

表3 不同長度GIL試驗場地尺寸

以表3中18 km長的GIL耐壓試驗為例，試驗方案按3段分段加壓方式，場地尺寸與設(shè)備布置方式有關(guān)，有29.45 m×10.5 m和18.5 m×12.7 m兩種形式，如圖7所示。

圖7 試驗設(shè)備布置

3 結(jié)論

本文基于對GIL典型結(jié)構(gòu)和絕緣特性的分析，針對長距離GIL線路，提出單相整段加壓方式和單相分段加壓方式兩種耐壓試驗方案，為GIL輸電技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用提供理論支持。主要結(jié)論如下：

1)變頻諧振耐壓試驗方法由于具有設(shè)備質(zhì)量輕、供電容量需求小、符合現(xiàn)場絕緣試驗要求等優(yōu)點(diǎn)，已普遍應(yīng)用于GIL的出廠試驗及現(xiàn)場驗收試驗，是目前高壓及超高壓GIL耐壓試驗的首選方法。

2)對于短距離GIL建議采用整段加壓方式進(jìn)行耐壓試驗，對于長度超過10 km的GIL建議采用分段加壓方式進(jìn)行耐壓試驗。