0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Substation，GIS）具有占地面积小、运行可靠性高、受外部环境影响小、检修周期长等优点，在国内外应用越来越广泛。SF₆气体是一种无色、无味、无毒、不可燃且透明的气体。处于均匀电场中，其绝缘性能较高，在4个大气压（405.3 kPa）下，其绝缘性能与变压器油相当，因此，SF₆气体作为绝缘介质被广泛应用于各个电压等级的GIS中^[1]。

但SF₆气体在低温环境下易液化，导致绝缘强度降低，而内蒙古冬季极低气温会达到-42.4 ℃，极限低温下部分SF₆气体液化后的压力值无法计算，因此对于GIS能否安全稳定运行无法进行验证。

充分考虑低温影响，特高压变电站内的GIS均安装于室内，并在GIS断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器等设备上加装伴热带，保证GIS正常运行，但由于特高压电压等级过高，母线及分支过长，不便安装于室内，因此采用降低母线GIS气室压力的方式，保证其正常运行。

本文通过对锡盟±800 kV换流站500 kV GIS母线降压后进行主回路绝缘试验，得出母线安全运行最低压力，以保证母线在低温环境下的安全稳定运行。

1 SF₆气体简介

SF₆气体为惰性气体，与空气及绝缘油的灭弧性能不同，SF₆气体主要靠自身的强电负性和热化性能灭弧，能够有效提高气隙的击穿电压，快速恢复绝缘强度，从而达到熄灭电弧的目的，其灭弧能力为空气的100倍。

SF₆气体在低温下易液化，导致绝缘强度降低，不同压力下，SF₆气体的液化温度值如表 1所示。从表 1可以看出，随着SF₆气体压力逐渐降低，液化温度也会随之降低，因此采用降低气压的方式，降低液化温度，达到保证冬季GIS绝缘强度的目的。

在一定温度下，实际气体压力与体积的关系曲线称为实际气体等温线，实际气体等温线的平直部分交汇处的温度称为临界温度。在临界温度时，使气体液化所需的最小压力称为临界压力。由于SF₆气体分子量大，分子间作用力强，理想气体状态方程的计算结果与实际偏差较大，因此，为方便应用，将气体温度、压力、密度的关系绘成状态参数曲线，如图 1所示^[2]。

由图 1可以看出，当气压约为0.25 MPa时，SF₆气体液化温度可达到-50 ℃。

2 母线降压主回路绝缘 2.1 试验对象

锡盟±800 kV换流站位于内蒙古锡林浩特市东30 km处，锡林郭勒盟地区冬季气温较低，针对GIS母线采用降低SF₆气体压力达到尽量防止气体液化的目的。但考虑到“微气候”现象，气象检测站检测到的极低气温（-42.4 ℃）与站址位置最低温度存在一定的差值，极限低温下部分SF₆气体液化后的压力值无法计算，是否能够安全稳定运行无法验证。因此，通过对气体降压后的500 kV GIS母线进行主回路绝缘试验，得出其安全运行的最低压力。被试GIS母线参数见表 2。

2.2 试验原理

主回路绝缘试验包括老练试验、交流耐压试验、局部放电测量^[3-4]。老练试验可将GIS内部由于装配或现场安装产生的导电或非导电微粒转移到低电场区域。在该区域这些微粒对设备的危险性减低，甚至没有危害，同时，通过放电烧掉细小的微粒或电极上的毛刺、附着的尘埃等，达到“净化”试品的目的。交流耐压试验可以检出GIS在运输和安装过程中产生的机械、绝缘缺陷。局部放电测量有助于检查GIS内部多种缺陷，是设备安装后耐压试验的补充试验。

GIS主回路绝缘试验采用串联谐振电路，试验接线原理图如图 2所示。试验中，加压部分连接引线均使用直径400 mm防晕导线，以减小电晕损耗。

2.3 判断依据

如果GIS的每个部件均已按照选定的试验程序耐受规定的试验电压而无击穿放电，则认为整个GIS通过绝缘试验。

在试验过程中如果发生击穿放电，则应根据放电能量和放电引起的声、光、电、化学等各种效应及耐压试验过程中GIS闪络定位仪所提供的数据，判断放电部位，采取必要的检查、修复措施，再进行规定的绝缘试验。

3 现场试验 3.1 试验步骤

（1）进行主回路绝缘试验前，被试品的SF₆微水、纯度、绝缘电阻等各项现场试验应已完成并结果合格。GIS闪络定位仪探头安装完毕且能正常工作，确保每个气室都有探头。

（2）被试品GIS外壳可靠接地，被试品周围5 m内的所有电位悬浮的金属物体和结构体可靠接地。

（3）将试验设备组装好（不带试品），对其进行通电空试。交流耐压试验前后，用5000 V绝缘电阻表测量每相导体对地绝缘电阻，绝缘电阻不应有明显下降。

（4）将规定的试验电压施加到GIS被试段出线套管的导体上，其他相的导体与接地的外壳相连。

（5）合闸，在低电压下进行调谐，校核高压测量表头读数是否正确，回路无异常则开始平稳升压，密切注意高压测量表头、试验回路和被试电抗器的情况。

（6）进行老练试验。

（7）进行交流耐压试验。

（8）耐压试验结束后，将试验电压降至1.1 U_m/ （349 kV），进行局部放电测量。

主回路绝缘试验加压程序为：0→U_m/ （318 kV）持续5 min→U_m（550 kV）持续3 min；主回路对地耐压加压程序为：U_f（740 kV）持续1 min→1.1 U_m/ （349 kV）。加压流程如图 3所示。

整个试验过程严密监视GIS闪络定位仪。加压设备和被试品带电部分周围安全警戒线设置完备，现场安全员到位^[5-7]。

3.2 试验参数估算

估算条件：根据被试品生产厂家提供的数据，被试品电容量C_x约为550 pF，分压器电容量C_y约为1000 pF，总电容量C=C_x+C_y=1550 pF。串联3节300 kV/80 H的电抗器，则总电感L=240 H。

则谐振频率

试验频率在标准要求和试验设备输出的频率范围内。试验变压器高压侧额定输出电压U₁为25 kV，输入电压U₂为350 V。考虑充足的裕度，品质因数Q按80考虑。

依据以上条件可估算出：

（1）试品最大电流：

（2）试验变压器所需容量：

（3）变频电源柜输出最大电流：

（4）变频电源输入电流为：

（5）试验电源电缆截面积^[8]：

S₁＞25 mm²；

（6）变频电源柜输出电缆截面积^[8]：

S₂≥100 mm²。

3.3 降压试验流程

依据现场情况，制订试验流程如表 2所示，不断降低母线内气体压力，验证低气压下GIS内部的绝缘情况。

由表 2可知，本次试验从0.35 MPa开始降气压，每次降气压后，保持压力值恒定，均加压至740 kV。在加压过程中，若出现1次放电，不处理，再次进行试验，若通过，则补做2次；若试验未通过，则试验结束。图 4为现场整体试验回路。

4 试验结果

依据降压试验流程进行试验，前5次试验均没有出现放电情况，当气压降至0.22 MPa时，出现放电情况。按照判断依据，再次在0.22 MPa气压下进行试验，又1次出现放电情况，因此判断母线气压在0.22 MPa以上时，满足GIS主回路绝缘要求，可以达到安全运行的要求。由表 1可知，在0.3 MPa时，SF₆气体液化温度为-43.5 ℃，接近锡林郭勒盟气象检测站检测到的极低气温，在锡盟±800 kV换流站实际运行中将母线压力定为0.24~0.26 MPa，可在低温环境下保证GIS安全稳定运行。