0 引言

GIS（Gas Insulated Swichgear，气体绝缘金属封闭组合电器）因具有占地面积小、环境适应性好，以及供电可靠性高、安全性好等优点，在电力系统中得到了广泛应用。为了保证GIS安全可靠运行，国家有关标准要求，在新建、扩建及解体检修过程中，均需进行耐压试验，以检查其绝缘性能是否完好，防止运输、安装、调试等因素造成内部故障^[1]。在特高压输变电工程建设过程中，GIS外施工频耐压现场试验的主流方向是采用变频谐振装置^[1-8]。本文针对锡盟±800 kV换流站的特殊性，结合其他特高压变电站（换流站）GIS工频耐压现场经验，提出1种GIS工频耐压现场试验的优化方案，仿真结果表明该优化方案可行。

1 GIS外施工频耐压现场试验技术难点

锡盟±800 kV换流站地处内蒙古锡林浩特地区，冬季多有极端低温气候条件。截至目前，该换流站是世界上首座输电容量提升至10 GW的特高压换流站，所处纬度最高，冻土开挖最深，年有效施工时间最短。本站共39个间隔，单相母线长约1512 m（含分支母线）。

DL/T 555—2004《气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则》 ^[1]中规定：“在现场绝缘耐压试验中使用的交流电压频率一般应采用50 Hz，变化范围为45~65 Hz。当条件不允许时，也可采用30~300 Hz”。但在特高压工程中，一般会对设备技术条件做出更严格的要求，如在锡盟±800 kV换流站现场工频耐压试验中，设备技术条件规定的频率范围为45~65 Hz。500 kV GIS特殊交接试验是迄今为止电网各换流站中试验规模最大、实施难度最大、覆盖范围最广的一项试验任务，主要难点如下：

（1）GIS母线首次尝试降压运行，母线气室压力仅为0.4 MPa，比正常气室低20%，母线最多仅允许耐压2次，因此每次耐压试验所带串数须有保证；

（2）按照国家电网公司的要求，为了加大对GIS设备的考核力度，将特高压换流站GIS耐压值提高为出厂全电压（740 kV）；

（3）由于间隔数创新高，依靠现有的试验设备很难短期完成试验任务；

（4）工程施工单位多、作业面广，试验安全风险系数高。

基于以上特殊的现场试验环境及技术难点，提出了1种通过增加并联谐振电抗来提高试验设备带载能力的优化方案，以保证试验频率在45~65 Hz，并能满足试验所需电压要求。

2 变频串联谐振试验系统数学模型与试验方案的优化原理 2.1 变频串联谐振试验系统数学模型

根据GIS主回路绝缘试验接线原理构建的变频串联谐振耐压试验系统模型见图 1，系统由变频电源、中间变压器、补偿电抗器和电容分压器组成，模型各参数可根据以下公式计算。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

式中  f—回路谐振频率，Hz；

C_x —被试品等效电容，pF；

C_y —分压器电容C₁与补偿电容C₂的等效电容，C_y =C₁+C₂，pF；

C—试验装置等效电容，pF；

L—补偿电抗电感，H；

I_h—高压回路电流，A；

I_l—中间变压器低压侧电流，A；

M—中间变压器变比；

P—试验最大容量，MVA；

I₃—变频电源单相输入电流，A；

α—变频电源电流转换系数，通常取α=1.42；

U—高压侧谐振电压，kV；

U₀—中间变压器出口电压，kV；

Q₀—实际谐振回路品质因数；

Q—试验谐振回路品质因数。

2.2 试验方案优化原理

试验时通过调节试验系统的电感量和试验频率，使整个回路达到谐振状态^[9]。理想情况下电路阻抗为纯电阻，此时变频电源只需提供回路中消耗的有功功率，可大幅减小电源输入电流。

由于每次耐压试验所带串数增加，试品等效电容C_x将增大，根据公式（7），品质因数Q将大幅减小，试验频率也将大幅减小，可能出现谐振电压无法升至耐压值及试验频率不在规定范围内的情况。为解决这一难题，可适当减少补偿电抗电感L，将原来只用1串谐振电抗进行试验的方案更改为并联2串谐振电抗的优化方案，以减小谐振电抗电感。

3 案例分析 3.1 特高压变电站常规GIS耐压试验仿真分析

以鄂尔多斯1000 kV变电站GIS耐压试验为例，建立GIS耐压试验仿真计算模型，如图 2所示。

当回路等效电阻R=50 Ω，C=19.7 nF，L=320 H，f=63.5 Hz，M=50时，得到的仿真计算结果见表 1。

因现场试验回路中被试品出线套管存在电晕放电情况，造成负载增加，因此电流I_h存在偏差。实际运行工况中，由于现场防电晕措施较好，1000 kV GIS均压环尺寸对电压在639 kV以下的放电影响基本可忽略不计。类似地，对其他特高压变电站不同电压等级下的GIS耐压试验过程进行仿真计算，计算结果见表 2。

由表 1、表 2可以看出，仿真计算值与实际测量值基本一致，说明取回路等效电阻R=50 Ω符合工程应用实际，能够综合反映特高压变电站出线侧电晕放电、电抗器节间接触电阻与导线毛刺放电损耗的综合情况。

3.2 优化后GIS耐压试验仿真分析

基于锡盟±800 kV换流站的特点，试验中需尽可能减小试验设备及被试品电晕放电损耗，减小电抗串间环流。

（1）减小电晕放电损耗：试验前仔细检查防晕导线，减少局部破损形成的电晕放电点数量；联系电气安装单位拆除各侧出线引线后保留各均压环被试品，以减小电晕损耗。

（2）减小电抗串间环流：组装电抗器时注意测量同串节间交流电阻，若阻值过大应装设短接插线；做耐压试验时，使用钳形电流表测量两串电抗短接线的串间环流电流值。

根据锡盟±800 kV换流站现场实际布置方式，建立换流站GIS耐压试验仿真模型（见图3），对耐压试验进行仿真计算。

当取R=50 Ω，C=49.5 nF，L=140 H，f=69.8 Hz，M=44时，得到的仿真计算结果见表 3。

若不考虑电容的计算值与实际值之间的误差，I_l的测量值与计算值相差74 A。这是由于现场试验时，为减少设备的转场次数，提高设备摆放与电源布置的灵活性，在不同加压点进行分散化布置，但长距离的防晕导线与串间短接线既增加了电晕放电点，造成实际回路等效电阻增大，又增加了被试品空间分布电容、杂散电容的复杂性，在一定程度上造成被试品等效电容的增加。回路等效电阻、等效电容的增加不会对大电容、长母线降压运行的特高压站GIS造成根本影响。

3.3 优化方案注意事项

Q₀实际测量值与理论计算值相符，但通常情况下Q₀值在120以上，而此次试验已下降到61，现场试验中应引起足够的重视。因为品质因数的下降必然会导致中间变压器变比增加，在高压回路电流维持一定水平的前提下，会导致变频电源输入电流大幅增加，对试验电源的要求会更加苛刻。通过理论计算，当被试品电容达到60 nF以上时，变频电源输入电流将达到1000 A以上。

此外，若将品质因数Q、试验等效电容C及回路等效电阻R按照实际试验值带入公式（7），可以计算出回路谐振电感为120 H，与仿真计算值（140 H）的偏差约为17%。除了补偿电抗器的2%容差外，主要原因应该是两串电感之间的互感效应。两串电感的空间距离仅数米，共用一部分磁场产生互感使整串电感发生了变化。互感的大幅变化也应当重点关注，电感增大可以在一定程度上限制高压回路的电流水平，但也会引起试验频率偏低的问题。

（1）虽然GIS耐压试验中谐振电抗器并联接线的优化匹配方式，极大地提高了试验设备带载能力，但品质因数的成倍降低应当引起足够注意。试验前应做好应急预案，选用更大的中间变压器变比。而中间变压器变比的增大，将引起变频电源的电流大幅增加，面对更大容量被试品应对此引起足够重视，必要时可并联同型号变频电源。

（2）回路谐振电感理论计算值与实际测量值出现一定偏差，考虑主要原因为两串补偿电抗间的互感效应。因互感的大幅增加，应在试验方案设计和仿真计算时计及串间互感影响。

（3）试验设备的分散化布置，显著减轻了吊装转场的工作，有效降低了试验换相工作的复杂程度，一次布置代替了两次布置。无需频繁吊装分压器、中间变压器与电抗，为试验接线提供了便利，大幅提高试验效率。但该方法对防晕导线提出了更高要求，若过多的防晕导线出现磨损导致内圈严重变形或导体裸露，可能导致电流的进一步加大。

（4）并联接线的优化匹配方式对试验人员提出了更高的要求，对于各部分的放电安全距离需要更好地把控，带电区域扩大，需做好更严格的安全防护措施。

（5）在进行试验方案设计和仿真计算时应当对互感大小进行充分分析。特高压变电站GIS耐压试验中谐振电抗器并联接线下的互感问题，也是开展下一步研究工作的重点方向之一。

4 结语

本文提出的GIS外施工频耐压现场试验优化方案，通过仿真计算并与历次现场试验实际数据进行对比分析，说明优化方案可行。该优化方案对下一阶段开展极寒条件下降压运行大容量GIS耐压试验技术的研究工作具有重要意义。