黑麋峰抽水蓄能电站500kV高压电缆与GIS联合耐压试验方案研究

刘平

（五凌电力有限公司黑麋峰抽水蓄能电厂 长沙市 410213）

根据黑麋峰抽水蓄能电站实际地理位置特点，超高压500kVGIS分为地上、地下两部分，采用500kV超高压电缆连接成500kV配电装置系统。根据国家规程规定，GIS及高压电缆安装完成后，都需要进行交流耐压交接试验，以检查GIS与高压电缆是否存在局部缺陷，是否能长期承受运行及特殊情况下的过电压。

黑麋峰电站GIS为国内生产，高压电缆为日本进口。两者的设计制造所依照的标准不一样，耐受电压的水平也不一样。黑麋峰地下GIS因设备间狭小，无法布置高压试验套管，也无法布置高压耐压试验设备，因此只能将地上GIS、地下GIS与高压电缆连接起来后从地上GIS出线套管处加压进行耐压试验。

本研究成果就是针对这一难题，既考虑检验设备安装质量的实际需要，兼顾尽量减少对设备的损害，又能满足相应的国家标准和IEC标准对设备高压耐压的检验要求，在充分研究了黑麋峰电站GIS与高压电缆性能参数和提炼其他电站成功经验后，提出GIS与高压电缆整体串联谐振交流耐压的试验方案成果。该成果较好地解决了施工中遇到的工程难题，节省了试验费用，也降低了工程造价。

1 概 述

1.1 黑麋峰工程概述

黑麋峰抽水蓄能电站安装4台立式单级混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组，单机容量 （发电工况）300 MW，总装机容量1200MW，以一回500kV电压等级并入华中电网。投产后将担负湖南及华中电网的调峰、填谷、调频、调相及紧急事故备用等任务。电站枢纽建筑物包括上库、下库、引水系统、厂房洞室群及500kV地面开关站与副厂房等。

黑麋峰电站500kVGIS由地下和地上两部分组成，以两回500kV交联聚乙烯高压电缆连接，所用500kV干式电缆终端为国内首次使用。地上GIS以一回出线与出线平台设备相连，预留一回出线。GIS设备包括管母线、断路器、隔离刀闸、接地刀闸、快速接地刀闸、避雷器、电容式电压互感器、出线SF6/空气套管等。生产厂家为沈阳新东北电气高压开关有限公司，型号为ZF15－550，额定电压550kV，额定电流4000A。高压电缆由日本VⅠSCAS公司生产，型式为单相铜导体交联聚乙烯挤包绝缘，铜导体截面积为800mm2，额定电压500kV，额定电流875A，三相回路总损耗不超过80kW/km。

高压电缆与地上、地下GIS连接终端处均因场地狭小，均不满足高压交流耐压试验的安全距离要求，因此高压电缆只能从地上GIS出线套管处加压，地下GIS则只能通过高压电缆加压。为避免多次交流耐压试验对设备造成损害，只有对GIS、高压电缆同时耐压。但二者各自的试验标准不一致，且高压电缆为进口产品，还必须考虑IEC标准。黑麋峰电厂筹建处在详细研究比较各种规程标准，参考国内实际经验，与行业内专家、设备厂家技术人员研讨后，提出了折衷的试验方案，能够满足考核产品和保证安全的目的。

1.2 交流耐压基本方法

对GIS、发电机和变压器、交联电缆、高压断路器等电容量较大、试验电压高的被试品进行交流耐压试验，需要大容量的试验设备，可采用串联谐振试验装置，它能够以较小的电源容量对较大电容和较高试验电压的被试品进行耐压试验，回路由被试品负载电容和与之串联的电抗器和电源组成，如图1所示。

图1 串联谐振回路原理接线

2 被试产品相关技术参数

2.1 高压电缆资料

制造厂家：日本VⅠSCAS；型式：单相铜导体交联聚乙烯挤包绝缘电缆；铜导体截面积：800mm2；额定电压：500 kV；额定电流：875A；三相回路总损耗：低于80kW/km；导体交流电阻：0.0228Ω/km；导体直流电阻：0.0221Ω/km。

2.2 GIS资料

制造厂家：沈阳新东北电气高压开关有限公司；型号：ZF15-550；额定电压：550kV；额定电流：4000A。

3 联合耐压方案

3.1 U0值的确定

会上首先就U0值的标准进行讨论。IEC62067与GB50150-2006中规定500kV系统U0为290kV，但行业标准（DLT5228-2005水力发电厂交流（110～500）kV电力电缆工程设计规范）中规定U0为运行电压300kV。各方一致认为，较高的电压更能发现缺陷，根据桐柏电站的经验，取U0为300kV是设备能够承受的，因此本试验也选择U0值为300kV。

3.2 设备厂家的意见

湖南电力试验研究院编制的初步联合耐压方案为：对地上、地下GIS与高压电缆同时按136kV/2min—272 kV/10min—408kV/min—510kV/min—349kV （1.1Um/程序进行耐压。专家建议，高压电缆按IEC62067和GB50150-2006中规定的1.7U0/h耐压能有效发现缺陷，24h1.1U的方式虽然也符合IEC62067和GB50150-2006的规定，但因试验电压与运行电压相差无几，实际上不一定能发现潜在的缺陷。GIS厂家因担心GIS在高电压下耐压时间超过30min会导致盆式绝缘子绝缘激活，不同意GIS与高压电缆共同耐压510kV/h。对次，何永泉专家指出，根据桐柏电站的经验，500kVGIS与高压电缆共同耐压1h是能够通过的。但考虑到桐柏电站GIS为ABB进口产品，运行经验较丰富。而黑麋峰安装的GIS为新东北公司首次在蓄能电站中应用的产品，缺乏实际运行经验，且在工厂试验中交流耐压时间均未超过1min，因此可以对510kV/h的联合耐压等级、时间进行讨论修改。但对于专家组依据国内成功经验提出的500kV/h或是500kV/0.5h的方案，GIS厂家仍表示不能接受。

高压电缆厂家最关注的问题是对联合耐压设备可能暴露的缺陷的责任划分，因此反复提出要明确GIS与高压电缆的分界，其建议的试验步骤如下：

（1）先单独作地面GIS耐压（按GIS厂家的程序作、136kV×2m、272kV×10m、408kV×1m、544kV×1m）。

（2）接上地面GIS和电缆、分开地下GIS和电缆的连接、对地上GIS与高压电缆同时耐压。（按GIS厂家的程序作、136kV×2m、272kV×10m、408kV×1m、544kV×1m）。

（3）最后连接上地下GIS、电缆及地面GIS作整体线路加压（按折中方案加压、136kV×2m、272kV×10m、408 kV×1m、510kV×1m、349kV×24hr）。

电缆厂家提出试验方案后，各方均认为，整个试验过程地上GIS将重复耐压3次，不符合DL/T555-2004Cl 8.2.1的规定。可能会对GIS造成损伤。方案第二步的最后阶段耐压为544kV/min，超过了IEC标准中500kV交联聚乙烯电缆的现场交流耐压试验电压值，有不妥之处。因此此方案不宜采用。对电缆厂家的要求，筹建处当场向其保证，联合耐压时须由高压电缆与GIS厂家代表同在现场见证，试验过程如出现异常或设备缺陷，则按缺陷发生的物理位置进行责任划分。双方厂家代表均表示认可。

3.3 GIS、高压电缆联合耐压试验方案的确定

联合耐压试验方案必须即达到有效考核被试品的目的，又满足设备厂家出于己方利益提出的要求。专家组根据以往经验指出，GIS设备一般不会存在绝缘缺陷，相比之下高压电缆存在缺陷可能性更大，因此必须以电缆耐压标准为依托，尽量使GIS耐压符合电缆的耐压方式。电缆与GIS共同耐压时，据行业内经验高压电缆运行中可能出现的过电压的计算值为额定电压的1.3～1.4倍，因此可选择400kV/h的加压方式。这样即满足并超过了规程规定的330kV/h的要求，也达到了电缆运行中实际可能出现的过电压，能够发现可能影响安全运行的缺陷。因规程规定GIS的耐压等级为544kV/min，而高压电缆按规程要求是不能照此方式耐压的。为尽量有效的考核GIS，可在400kV/h之前进行510kV/min的联合耐压。对于地上GIS，可以单独进行规程规定的544kV/min耐压，这样在整个试验过程中，只有地上GIS进行了两次耐压，即能有效考核设备，又不会对GIS造成额外损伤。综合考虑，确定如下折中联合耐压试验方案：

（1）地面GIS安装完成后按DL/T555-2004的规定单独进行老练耐压试验，方案为：136kV/2min—272kV/ 10min—408kV/min—544kV/min，分相耐压。试验接线如图2，图3。

图2 地面GIS交流耐压试验接线图

图3 地面GIS老练及耐压加压时序图

（2）高压电缆与地上、地下GIS连接后整体耐压，方案为：136kV/2min—272kV/10min—408kV/min—510 kV/min—400kV/h，分相耐压。试验接线如图4。

图4 GIS与高压电缆联合交流耐压试验接线图

老练及耐压加压时序图如图5。

图5 GIS与高压电缆老练及耐压加压时序图

4 试验设备初步选型计算

4.1 地面GIS耐压试验设备选型

根据GIS厂家提供的参数，地面GIS单相母线长37 m，单位电容值为161.35pF/m，单个断路器电容值为320 pF，单个隔离开关电容值为80pF，每相有2个断路器和4个隔离开关，可算出地面GIS单相总电容为C＝161.35× 37＋320×2＋80×4＝7930pF。又因GIS厂家提出应将谐振频率控制在100Hz以下，则串联电抗器电感值L应满足：

代入电容与电抗数值，可算出使用此电抗后的谐振频率f0为：f0＝1/≈73Hz。根据电抗器电阻参数与GIS电阻参数估算高压回路等效电阻R为6100Ω，进而可知，试验回路的品质因数为Qs=ω0.L/R≈44.5。最高试验电压为544kV，所以激励变压器至少应能输出544kV/ 44.5=12.22kV电压。湖南试研院所用电源变频装置输出电压范围为（0～365）V，因此激励变的变比应至少不小于12.22/0.365=33.4。出于保留一定裕度与保证调压灵敏性的考虑，最好选择变比在40左右的变压器。

地面GIS单相最大试验电流Im＝ω0.C.Um＝73×6.28×7.93× 10－9×544000≈1.97A。因谐振时电路不从外界吸收无功功率，所以试验回路最大功率为P＝U.Im＝12.22×1.97×1000＝23.876kW，选择的激励变压器的容量必须在此之上。

现场能提供380V，300A的试验电源，能满足试验的容量要求。

4.2 地面、地下GIS与高压电缆整体耐压试验设备选型

黑麋峰高压电缆安装后单根长度约为415m，单位电容量为0.15μF/km，则电缆的电容0.15×0.415＝0.06225 μF＝62250pF。地下GIS长28m，只有1个隔离开关，单相电容值计算为161.35×28＋80＝4660pF。因此GIS与高压电缆总体电容值为62250＋7930＋4660＝74840pF。

要依照GIS厂家要求控制谐振频率在100Hz以下，串联电抗器电感值L应满足：

使用此电抗后的谐振频率f0为：f0＝1/LC)≈55 Hz。根据设备参数可知试验回路等效电阻约为553Ω。因此品质因数计算值为Qs=ω0.L/R≈70。

老练加压程序中最高试验电压为510kV，所以激励变压器应能输出510kV/70=7.28kV以上电压。试验所用电源变频装置输出电压范围为（0～365）V，因此激励变的变比应至少不小于7.28/0.365=20。为保留一定裕度与保证调压灵敏性，选择变比为25左右的变压器最合适。

最大试验电流 Im＝ω0.C.Um＝55×6.28×74.84×10－9× 510000≈13.18A。谐振时电路不从外界吸收无功功率，所以试验回路最大功率为P＝U.Im＝7.28×13.18×1000＝95.95kW。激励变压器的容量必须大于此最大功率值。现场提供380V，300A的试验电源功率为380×300×10－3＝114kW，符合试验容量要求。

5 总 结

最终试验方案是本着对设备安全与质量负责的态度，综合考虑了业主与设备厂家的共同利益后研究出的。相信对以后其他工程的类似情况也具有指导作用。值得高度重视的是，高压电缆终端在耐压中是最易出现问题的，宜兴蓄能电站的地面GIS、地下GIS、高压电缆共同进行500kV、30min的交流耐压过程中就有两个电缆头因终端处电场分布不均被打爆。黑麋峰电站高压电缆的环氧树脂干式终端在国内尚无运行经验，因此终端制作的质量控制是重中之重的工作。

1 GB/311-83.高压输电设备的绝缘配合、高电压试验技术[S].

2 GB50150-2006.电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S].

3 GB/T16927.1-1997.高电压试验技术第一部分：一般试验要求[S].

4 DL/T474.4－2006.现场绝缘试验实施导则[S].

5 DL/T555-2004.气体绝缘金属封闭开关设备现场耐压及绝缘试验导则[S].

6 DLT5228-2005.水力发电厂交流110kV～500kV电力电缆工程设计规范[S].

7 肖如泉,何金良.高电压试验工程[M].北京：清华大学出版社,2001.