基于同频同相技术的500kV瓷柱式SF6断路器交流耐压试验分析

黄湛裕 任 重

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

基于同频同相技术的500kV瓷柱式SF6断路器交流耐压试验分析

黄湛裕 任 重

（深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000）

同频同相技术近年被广泛应用于 220kV及以下 GIS间隔扩建和大修后不停电耐压试验，但在500kV设备交流耐压试验应用极少，缺乏成熟的应用经验。本文介绍了一起对深圳地区某台大修后的500kV瓷柱式SF6断路器耐压采用同频同相法所进行的分析设计、并最终在该地区首次成功实施的案例，结果表明：同频同相技术同样适用于邻近带电运行设备不停电的500kV设备扩建、大修后交流耐压试验，其实施过程安全、可靠、可控，能有效考验断路器绝缘情况同时提高供电可靠性，对500kV设备交流耐压试验有着重要推广意义。

同频同相；邻近带电设备不停电；500kV设备交流耐压试验；供电可靠性

500kV变电站一般为地区电网的中枢点，若对500kV设备发生异常或事故时处理不当，则极易造成大面积停电事故的发生，甚至威胁整个系统的安全。运行经验表明，500kV设备带病入网是造成电网大面积事故的重要原因。因此，为保证电网安全稳定运行，对500kV设备进行投运前交流耐压试验十分有必要[1]。目前，深圳地区扩建或大修后的500kV设备耐压，基本采用传统的串联谐振方法进行[2]。由于在耐压过程中可能出现试验电压与相邻运行设备运行电压反相叠加（相位差180°），造成试品与运行设备空间突然击穿的情况，因此，采用传统的串联谐振方法，必须对相邻的带电运行设备进行停电处理，但面临着两大难题：①用户对供电可靠性要求高，停电困难；②500kV设备停电，存在较大的电网风险。

近年来，同频同相技术广泛应用于220kV及以下GIS间隔扩建和大修后交流耐压试验，成功实现了不停电进行扩建和大修工程交接耐压试验的目标[3]，大幅提高了供电可靠性。为解决上述两大难题，可考虑将同频同相技术引入500kV设备耐压交流耐压试验中。本文以深圳地区某台大修后的500kV瓷柱式 SF6断路器成功实施同频同相耐压为例，说明同频同相技术在500kV设备交流耐压试验的适用性及优越性。

1 同频同相技术

1.1 同频同相交流耐压试验原理

同频同相交流耐压技术是在传统串联谐振耐压试验的基础上融合了反馈调节技术[4]。该技术采用与试品相邻运行设备的电压（取电压互感器二次侧电压）作为试验电压参考信号，通过锁相环、线性推挽放大等技术，对参考电压进行实时动态跟踪，调节电感串联谐振，输出与运行电压频率、相位角相同（相角1°以内）的试验电压。

1.2 同频同相试验装置

同频同相试验装置包括同频同相控制箱、同频同相试验电源、试验变压器、保护电阻器及电压测量装置，系统结构如图1所示。

图1 同频同相交流耐压试验系统结构图

2 耐压方案设计

2.1 试品信息

本次被试品为XX线5013开关C相（以下简称为5013开关C相），属于500kV瓷柱式SF6断路器，由SIEMENS公司生产，型号为3AP2 FI，2008年12月出厂，2009年2月投运，额定绝缘水平见表1。

该开关在定期检修暨防拒动专项工作中，发现C相双断口一侧分闸状态时仍然导通，判断为灭弧室内部出现故障[5]。经更换该相灭弧室后，需进行投运前交流耐压试验，其外观如图2所示。

表1 5013开关额定绝缘水平

图2 5013开关外观图

2.2 现场设备情况

1）电气主接线

该500kV变电站采用2/3接线方式，共4台主变，4个完整串，1个不完整串。本次试品5013开关 C相，其相邻带电设备为上方5.5m交叉跨越的#2主变变高侧A相引线。为便于耐压分析，电气主接线图仅展示5013所在的第1串及相邻带电运行的#2主变变高5023所在的第二串，如图3所示。

图3 某500kV变电站电气接线图

2）设备现场勘察情况

现场 5013开关已停电，待试 C相两侧导线已拆除，已抽真空充气，检验合格，具备耐压试验条件。#2主变带电运行，其变高侧A相导线位于5013开关C相上方5.5m，现场设备情况如图4所示。

图4 5013开关C相现场情况

3）耐压试验分析

（1）5013开关C相主回路对地及断口间耐压试验

根据GB 50150—2006《电气装置工程电气设备交接试验标准》及SIEMENS厂家技术条件及要求，对 5013开关 C相进行主回路对地及断口间耐压试验，同时为净化装配过程中产生的微粒、灰尘，减少微粒触发击穿的可能性，主回路对地耐压试验结合老练试验进行，其试验程序如图5所示。

图5 耐压程序图

试验电压值按出厂试验电压值的80%施加，见表2。

表2 5013开关C相试验电压值

（2）5013开关C相与#2主变变高侧A相导线两空间电压分析

5013开关C相及#2主变变高侧A相导线之间的空间（以下简称为两者空间），与试验电压及运行电压均有关系，其值取决于试验电压及运行电压，而试验电压及运行电压是两个不同系统，频率、相位不一定相同，随着时间变化，具有不确定性。

式（1）中，Us为5013开关C相试验电压；Uy为#2变运行电压；Uk为两者空间耐受电压，|Uk|为两者空间耐受电压幅值。式（2）中，Uc为Us的有效值，ω1为Us角频率，ψ1为Us初相角。式（3）中，Ua为Uy的有效值，ω2为Uy角频率，ψ2为Uy初相角。

以下分别对|Uk|的3种情况进行讨论：①试验电压与运行电压频率、初相位均不相同；②试验电压与运行电压频率相同、初相位不相同；③试验电压与运行电压频率、初相位均相同（同频同相）。

①试验电压与运行电压频率、初相位均不相同

若试验电压与运行电压频率、相位均不相同，则由式（1）、式（2）、式（3）知，存在一个t1，使Us、Uy同时到达峰值，方向相反，此时|Uk|最大，如图6所示。

图6 频率、初相位不相同情况

试验电压和运行电压同时到达峰值时反相，两者空间耐受电压幅值为试验电压和运行电压峰值之和，即

根据以往现场实际加压及模拟放电试验经验，592kV对地击穿距离约为2m，两者空间近似为均匀电场，按此规律计算，1286kV的击穿距离约为4.4m，而两者空间的距离仅为 5.5m，安全距离裕度为 1m左右。考虑到500kV设备在电网的重要性，为保障电网安全，结合以往加压经验，至少应保证 3m安全距离裕度。而 1m的安全距离裕度不足，很有可能出现现场天气和电压波形畸变等原因导致两者空间突然击穿、危及运行及被试设备的情况。

②试验电压与运行电压频率、初相位均不相同

当试验电压与运行电压频率相同、相位不相同时，设ω1=ω2=ω0，结合式（1）、式（2）、式（3），当|(ω0t+ψ1)−(ω0t+ψ2)|=|ψ1−ψ2|=π时，Us、Uy同时到达峰值，方向相反，|Uk|最大，且一个周期内有两个|Uk|max，如图7所示。

图7 频率相同、初相位不同情况

当试验电压和运行电压频率相同、初相角相差180°时，两者空间耐受电压幅值最大值仍为试验电压和运行电压峰值之和，即与上述分析同理，两者空间仍很大可能会被高电压击穿。

③试验电压与运行电压频率相同、初相位相同（同频同相）

当试验电压和运行电压频率相同、电压相同时，即同频同相状态，设ω1=ω2=ω0，ψ1=ψ2=ψ0，结合式（1）、式（2）、式（3），则有

由式（4）知，Uk将按正弦函数规律变化，，如图8所示。

图8 同频同相情况

当试验电压和运行电压频率相同、初相角相同（同频同相）时，两者空间耐受电压Uk将按正弦函数规律变化，幅值为试验电压与运行电压幅值之差，最大值为试验电压与运行电压峰值之差。按照前述规律计算，389kV的击穿距离为1.32m，满足3m安全裕度要求，其最大幅值远不足以将两者空间击穿。

由上述分析可知，在#2主变不停电的情况下，如果采用传统的串联谐振试验方法对 5013开关 C相进行耐压试验，试验电压和运行电压频率、相位可能完全不一致或部分一致，那么在试验过程可能出现试验电压和运行电压峰值反向叠加的情况，最终导致两者空间击穿。因此，传统的串联谐振试验方法不能满足邻近带电运行设备不停电进行交流耐压试验的条件，换言之，要使用传统串联谐振耐压试验方法，必须对#2主变进行停电。

然而，实际情况是用户对供电可靠性要求高，#2主变停电存在较大困难。由上述分析可知，当试验电压和运行电压同频同相时，两者耐受电压幅值为试验电压与运行电压之差，且达到最大值时也不至于将两者空间击穿。因此，采用同频同相交流耐压方法能有效解决了#2主变停电困难问题，提高了供电可靠性，而且对带电运行的#2主变及被试设备5013开关C相均不会产生影响。

3 耐压方案实施

3.1 关键接线步骤

同频同相试验方法是在成熟的串联调感交流耐压试验基础上，加入定频技术，使得在试验全过程中试验所加电压的频率、相位与带电运行设备保持一致，因此，抽取PT二次参考电压信号是最为关键的接线步骤。经现场勘查，最终选定离试品较近的500kV XX线5013TYD而不选择上方邻近带电的#2主变作为参考电压，主要基于3个方面考虑：①500kV 1M及2M并列运行，荆鹏甲线5013与#2主变变高运行电压频率、相位基本相同，其误差可忽略不计；②二次接线不易过远、电压降随引线长度变化而发生明显变化，#2主变所在母线PT端子箱与试品距离过远，采集的电压信号衰减严重；③若出现二次电压不稳、接地、短路的极端特殊情况造成保护误动，则误跳线路或联络开关（5012）的影响远小于误跳#2主变变高开关。其备用电压回路如图9所示。

图9 XX线备用组端子电压回路示意图

由图9可知，A、B、C相电压自TYD本体端子箱引出分别接至荆鹏甲线TYD端子箱1P：10-1P：12端子，随后经3MCB二次电压备用空开后分别接至端子箱内1P：26-1P：28端子。因与5013开关相邻的带电导线为#2主变变高A相导线，故需采集 A相电压信号，接线至1P：26（A623）及1P：4-9（N600）即可，如图10所示。

图10 二次参考电压接线图

3.2 试验实施

按照表2及图5所示的既定耐压程序实施加压，老练第一阶段施加318kV，耐压10min，如图11所示。

图11 第一阶段老练

老练第二阶段施加476kV，耐压3min，如图12所示。

第三阶段施加592kV，耐压1min，如图13所示。

图12 第二阶段老练

图13 第三阶段工频耐压

最终，5013开关C相交流耐压试验通过。本次同频同相耐压试验的成功实施，避免了#2主变及其三侧开关停电，有效减少了停电范围，并由原计划3天的停电时间减少为 1天，缩短了停电时间。实施过程安全、可控，未对电网及设备安全产生影响。

4 结论

本文介绍了一起深圳地区首次采用同频同相技术对某台大修500kV瓷柱式SF6断路器进行耐压试验分析并成功实施的案例，结果表明：①同频同相技术可以应用于邻近带电设备不停电的500kV设备耐压试验，实施过程安全、可靠、可控；②同频同相交流耐压技术能有效考验设备绝缘状况，保障了电网、设备安全运行；③同频同相交流耐压技术有效地解决了停电困难的问题，缩短了停电时间，减少了停电范围，大幅提高了供电可靠性；④对500kV设备交流耐压试验有着重要的推广意义。

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Analysis on AC Withstand Voltage Test of 500kV SF6Porcelain Column Circuit Breaker based on the Same Frequency and Phase Technique

Huang Zhanyu Ren Zhong
(Shenzhen Power Supply Co.,Ltd,Shenzhen,Guangdong 518000)

The same frequecy and phase AC withstand voltage test technique has been widly used in AC voltage tests of 220kV and below GIS extensions or repairs without a power outage of the original adjacent parts but it is seldom used in AC voltage tests of 500kV.In this paper,it tells a successful case about analysis and application on AC withstand voltage test of 500kV SF6porcelain column circuit breaker in Shenzhen based on the same frequency and phase technique.The result shows that the same frequency and phase AC withstand voltage test technique is also applicable for AC voltage tests of 500kV electrical equipment extensions or repairs without a power outage of the original adjacent parts and that it has the character of safety,reliability and controllability.It is effective to test the insulation of circuit breaker and to improve power supply reliability by sharply reducing outage scope and shortening the blackout time.Apparently，it is of great significance to apply the the same frequency and phase AC withstand voltage test technique to the AC voltage tests of 500kV electrical equipment.

the same frequency and phase;without a power outage of the original adjacent parts;AC voltage tests of 500kV electrical equipment;power supply reliability

黄湛裕（1990-），男，广东省肇庆市人，本科，助理工程师，主要从事变电一次设备试验工作。