基于220 kV GIS 间隔双断口母线隔离开关技术的试验方法研究

程子豪， 吴丹， 曾凡兴， 付磊， 杨洸， 孙铭

(湖北省电力勘测设计院有限公司， 湖北 武汉430040)

0 引言

变电站GIS 设备( 气体绝缘金属封闭开关设备和控制设备) 作为一种优秀的高压设备已成为变电站建设的重要选择。 GIS 设备具有占地空间小、 可靠性高等优势[1-3], 但变电站建设前期工程中一般会预留远期“备用” 间隔, 常规220 kV GIS设备备用间隔母线隔离开关仅有一个隔离断口, 不能同时满足试验电压叠加运行电压的绝缘要求。 所以在GIS 远期改扩建时, 备用间隔的扩建安装及交接耐压试验需要对原运行母线进行停电处理[4]。这既增加了电网运行风险, 又产生了停电损失。

随着一种新型双断口母线隔离开关技术的出现, GIS 设备的这个缺点将得以弥补, 但目前国内还没有该类型设备的针对性试验方法。 本文在研究传统试验方法的基础上, 提出一种针对双断口母线隔离开关设备的新型试验方案。

1 双断口隔离开关的技术特点

双断口隔离开关的技术原理[5]是采用高可靠性单操作机构双断口联动的隔离开关, 且两个断口中间带辅助接地刀的形式。 双断口隔离开关的两个断口能分别满足单断口的绝缘要求, 即任一个断口均能满足试验电压或运行电压的绝缘水平。 同时对内部操作机构、 壳体、 地刀等元件进行优化升级,使母线隔离开关整体能够承受最极端的电压情况,即运行电压与试验电压之和。 220 kV 双断口隔离开关接线如图1 所示。

图1 220 kV 双断口隔离开关接线示意图

基于220 kV GIS 间隔的双断口隔离开关在备用出线或主变压器间隔能发挥其最大优势, 从原理上能满足改扩建时双母线不停电的要求, 弥补了常规母线隔离开关的短板。 为确保双断口设备两组隔离开关的同步性及稳定性, 该产品采用对称结构的传动轴, 两个断口具备同开同闭的功能, 两组母线隔离开关亦能被独立控制[6]。 其内部结构详图如图2 所示。

图2 双断口隔离开关内部结构图

经了解, 该类型设备国内已有厂家能够生产,相关设备已于2018 年4 月取得全套型式试验报告。

2 传统耐压试验方案研究

组合电器设备的试验项目包含密封性试验、 测量SF6气体含水量等[7], 本文仅针对其中主回路的交流耐压试验进行研究。

220 kV GIS 的耐压试验[8-9]是指采用变频串联谐振方法对相关设备进行加压, 检查220 kV GIS设备整体安装后是否存在导致内部故障的隐患(包括运输、 安装、 储存和调试中的损坏, 存在异物等), 验证其绝缘性能是否满足要求, 包括交流电压耐受试验、 老练试验和局部放电试验。 国内变电站建设工程无论是新建还是扩建, GIS 设备整体耐压试验都是必要环节。

目前国内组合电器的传统试验方法[10-12]是基于单断口隔离开关的GIS 设备进行的, 对于新型双断口设备还没有针对性试验方案及相关文献。 本文尝试先采用传统试验方式对新型双断口设备模拟耐压试验过程, 分析利弊, 查找缺陷。

双断口母线隔离开关特别适用于备用间隔。 实际上该类型设备对于一次性建成的完整间隔也有意义, 尤其当已建设备因故障大修而需拆装更换时,亦能保证技改工程中母线不停电。 但此类工程由于前期已建设出线套管, 常规耐压试验方案即可满足技改试验要求。

反之, 在一期工程中建设的备用间隔, 由于本期未配备出线套管, 验证断口间耐压特性成为难点。 利用传统试验方案进行分析比较, 有如下两种思路。

2.1 新增特殊试验套管(方案一)

GIS 设备厂家通常会针对电缆出线间隔等配置相应的试验套管。 对含双断口母线隔离开关的备用间隔, 配置一套满足其接口形式的特殊试验套管, 新增特殊试验套管方案中的加压位置如图3所示。 具体试验步骤如下: ①将双断口母线隔离开关的中间地刀接地； ②在加压位置一, 对特殊空气套管加试验电压； 能从出线侧对断口1、 2 (如图1 所示) 进行耐压测试； ③在加压位置二, 通过其他已建出线间隔空气套管对母线加运行电压。能从母线侧对断口3、 4 (如图1 所示) 进行耐压测试。

图3 方案一加压位置示意图

2.2 分步式试验(方案二)

若无特殊试验套管, 需将备用间隔双断口母线隔离开关的整体试验拆分成两个阶段。 分步式试验方案中的加压位置如图4、 5 所示。

图4 阶段一加压位置示意图

图5 阶段二加压位置示意图

阶段一, 在一期工程中, 双母线及备用间隔母线隔离开关已一次性上齐, 备用间隔其他设备如断路器等空缺。 设备安装完成后, 将备用间隔母线隔离开关处于分位, 通过其他一期已建出线间隔对母线加压, 检验备用间隔的隔离开关母线侧( 断口1、 2) 能否满足要求。

阶段二, 该备用间隔的远期扩建工程中, 设备安装完毕后, 将双断口母线隔离开关处于分位, 中间地刀接地, 断路器合上。 此时母线( 带运行电压) 不停电。 由于一期工程已检测断口1、 2 满足试验要求, 所以能直接在该间隔新上的出线套管处施加试验电压, 检验母线隔离开关断路器侧( 断口3、 4) 能否满足要求。

2.3 两种方案比较及目标分析

以上两种方案均能实现双断口母线隔离开关的耐压检测。

方案一中的特殊试验套管需厂家针对隔离开关接口进行定制。 此外, 当该新型设备在户内站应用时, 受通用设计方案对站内配电装置室长、 宽及层高的限制, 对试验套管的尺寸及安装位置提出了很高要求[13]。 经调研, 目前国内还没有成熟的相关产品, 短时间内方案一不具备可实施性。

方案二中备用间隔隔离开关不能在一期建设时完整地检测其合格性, 存在质量隐患, 亦不满足相关规程[9]中试验判据的要求。 此外, 实际工程建设中, 扩建项目的建设时序一般跨度较大, 该方案检测周期长, 前后检测环境及状态不同, 不利于双断口设备的评估分析。

通过以上比较分析, 传统的双断口母线隔离开关设备试验方案复杂、 可实施性低。 亟待开发一种简单适用的试验方案, 在变电站一期建设中, 能一次性对整个备用间隔双断口母线隔离开关进行耐压试验, 确保设备安全合格。

3 新型耐压试验方法

经调研, 国内220 kV 及以上规模的变电站的220 kV GIS 配电装置常采用双母线或双母线带分段接线[14-16], 且一期工程中双母线通常一次性上齐。此外, 双断口母线隔离开关的两个断口能同分同合, 且两条母线上的隔离开关机构互为独立控制。

一期工程中已建成的两条母线为试验的关键点, 可作为试验电压的载体对备用间隔母线隔离开关进行正向和反向加压操作。 此外, 通常在一期工程中, 会对220 kV 配电装置建设1 回出线及1 回主变压器进线间隔, 即线变阻接线[17-18], 满足两路空气套管的加压要求。

通过以上分析, 选定本试验方法的通用性适用范围。 在此条件下, 以双母线作为突破口, 给耐压试验方案提供了新思路。

试验电压值的选取: 根据《 国家电网有限公司十八项电网重大反事故措施(修订版) 》 的要求, 252 kV GIS 主回路(包括GIS 引线段, 下同)对地耐受电压值为出厂试验电压值的100%, 即460 kV, 时间1 min。

老练与耐压试验加压程序: 0 →Um/ 3(145 kV ) 持 续10 min →Um( 252 kV ) 持 续3 min→Uf( 现场交流耐 压 值, 460 kV ) 持续1 min→1. 2Um/ 3 (175 kV ) 开展局部放电测量。

试验加压程序可按图6 进行, 耐压试验方案如图7 所示。

图6 老练及耐压试验加压程序示意图

图7 耐压试验方案示意图

具体试验步骤如下:

1) 根据双断口隔离开关的同开同合性, 闭合DDS2 侧(断口2、 4) 隔离开关, 中间地刀不接地。 此时DDS2 与Ⅱ母形成通路。

2) 打开DDS1 侧(断口1、 3) 隔离开关, 中间地刀接地。

3) 在已建1 号出线间隔内, 闭合Ⅱ母母线隔离开关, 将Ⅰ母母线隔离开关处于分位, 并从加压位置1 处接入试验电源, 闭合1 号出线间隔断路器。 此时Ⅱ母带试验电压, Ⅰ母不带电, 可对断口1 进行耐压试验。

4) 断开1 号出线间隔断路器, 两条母线接地处理后, 闭合Ⅰ母母线隔离开关, 将Ⅱ母线隔离开关处于分位, 闭合1 号出线间隔断路器。 此时Ⅰ母带试验电压, Ⅱ母不带电, 可对断口3 进行耐压试验。

5) DDS1 隔离开关试验完毕。

6) 同理, 对调DDS1 与DDS2 的断口开闭状态, 重复以上倒闸操作即可完成对DDS2 (断口2、4) 的耐压试验。

上述试验过程步骤较多, 但原理简单, 且只需要一台加压设备。 此外, 在条件允许的情况下, 可以同时开启两套加压设备, 在图7 中加压位置1、2 同时加压, 使Ⅰ母和Ⅱ母同时带试验电压, 在母线隔离开关中间地刀接地的情况下, 一次性对两个断口进行耐压试验, 缩短试验时间。

上述双母线同时带试验电压的方案, 可近似等效远景扩建时母线带运行电压、 出线侧施加试验电压的场景。 该方案从侧面证明了两个断口的组合,能满足其断口间承受最极端电压的情况, 即试验和运行电压之和, 验证了双断口设备在远期改扩建时具备母线不停电的功能, 达到预期目标。

4 结语

双断口母线隔离开关技术在220 kV 组合电器中具备较强的现实意义及应用前景, 而随着其入选2020 年国家电网有限公司推广类应用目录, 该项技术将得以快速普及, 随之而来的施工及试验难题将逐渐突显出来。 本文在分析传统试验方法的基础上, 提出了一种新型试验方案, 在变电站一期建设时能完整地对备用间隔双断口母线隔离开关四个断口进行耐压试验, 该方案简单实用, 具备较强的通用性及可操作性。