750kV断路器现场交流耐压试验系统研究与应用

电工电气　（２０１３　Ｎｏ．６）　７５０ｋｖ／￣器现场交流耐压试验系统研究ｓ应用　７５０　ｋＶ断路器现场交流耐压试验系统研究与应用　温定筠，乔立凤，江峰，王成生，孙亚明，吕景顺　（甘肃省电力公司电力科学研究院，甘肃兰州７　３００５　０）　摘要：介绍了７５０　ｋＶ断路器现场交流耐压试验的标准和时序，分析了基于串联谐振原理的试验方　法及试验系统中各设备的具体参数。在此基础上配置出成套的７５０　ｋＶ断路器现场交流耐压试验系统，通　过实例成功完成了７５０　ｋＷ断路器主回路及断口的交流耐压试验。　关键词：断路器；交流耐压；品质因数；串联谐振　中图分类号：ＴＭ５６１　文献标识码：Ｂ　文章编号：　Ｓｉｔｅ　ＡＣ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｗｉｔｈｓｔａｎｄ　Ｔｅｓｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｓｔｕｄｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｏｆ　７５０　ｋＶ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　Ｂｒｅａｋｅｒｓ　ＷＥＮ　Ｄｉｎｇ－ｊｕｎ，ＱＩＡＯ　Ｌｉ—ｆｅｎｇ，ＪＩＡＮＧ　Ｆｅｎｇ，ＷＡＮＧ　Ｃｈｅｎｇ—ｓｈｅｎｇ，ＳＵＮ　Ｙａ—ｍｉｎｇ，ＬＶ　Ｊｉｎｇ－ｓｈｕｎ　（Ｇａｎｓｕ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｗａｓｍａｄｅｔｏｔｈｅ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ａｎｄｔｉｍｅ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｓｉｔｅＡＣｖｏｌｔａｇｅｗｉｔｈｓｔａｎｄｔｅｓｔ　ｏｆ７５０ｋＶ　ｃｉｒｃｕｉｔｂｒｅａｋｅｒｓ．Ａｎａｌｙｓｉｓｗａｓ　ｍａｄｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｅｒｉａｌ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｎｄ　ａａｃｔｕａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　ｉｎ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ．Ｏｎ　ｈｅ　ｂａｓｉｔｓ　ｏｆｔｈｉｓ，ｔｈｅ　ｓｉｔｅ　ＡＣ　ｖｏｌａｇｅ　ｔｗｉｈｓｔｔａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ａ　ｓｅｔ　ｏｆ　７５０　ｋＶ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒｓ　ｗａｓ　ｄｉｓｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅ　ａｃｔｕａｌ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｓｈＯＷＳ　ｔｈａｔ　ｈｅ　ｔＡＣ　ｖｏｌａｇｅ　ｔｗｉｈｓｔｔａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｆｏｒ　ｈｅ　ｔｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｎｄ　ａｂｒｅａｋｉｎｇ　ｏｕｔｌｅｔ　ｏｆ７５０　ｋＶ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒｓ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅｄ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕＩ【ｖ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｒｅａｋｅｒ：ＡＣ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｗｉｔｈｓｔａｎｄ；ｑｕａｌｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ；ｓｅｒｉａｌ　０引言　７５０ｋＶ断路器是７５０ｋＶ超高压电网的核心设备　之一，在安装完成后，现场进行交流耐压试验，检验　绝缘状况，可以间接地验证运输、安装、调试环节的　按照目前订货标准，主回路与断口出厂交流耐压　试验耐受电压值为９６０　ｋＶ，因此现场交接试验耐　受电压值为７６８　ｋＶ，耐受时间１　ｍｉｎ，试验电压频　率在１０～３００　Ｈｚ范围内。　７５０　ｋＶ断路器主回路老炼、耐压试验加压时　序如图ｌ所示。　质量，从而检出可能存在的潜在缺陷，大幅提高设备　投运后的安全稳定性　。　统计表明，通过交流耐压试验的断路器在运行　中出现故障的概率远低于未进行交流耐压试验的断　路器‘　，因此，交流耐压试验已成为断路器安装完　成后最为重要的交接试验项目。　１试验标准及要求　图１　７　５０　ｋＶ断路器主回路老炼、耐压试验加压时序　根据Ｑ／ＧＤＷ　ｌ５７—２Ｏ０７（（７５０　ｋＶ电力设备交接　试验标准》的规定，７５０　ｋＶ断路器交流耐压试验　交流耐压试验应在断路器其他试验项目完成并　合格后进行，试验时，ｓ　气体压力应为额定值，　主回路试验时断路器应为合闸状态，并且应在较低　电压下进行老炼试验，老炼试验的试验电压和时间　由用户和制造厂协商确定，根据近年来现场试验的　分为主回路交流耐压试验和断口交流耐压试验两　部分嘲，耐受电压值均为出厂试验电压值的８０％，　作者简介：温定筠（１９８２一），男，工程师，硕上，从事高压电气设备状态检测与技术监督工作。　一５０～　７５ｏｋｖ￣器现场交流耐压试验系统研究与应用　实践，采用零起升压一　（５ｍｉｎ）一１．２Ｖｍ／Ｖ￣一　的加压时序，较为合理。　主回路交流耐压试验完成并合格后，进行断口　试验，断口不再进行老炼试验，直接进行耐压试　验，采用零起升压一　的加压时序，如图２所示。　图２　７５　０　ｋＶ断路器断口耐压试验加压时序　试验时，电流互感器的二次绕组应短路并接地　主回路及断口，能够耐受试验电压而不发生击穿，　则交流耐压试验通过，若发生击穿，则应重复试验，　若还能经受试验电压，则试验通过，若重复耐压失　败，则应解体设备检查修复　。　２试验原理分析　在试品上施加最高７６８　ｋＶ的试验电压，在试　验室可以采用高电压大容量试验变压器进行试验，　但在现场处于经济性、实用性的考虑，采用串联谐　振的方法进行试验　』，原理如图３所示。　————一ｊ　＝击　Ｃ｝——－－－－－－－－－－———————————－－－－－－－—————————————－－－－－－－－—－———一　图３串联谐振回路　交流耐压试验时，断路器可以等效为一个集中　电容，串联谐振电抗器，可以形成ＲＬＣ串联电路，　在正弦电压“＝√２／．／ｃｏｓ（ｃｏｔ＋　．）的激励下，电路的工　作状况将随频率的改变而变动，这是由于感抗和容　抗随频率变动而造成的，该电路输入阻抗ｚ（ｊｃｏ）随　频率变化的特性可以由下式表示。　ｚ（ｊｃｏ）　＋ｊ（ｏｃｌ一　）　（１）　当频率　变动时，感抗随频率成正比变动，　容抗随频率成反比变动，由于串联电路中的感抗　和容抗有相互抵消作用，所以，当６）＿－　时，出现　Ｘ（ｇｏ　）＝０，这时端口上的电压与电流同相，电路的这　电工电气（２０１３　Ｎｏ．６）　种工作状态称为谐振。　发生谐振时的角频率　和频率，０分别如下式　所示。　１　１　（２）…　　ｒ０　＝—２￣—ＶＺ？－Ｌ　谐振频率又称为电路的固有频率，它是由电路　的结构和参数决定的。串联谐振频率只有一个，是　由串联电路中的Ｌ、Ｃ参数决定的，而与串联电阻　无关。改变电路中的￡或Ｃ都能改变电路的固有　频率，使电路在某一频率下发生谐振。对于不同的　电容　，改变电源的频率就能使电路发生谐振。　谐振时，　＋ｔ／ｃ＝０，而电感及电容上的电压如下　式所示。　ｇＯ　Ｌ　ｕＬ＝ｊ　０Ｌ，＝ｊ÷　ｊ　（３）　］　】　以＝一ｊ　，一ｊ—　［／＝一ｊ　（４）　ｏｃＯＣ　０９０ＧＫ　其中０称为串联谐振电路的品质因数，它是回路　的固有参数，与电阻、电感及电容有关，其表达式如下。　，、ＵＬ（了　ｏ）ｕｃ（一　　０）∞ｏ一　一—Ｌ　）６ｏｌ—　ＣＲ一＿√一１／Ｃ￡　　ｔ…　ｂ）　选择合适的　、　，可以使　》１，电路谐振　或接近谐振时，会在电感和电容两端出现远高于外　施电压　的高电压。　谐振时回路输入阻抗为最小值，与回路电阻相　等。输入电压有效值　不变的情况下，电阻电压Ｕ　为最大，与输入电压相等。　在谐振状态时，电源只需要提供电阻　消耗的　有功功率，而无功功率为零值。回路中等效电阻来　源于两个方面，试验系统中各设备的直流电阻及试　验回路电晕损耗的等效电阻。其中，回路固有电阻　通常无法改变，改善品质因数的途径只有减小电晕　损耗等效电阻，即降低回路的电晕损耗。　在现场试验中，试验系统由变频电源、励磁变　压器、谐振电抗器、测量分压器及相应的试验导　线组成，如图４所示。变频电源兼具调节电压和调　节频率的功能，输入工频３８０Ｖ动力电源，输出ｌ０～　３００　Ｈｚ、０～４００　Ｖ交流电压，励磁变压器将这一电压变　换为幅值较高的励磁电压，分压器则测量施加于试品　与地之间的试验电压。回路中的电感主要由谐振电　一５１—　电工电气（２０１３　Ｎｏ．６）　抗器决定，等效电容则主要由试品和分压器两部　分决定，常用的分压器电容量为１　０００～２　０００ＰＦ，　试品电容量大时，分压器电容的影响较小，而试品　电容量较小时，则分压器电容的影响较大，甚至超　过试品本身。试验时，将变频电源输出调节至回路　谐振频率，进而调节输出电压，将试验电压施加至　试品。　励磁变压器谐振电抗器　分压器试品　变频　＿工上＿　上　源电　Ｔ　Ｔ　图４串联谐振试验系统示意图　３设备参数研究　配置试验设备时，根据试验需要确定设备的电　气参数范围，同时需要考虑试验设备制造技术的成　熟程度、成本经济性、使用方便性及安全性确定具　体电气参数、外形参数及其他性能参数。　３．１谐振电抗器　谐振电抗器的配置是整个试验系统的核心，根　据回路谐振条件，可以得出谐振电抗器电感的计算公　式如下：　，Ｊ＝　１　（６）　确定需要的试验频率，根据回路的等效电容，　可以计算出相应的电感值范围。根据标准，试验电压　频率允许范围为ｌ０～３００Ｈｚ，但在实际试验中，出　于不同频率试验效果等效性的争议，并不希望试验电　压频率过低，同时为避免过高的试验电压频率引起　固体介质过高的极化损耗，也不希望试验频率过高，　因此将试验频率范围控制在５０～２００　Ｈｚ范围。由于　并联有均压电容，７５０ｋＶ断路器合闸对地及断口问　的等效电容基本相当，为１　０００ｐＦ左右，此时需要考　虑与断路器并联的分压器电容，回路总等效电容为　２　０００～３　０００　ｐＦ。据此，计算出系统所需电感的范围　为２１１～５　０７１　Ｈ。　考虑提高回路品质因数，应尽可能选择较大的　电感量，但谐振电抗器的体积与电感基本成正比，　其高度与额定电压成正比，为方便现场试验频繁运　输、安装的需要，必须降低电抗器的电感量与额定　一５２一　７５０　ｋｖ断路器现场交流耐压试验系统研究与应用　电压从而保证其体积和高度满足要求。目前成熟的　谐振电抗器有１５０、２００Ｈ等，额定电压为２５０　ｋＶ，　额定电流３～６Ａ不等，具备串联组装的接口。为　方便运输，应尽量降低电抗器体积，因此选择４节　１５０　Ｈ、６　Ａ谐振电抗器，在现场进行串联组装使用。　３．２励磁变压器　励磁变压器的低压额定电压与变频电源的输出　匹配为４００　Ｖ。如前所述，试验电压与励磁变压器　输出电压成正比关系，系数为回路品质因数，但品　质因数并不是常数，随着试验电压越高，电晕损耗　增大，品质因数降低。在试验电压达到７６８　ｋＶ时，　回路电晕损耗达到最大，以品质因数为２０计算，　励磁变压器输出电压３８．４　ｋＶ，考虑一定的裕度，　将其额定电压确定为４５　ｋＶ。励磁变压器高压侧的　额定电流与谐振电抗器的额定电流保持一致，选择　６Ａ，根据变比计算出低压侧额定电流为６００Ａ。　３．３试验导线　谐振电抗器与分压器、分压器与被试断路器连　接的试验导线均承担高幅值的试验电压，这两部分　试验导线是回路电晕损耗的主要来源，降低试验导　线的电晕损耗才能提高回路的品质因数。导体电晕　损耗的程度与电晕的起始电压、承受电压有关，承　受电压相同时，起晕电压越高，电晕损耗越小；达　到起始电压后，承受的电压越高，电晕损耗越大。　根据气体放电理论　，单根导线的起晕场强和　起始电压经验公式如下：　Ｅｃ－３０．３ｍ　（１＋　）　（７）　～ｒ６　Ｕｃ＝Ｅｃｒ１ｎ　（８）　式中，用为表面粗糙系数；　为空气相对密度：，　为导线半径；ｄ为导线镜像高度。对于试验导线，电　晕起始电压与其半径相关，且呈正相关关系，因此　尽可能地提高导线半径是降低导线电晕损耗的唯一　途径。对于现场试验，导线半径过大造价高、重量　沉，既不经济也不方便，考虑到导线承载的电流较小，　不大于６Ａ，因此可以采用主导体加装屏蔽罩空心的　扩径导线形式，如图５所示。主导体处于导线中心，　采用半径０．５　Ｃｍ的铜导线，屏蔽罩采用较为轻薄　的锡箔纸制成，如长度较长可以分段使用钢丝圈支　撑，导线两端采用金属板作为端盖，主导体与屏蔽　罩在端盖处连接在一起。　７５０　ｋｖ断路器现场交流耐压试验系统研究ｓ应用　电工电气（２０１３　Ｎｏ．６）　的半径，就可以达到提高整个扩径导线的电晕起始　电压。按照现场试验的需要，屏蔽罩半径在１５～　２５　ｃｍ范围内选择。　３．４成套系统参数　根据前面的研究，可以配置出成套的７５０　ｋｖＮ　图５扩径导线示意图　路器现场交流耐压试验系统，包括变频电源、励磁　变压器、分压器、谐振电抗器及试验导线，各设备　主要参数如表１所示。　试验时，主导体与屏蔽罩处于等电位状态，参　考实心导体的电晕起始电压经验公式，增大屏蔽罩　表１　７５０　ｋＶ断路器现场交流耐压试验系统参数　４现场试验实例　２０１０年，应用本文所述研究配置的成套系统　对某变电站７５０　ｋＶ断路器进行了现场交流耐压试　验，被试断路器型号ＬＷ１３—８００，额定电压８００　ｋＶ，　额定工频耐受电压９６０　ｋＶ。　分别进行了主回路的老炼及耐压试验、断口的　耐压试验，试验电压频率为１４６．８　ＨＺ及１４５．２　ＨＺ，　试品所有试验均顺利通过，现场试验的数据如表２　所示。　表２　７５０　ｋＶ断路器现场交流耐压试验数据　在主回路试验过程中，随着试验电压提高，回　路消耗功率增加，品质因数下降，并且与电压是非　需要提高试验电压，则需要进一步增加扩径导线半　径，从而降低试验电压下的电晕损耗。　参考文献　［１］孙志强，曲芳．交流耐压试验现场接线分析［Ｊ］．电　工技术，２０１２（４）：６３—６４．　线性关系；在断口试验中，断口电容略低，因此品　质因数略有提高。半径２５　Ｃｍ的扩径导线顺利完成　了试验任务，但若试验电压进一步提高，则很难完　成，则应进一步提高导线半径，降低电晕损耗。　［２］李建基．高压断路器可靠性调查［Ｊ］．电＿Ｔ电气，　２０１０（６）：５８—５９．　５结语　７５０　ｋＶ断路器现场交流耐压试验系统通过串联　谐振原理对被试设备施加试验电压；现场试验设备　［３］刘文革，张明．８００　ｋＶ　ＧＩ　ｓ断路器气体绝缘破坏原因　分析［Ｊ］．中国电力，２００９，４２（８）：８７—８９．　［４］王耀龙．试验接线对断路器高压试验的影响［Ｉ『ｊ．电　工电气，２０１２（７）：４７—４９．　的参数配置需要考虑频繁运输、组装的方便性；完　成试验的关键在于配置合理的设备，有效控制回路　的品质因数，回路的品质因数主要取决于回路的电　晕损耗；本文中研究配置的试验系统能够成功完成　７５０　ｋＶ断路器主回路及断口的交流耐压试验，但若　［５］甘景福，叶朝锋，袁燕岭，等．电缆串联谐振　试验自动计算与设计软件开发［Ｊ］．电工电气，　２０１２（５）：５３—５６．　［６］陈天翔，王寅仲，海世杰．电气试验［Ｍ］．２版．北　京：中国电力出版社，２００８．　收稿日期：２０１２—０３　０７　—５３—