GIS同频同相耐压试验技术

完成单位：国网重庆市电力公司电力科学研究院

主要完成人：王谦、龙英凯、吴高林、肖前波、印华、葛凯、黄昊、刘佳、张良胜

一、研发背景

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）自上世纪60年代发明以来，因其可靠性好、可用率高和占地面积小的优势，在电力系统得到了非常广泛的应用。但在GIS设备扩建或检修后的交流耐压试验中，却遇到了几乎不可调和的矛盾：

一方面，为发现制造及安装环节的潜在缺陷，现有规程规定GIS间隔扩建或检修后必须进行交流耐压试验，为保证试验安全，试验时同电压等级GIS设备必须全部停电，即运行部分必须“陪停”。

另一方面，枢纽变电站、带有重要负荷（如高铁、炼钢厂、医院等）以及互带能力不强的变电站，一旦停电将带来巨大的经济损失，甚至造成严重的社会影响。

这一矛盾随着社会经济的发展以及重要行业对供电可靠性要求的提高，变得越来越突出，以致于GIS设备停电进行交流耐压试验极其困难甚至根本无法实施。而对于单母线、双母线等典型接线方式GIS设备，目前尚无很好的解决办法。

  二、发明团队介绍

本项目成果由国网重庆市电力公司电力科学研究院设备状态评价中心科研团队研发，第一发明人王谦，男，43岁，工学硕士，正高级工程师，国网公司第一批专业领军人才（检修专业），IEEE PES变电站运维技术分委会秘书长，是重庆公司“输变电设备状态评价及故障诊断科技攻关团队”的核心骨干成员。现任国网重庆市电力公司电力科学研究院副总工程师、设备状态评价中心主任，长期从事电气设备状态检修及故障诊断研究，具有较强的理论水平和丰富的实践经验。

  三、成果(专利)简介

为了解决这一难题，项目组创造性的提出一种GIS设备不停电交流耐压试验技术——GIS同频同相在役试验技术，完成了从试验方法、试验装置到现场应用的全方位技术研究和应用，并取得了如下技术发明：

（1）在国内外首次提出一种基于快速锁频锁相技术的GIS同频同相在役试验方法，该方法以降低GIS隔离开关断口电压为突破口，确保在试验过程中试验电压与运行电压同频率同相位，解决了同电压等级GIS设备必须全部停电才能对扩建或检修部分进行交流耐压试验的难题。

该技术提出的GIS同频同相耐压试验方法以调感串联谐振方法为基础，通过运行的电压互感器获取母线运行电压，利用快速锁频锁相控制技术对其频率和相位进行实时动态跟踪，使试验电压与运行电压的频率和相位处于同频同相状态，其试验原理如图1所示。图中原有运行部分保持带电运行，接地开关ES1、断开，隔离开关DS1闭合，DS2和DS3断开，断路器CB1闭合。

在同频同相状态下，如图2所示（其中UT为耐压试验电压，U0为母线运行电压），原有运行部分与被试间隔连接处的隔离开关DS2和DS3断口电压Δu为运行电压和试验电压绝对值之差，远小于隔离开关断口的工频耐受电压，因而不会导致该隔离开关断口击穿，也不会对其它处于带电运行状态的GIS设备产生影响，从而实现不停电耐压。

图1 同频同相耐压试验原理图

图2 同频同相状态示意图

（2）国内外首次发明并研制出第一套GIS同频同相在役试验装置，能够适用于550kV及以下电压等级GIS扩建或检修间隔不停电试验，并在重庆、冀北、广东、安徽、江西、宁夏、西藏、甘肃、四川、辽宁、陕西等14个省市成功开展了400余站次现场应用。

该装置由同频同相试验系统、串联谐振试验系统（包括试验变压器、保护电阻器、电抗器及电压测量装置）和监控保护系统组成，试验装置结构如图3所示。同频同相试验系统将运行电压和试验电压作为输入信号，通过锁相控制驱动输出与运行电压同频率同相位的初级电压信号，经大功率电力电子系统放大，最后与串联谐振试验系统融合，输出满足规程要求的试验电压。

该装置具有安全可靠、控制精准的优点。在试验过程中，试验电压和运行电压之间相位差可以控制在1°范围内，确保实时同频同相。

图3  GIS设备同频同相在役试验装置结构图

（3）研制出一套专用于GIS同频同相在役试验的监控保护系统，在试验全过程中通过多重保护手段，对可能发生的电压反相、系统扰动等异常情况进行保护，提高试验装置的可靠性，确保运行系统、试验装置和人身安全。

同频同相监控保护系统可以实现试验电压、运行电压、断口电压、相位差、频率等关键参数的实时监控和装置保护功能。

保护功能具备频率相位保护功能、过压保护功能和电压突变保护功能。

1）频率相位保护功能

当试验电压与运行电压频率发生偏差、相位发生位移，超过装置保护定值范围时，保护功能启动；当运行电压频率异常，即监测到母线频率超过保护定值范围，或在保护定值范围内突变时，保护功能启动。

2）过压保护功能

当断口电压值超过装置保护定值时，保护功能启动；当试验电压值超过装置保护定值时，保护功能启动。

3）电压突变保护功能

当断口电压值较前一周波电压值有较大变化，超过装置保护定值范围时，保护功能启动。当试验电压闪络时，保护功能启动；当母线信号缺失，即一个周波内未检测到母线参考电压信号时，保护功能启动；当母线电压异常，即母线电压波动超过保护定值范围时，保护功能启动。

  四、成果（专利）转化情况介绍

本项目成果自2012年起率先在重庆得到应用，解决了重庆地区GIS变电站扩建或检修间隔必须在相邻运行部分全部停电时才能进行耐压试验的难题，目前该成果采用自主实施的方式开展现场同频同相技术服务，产生直接经济效益315万元，已经在重庆、冀北、广东、安徽、江西、宁夏、西藏、甘肃、四川、辽宁、陕西、山西、湖南、云南等14个省市开展超400余站次现场应用，效果显著。后期计划采用“自主实施+专利实施许可”的方式开展专利转化工作。

五、经济效益与社会效益介绍

GIS同频同相耐压试验技术通过自行实施产生直接经济效益315万元，该成果已经在重庆、冀北、广东等14个省市开展超400站次现场应用，避免了变电站停电，累计减少停电损失7.36亿元。该技术的实施，一是提高供电可靠性，服务地方经济社会发展。二是促进GIS设备推广应用，推动坚强智能电网的发展。