气体绝缘金属封闭开关(gas insulated switchgear, GIS)作为电力系统最重要的变电设备，主要由内部绝缘气体、母线、避雷器、断路器、接地开关、隔离开关等组部件组成，并封闭在接地的金属外壳中，也称为组合电器[1-2]。因其具有占地面积小、运行维护成本低、环境适应性强等特点，近年来已应用于各电压等级变电站，年均增长率约10%。

GIS电磁式电压互感器在气体绝缘开关设备中起着重要的作用，一是将高电压信号转换为适合测量和监控的低电压信号，便于仪表和保护设备的使用；二是提供准确的电压信号，帮助保护继电器等设备在发生故障时及时切断电路，保护设备和人身安全；三是可实时监测电力系统的电压状态，为调度和管理提供重要的数据支持；四是用于准确测量电能的消耗，为电费结算提供依据[3-4]。

GIS设备各组部件现场安装完毕后均需经受交流耐压试验的考核，可检查试品安装或检修后是否存在各种导致内部故障的隐患(包括安装、运输、储存、调试中的损坏及存在异物等),验证其绝缘性能是否良好。按照交接试验标准、状态检修试验标准及预防性试验等标准规定，GIS设备现场交流耐压需达到额定绝缘水平的100%或80%。电磁式电压互感器作为GIS中的重要元件，与GIS设备母线直接相连，且母线电磁式电压互感器间隔不配置断路器，一旦发生绝缘击穿故障将造成整条母线停电。由于电磁式电压互感器本身布置型式及磁饱和的特殊性，受试验条件限制，现场交流耐压试验往往无法按额定绝缘水平进行考核，对电压互感器内部及其过渡气室部位难以有效考核期绝缘性能[5-7]。本文从设备结构及布置型式出发，分析GIS电磁式电压互感器连同主回路进行交流耐压试验的可行性，规范试验要求并提出现场交流耐压试验方法，并在现场开展该方法的应用可行性验证，为统一GIS设备电磁式电压互感器现场交流耐压试验标准提供依据。

1、GIS电磁式电压互感器

1.1 GIS电磁式电压互感器结构

GIS电磁式电压互感器是一种把电网中的高电压转化为低电压的设备，二次额定电压一般为100 V、100/3V、100/3 V。它的基本工作原理与变压器相同，由一次和二次绕组、铁芯、引出线，以及绝缘结构等构成，等同于一种降压变压器，将一次侧的电压通过降压变压器转换成二次侧的电压。相对变压器，其特点是容量小，通常只有几十到几百伏安，二次负荷为仪表和继电器的电压线圈，基本上是恒定高阻抗，其工作状态接近电力变压器的空载运行。由于GIS设备本身结构紧凑，变电站GIS设备母线通常采用电磁式电压互感器结构，其单相电磁式电压互感器的典型结构如图1所示。

图1 GIS单相电磁式电压互感器结构

图1中，GIS单相电磁式电压互感器内部一次线圈、二次线圈、铁芯等元器件均封闭在金属外壳中，一次线圈引线采用接线板、屏蔽筒等设计保证互感器一次引线与GIS盆式绝缘子中心导体可靠连接，其内部绝缘主要包括整体对地绝缘、一次线圈与二次线圈之间绝缘、铁芯绝缘、二次端子部位绝缘等，因此需在电压互感器现场安装完成后进行交流耐压试验，以确保对应部位的绝缘性能满足要求。图2为三相GIS电磁式电压互感器实物结构，220 kV以下电压等级变电站母线电压互感器往往采用三相一体结构，三相铁芯呈Y型布置，线圈呈△布局，其他各部位绝缘要求与单相电磁式电压互感器相同。

图2 GIS三相电磁式电压互感器实物

1.2 GIS电磁式电压互感器布置型式

反措规定双母线、单母线或桥形接线中，GIS母线避雷器和电压互感器应设置独立的隔离开关。3/2接线中，GIS母线避雷器和电压互感器不应装设隔离开关，宜设置可拆卸导体作为隔离装置。不同电压等级的GIS母线电压互感器布置型式如图3所示。

图3 GIS设备电压互感器布置型式

图3中，GIS设备电压等级不同对应的电压互感器的布置型式不同，其中M代表母线、DS为隔离开关、ES为接地开关、VT为电磁式电压互感器。126～252 kV GIS电压互感器带隔离开关，可以采用隔离开关实现电压互感器与母线的分离。363 kV及以上电压互感器带可拆卸导体，主要原因为超特高压等级GIS设备一般采用3/2接线型式，母线电压互感器如配置隔离开关及接地开关，易发生因隔离开关或接地开关分合问题导致整条母线停电的隐患，因此采用固定连接的可拆卸导体。受现场试验条件限制一般在不安装可拆卸导体下进行主回路交流耐压试验，待试验完成可拆卸导体恢复连接，保证回路可靠连通。

1.3 GIS电磁式电压互感器绝缘水平

GB/T 7674《额定电压72.5 kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》规定气体绝缘金属封闭开关设备由可直接连接在一起的独立元件构成，且这些元件只能按这种方式进行[8]。母线电压互感器作为GIS内部的关键元件，一次线圈首端与GIS主回路相连，一次线圈另一端为接地端，构成GIS的元件可按照各自的标准具有独立的额定电压值，可能具有限定的绝缘水平(一般指避雷器),母线电压互感器绝缘性能与GIS本体绝缘水平一致，GIS设备极对地的额定绝缘水平如表1所示。

表1 设备额定绝缘水平

2、现场交流耐压试验标准差异性分析

由于GIS电磁式电压互感器存在铁芯磁饱和效应，且一般电压互感器工频饱和电压为1.5倍或1.9倍额定电压，表1所示其交流耐压需达到的目标试验电压为电磁式点互感器额定电压的2倍以上，根据法拉第电磁感应定律，电磁式电压互感器的励磁饱和电压与其频率成正比关系，因此为了防止电压互感器铁芯进人饱和而无法实现耐压试验考核，GIS电压互感器厂内试验方法如图4所示。

图4 GIS电压互感器出厂耐压试验电气原理

电压互感器出厂试验耐压时将试验变压器一次侧与电压互感器一次侧首端A相连，被试电压互感器一次尾端N、二次尾端n接地；使用变频电源将50 Hz电压输入转换变为150 Hz电压输出，变频电源输出经调压器变换后输入至试验变压器低压侧，同时将补充电抗器连接至试验变压器低压侧以减小试验变压器低压侧输入电流；通过调节调压器输入值实现试验变压器高压输出值达到电压互感器所需耐压值，此时电压互感器所承受电压频率为150 Hz, 幅值为耐压所需电压。

GB/T 7674《额定电压72.5 kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》规定GIS每一个新安装的部件都应进行现场绝缘试验，交流耐压试验如果能防止电压互感器饱和，试验时电压互感器可保持连接。DL/T 618《气体绝缘金属封闭开关设备现场交接试验规程》规定GIS主回路绝缘试验若采用调频电源时，电磁式电压互感器经计算，其频率不会引起铁芯饱和，在与制造厂协商后，可与主回路一起进行耐压试验(主回路耐压试验电压波形为交流电压，频率宜为30 Hz～300 Hz);因试验条件限制无法按耐压试验程序考核的设备部件(电压互感器或避雷器等的连接导体、母线侧隔离开关局部),可施加空载运行电压进行考验，持续时间应不少于1 h[9-10]。

GIS设备交流耐压试验分为交接试验及检修后试验，交接试验按额定绝缘水平的100%进行，检修后交流耐压试验按照额定绝缘水平的80%进行。目前，800 kV及以上电压等级GIS设备电压互感器工频饱和电压与交流耐压值接近，电压互感器耐压试验频率大于50 Hz时可GIS与主回路同时耐压(试验前需与制造厂商确认);550 kV及以下电压等级GIS设备电压互感器与主回路同时耐压需结合电压互感器励磁电压特性进行核算(一般大于100 Hz, 需与制造厂商确认),考虑试验条件限制往往在电压互感器对接后采用施加空载运行电压方式进行考核。

3、GIS电磁式电压互感器现场交流耐压试验方法分析

3.1 不同布置型式下绝缘试验有效性

对126 kV～252 kV GIS电压互感器，GIS主回路交流耐压时电压互感器隔离开关处于分闸状态，待主回路交流耐压试验完成后电压互感器隔离开关合闸再次施加运行电压考核1 h,该过程隔离开关插入状态、隔离开关气室电压互感器侧绝缘及电压互感器内部绝缘难以按标准考核。对于363 kV及以上GIS电压互感器，图5中可拆卸导体与电压互感器本体分别处于两个气室，可拆卸导体距离需满足额定气压下对应GIS设备绝缘间距要求。GIS主回路交流耐压时拆除可拆卸导体并恢复该气室内SF6气压，待主回路交流耐压试验完成后，抽气并恢复可拆卸导体，抽真空再次注气后施加运行电压进行考核；可拆卸导体拆装过程工艺把关不良时容易引起电压互感器侧绝缘子内部异物，且该气室需经历频繁开盖及充放气带来的不利因素，电压互感器侧绝缘及其内部绝缘无法按标准考核。

图5 GIS电压互感器可拆卸导体连接方式

3.2 GIS电压互感器连同主回路耐压的可行性

126 kV及以上GIS设备交流耐压试验主要采用串联谐振交流耐压试验方法，依据被试GIS设备的电容量与试验电抗器形成串联谐振在高压侧产生需要的试验电压(频率30 Hz～300 Hz),试验频率由GIS试品参数及试验回路设备决定，并由变频试验电源进行调节，谐振试验频率如式1所示，试验原理如图6所示。

图6 GIS设备串并联谐振交流耐压试验方法

不考虑GIS电磁式电压互感器饱和特性时对GIS进行交流耐压试验往往采用串联谐振试验电抗器L,与被试GIS间隔对应的电容量C形成谐振，谐振频率满足30～300Hz范围即可。如连同主回路进行交流耐压，为满足频率在饱和频率范围以上，需采用并联试验电抗器降低回路电抗或分批调整被试GIS耐压范围，满足GIS电压互感器耐压试验频率要求，可使GIS电压互感器在不饱和特性下与主回路一起进行现场交流耐试验，无需对可拆卸导体进行拆装及电磁式电压互感器隔离开关进行分合操作，提升试验效率的同时实现GIS设备各组部件整体绝缘试验考核。

根据电磁式电压互感器励磁特性，若在50Hz额定频率下对电压互感器进行耐压试验，则在升高电压时，铁芯中磁通将会严重饱和，会导致励磁电流增大到不能允许的程度。在绕组匝数及磁通幅值一定的情况下，增加电源频率可以达到增加电压的目的，因此需依据电磁式电压互感器的励磁特性计算出对应试验电压下频率应不低于导致铁芯中磁通饱和的频率。目前，变电站110kV及以上系统都是中性点有效接地系统，进行电磁式电压互感器励磁特性试验时，要求在1.5倍额定电压下铁芯不发生饱和。以363kV GIS设备电磁式电压互感器现场交接试验为例，其试验频率下限可按式(2)进行计算。

式中：363kV GIS现场交接试验交流耐压试验按照额定绝缘水平的100%(510kV)时，铁芯饱和的理论计算频率值为81Hz。因此，电磁式电压互感器连同GIS设备主回路采用变频试验方法进行交流耐压时，需考虑一定的频率裕度，试验频率控制大于100Hz时不会引起铁芯饱和。

GIS设备电压等级的不同组部件电容量不同，不同厂家GIS设备部件的电容量也不同，试验设备的电感量一定情况下需控制耐压试品的电容量范围。依据750kV设备典型组部件电容量计算，如表2所示。

表2 750kV GIS元件的的对地电容量设计值

按主流363 kV及以上电压等级交流耐压试验串联谐振电抗器电感量200 H计算，交流耐压试验时频率控制100 Hz以上时，如满足电压互感器连同主回路进行交流耐压试验，则主母线长度约小于100 m; 如谐振电感量100 H计算，则主母线长度约小于200 m。

3.3 GIS电压互感器感应耐压试验分析

标准规定GIS交流耐压试验可利用GIS自身的电压互感器，由低压侧供电，此时高压侧反馈出来的电压也可作为现场试验需要的交流电压。对于363 kV及以上GIS设备电磁式电压互感器由于本身等效电容量较大、二次绕组容量有限，现有感应耐压试验装置无法满足试验需求，必须连同母线进行交流耐压试验；对126～252 kV GIS电压互感器经计算感应耐压试验装置及二次绕组容量满足，现场交流耐压受试验条件限制时，可采用感应耐压试验方法单独进行GIS电压互感器交流耐压[11-12],感应耐压试验方法如图7所示。

图7 GIS电压互感器感应耐压试验原理

图7中感应耐压试验时二次绕组施加电压一般在da-dn绕组进行，由于电磁式电压互感器二次绕组的额定容量较小且本体等效电容量较大，需在各二次绕组分别并联电抗器进行补偿，以抵消二次回路的容性电流，控制交流耐压时二次绕组电流满足容量限制，避免损坏电压互感器二次绕组。

4、试验方法现场实践验证

2024年7月，某750 kV变电站363 kV GIS设备电压互感器发生故障，在电磁式电压互感器更换后需进行现场交流耐压试验，设备交接试验耐压时采用单组串联谐振电抗器进行耐压，受试验条件限制按标准采用1 h的运行电压进行替代，试验时串联谐振电抗器电感量为160 H,试验频率为83 Hz。此次耐压试验为设备更换后的交流耐压，按照额定工频耐受试验电压的80%进行，依据GIS电磁式电压互感器连同主回路进行耐压试验方法，电磁式电压互感器需满足不饱和频率范围要求。因此，在原有串联谐振电抗器160 H基础上，再并联两组电抗器，其电感量分别为160 H、190 H,则采用图5所示谐振回路进行计算，其等效串联谐振电感量为56.5 H,按式(3)估算试验时频率。

在两组并联电抗器基础上，谐振耐压时频率为139.7Hz, 已满足电磁式电压互感器不饱和频率范围要求并大于100Hz, 本次试验时更换三相电磁式电压互感器，逐相进行耐压试验，试验时频率如表3所示。

表3 三相交流耐压试验结果

试验结果可以看出，A相计算的试验频率基本与试验时频率一致，B、C相试验时频率与计算频率略有偏差，主要原因为计算时依据的频率为A相交接时的频率83 Hz进行等效折算，但该站363 kV GIS设备采用母线高位布置型式，电压互感器间隔及出线间隔对应三相的分支母线长度不同，A相分支母线最长、C相分支母线最短，A相试品等效电容量最大且比C相多2.5 nF,因此试验频率表现为C相最大、A相最小，与计算结果相吻合。试验结果验证了采用串并联谐振试验，控制试验频率在对应GIS电磁式电压互感器不饱和频率范围内，可对互感器连同主回路进行交流耐压试验。

5、结 论

1)GIS电磁式电压互感器现场交流耐压试验标准不统一，如采用施加工频电压1 h方式进行替代试验，则电压互感器本体绝缘及相邻过渡气室绝缘无法达到绝缘试验目的，GIS电磁式电压互感器现场交流耐压试验需按额定绝缘水平考核。

2)126 kV及以上GIS电压互感器连同GIS设备主回路开展交流耐压试验时，首先计算电压互感器铁芯不饱和的试验频率要求，确定试品电容量参数后配置合理电抗器，可实现不饱和频率范围内GIS电压互感器连同主回路开展交流耐压试验。

参考文献:

[1]刘洪正.高压组合电器[M].北京:中国电力出版社,2014.

[2]徐剑浩.气体绝缘金属封闭开关设备[M].北京:中国电力出版社,2014.

[3]丁瑞,徐楠,朱佳佳.电磁式电压互感器铁磁谐振的消谐措施[J].电工技术,2023(18):192-194.

[4]屠晔炜,邓涛,沈辉,等.电磁式电压互感器故障分析及处理[J].电工技术,2022(9):92-95.

[5]陈博栋,吴玉硕,陈乾栋,等.串并联谐振在750 kV GIS特长母线交流耐压试验中的应用[J].电工技术,2022(11):119-121.

[6]严鹏志,袁超,黄涛,等.一起GIS交流耐压试验中PT二次回路缺陷的发现[J].电工技术,2019(7):124-125.

[7]杨宏伟,陈宇民,彭晶,等.GIS交流耐压试验发展趋势[J].云南电力技术,2018,46(3):54-57.

[8]全国高压开关设备标准化技术委员会.额定电压72.5 kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备:GB/T 7674—2020[S].2021.

[9]电力行业气体绝缘金属封闭电器标准化技术委员会.气体绝缘金属封闭开关设备现场交接试验规程:DL/T 618—2022[S].2011.

[10]全国互感器标准化技术委员会.互感器第3部分:电磁式电压互感器的补充技术要求:GB/T 20840.3—2013[S].2014.

[11]苏陈云,戴智荣.220 kV GIS电磁式电压互感器现场变频感应耐压试验[J].黑龙江电力,2013,35(4):346-348.

[12]肖勇,潘翀,杨帆,等.110 kV GIS电磁式电压互感器三倍频感应耐压试验[J].电力自动化设备,2011,31(11):139-142.

文章来源:张建国,马青,朱林,等.GIS电磁式电压互感器现场交流耐压试验方法分析[J].宁夏电力,2024,(06):46-51+60.