在中国建设坚强智能的1 000kV特高压电网是中国优化电力发展的必然要求^[1,2]。1 100kV断路器是保证特高压电网安全运行的关键设备^[3,4,5]。绝缘型式试验是考核断路器绝缘性能的重要试验^[6]。断口联合电压试验是断路器绝缘型式试验中的重要项目,也是实验室试验过程中的难点。1 100kV断路器较高的绝缘水平和较大的断口电容对高压绝缘试验室提出了更高的要求和挑战^[7]。

断路器单独做工频试验或冲击试验时,仅需要一个工频电压回路或冲击电压回路即单侧加电压实现。断路器断口联合电压试验时,须通过相位控制工频电压和冲击电压两个回路即两边加电压而实现。由于工频电压回路和冲击电压回路间的电容耦合,冲击电压波通常会影响工频电压波形,使工频电压侧产生电压跌落。一般而言,在工频侧的端子上并联一个适当容量的电容器可以减小电压跌落^[8]。为了保证冲击电压峰值与工频电压峰值之和满足断路器断口试验电压相关国家标准要求,必须提高冲击电压或工频电压峰值,但提高部分不能超过标准相关规定^[8]。

断路器联合电压试验时,工频侧的电压跌落与断路器断口等效电容及施加冲击电压波形密切相关,1 100kV断路器较高的断口并联电容使得其联合电压试验时工频侧的电压跌落现象更为明显,试验调试过程更为复杂^[7]。为有效缩短设备调试周期,提高试验效率,采用数值分析计算方法对1 100kV断路器断口冲击联合电压试验进行仿真,对确定合适的试验方案,节省人力物力具有重要意义。

断路器断口冲击联合电压试验有操作冲击叠加工频（SIWV+AC）及雷电冲击叠加工频（LIWV+AC）两种形式^[9]。本文应用电磁暂态程序EMTP对1 100kV SF₆断路器断口冲击联合电压试验的多种工况进行了数值计算,对并联电容对断口电压跌落系数的影响进行了分析,确定了断口联合电压试验方案。

质量检测中心特高压绝缘试验室建成于2009年,空间净尺寸为60m（长）×50m（宽）×42m（高）,试验变压器额定参数1 600kV/2 240kV·A,冲击发生器额定参数4 800kV/720kJ。新东北电气提供的1 100kV断路器试验极布置形态如图1所示。

该绝缘试验极当断路器处于合闸位置时的等效电容约2 500pF,当断路器处于分闸位置时的等效电容约1 400pF,在试验变压器的负载能力范围之内。

1 100kV断路器试验极在绝缘试验室摆放时应考虑不同加电压条件下两个套管各自与试验设备、墙壁及其他堆放物体间的空间距离,要求在10m以上^[10]。

1 100kV SF₆断路器要求的绝缘试验参数^[11]见表1。

断路器断口冲击联合电压试验由于涉及到相位控制、断口跌落电压补偿等技术,该项目一直是绝缘试验室做绝缘试验时的重点和难点。1 100kV断路器冲击叠加工频的断口联合电压试验回路如图2所示。

图2中,TO（test object）为试品,左边回路为工频电压回路,右边回路为冲击电压回路。冲击电压波对工频电压波形的影响程度取决于断路器断口等效电容、试验回路电感、电容分布及施加冲击电压波形等诸多因素^[7]。

GB/Z 24838—2009中规定：在进行断口联合耐压试验时,由于雷电冲击电压或操作冲击电压造成断口的另一侧工频电压峰值有明显跌落时,原则上应在工频电压峰值侧予以补足,保证断口间总的电压不低于规定值^[11]。

1 100kV SF₆断路器断口等效电容约650pF。质量检测中心有一现成的1 400pF电容。试验前期,质量检测中心会同新东北电气就断路器断口冲击联合电压试验讨论了三种方案。

（1）优选方案：在工频侧并联一适当电容,跌落电压补偿完全通过提高工频侧的电压幅值实现且补偿后的电压幅值最大为规定值的110%。该方式的优点是满足GB/Z 24838—2009要求,不显著增加试品工频侧绝缘负担;缺点是试验室可能需要购买新的电容,而且该方式可能受试验变压器容量限制。

（2）备选方案一：在工频侧并联一1 400pF试验室现成电容,跌落电压补偿完全通过提高工频侧的电压幅值实现,但幅值可能超过规定值的110%。该方式的优点是满足GB/Z 24838—2009要求,试验室不需要购买新的电容;缺点是该方式会显著增加试品工频侧的绝缘负担,且若电压跌落系数过高,同样可能受试验变压器容量限制,单独工频侧的电压补偿恐怕难以满足要求。

（3）备选方案二：在工频侧并联一1 400pF试验室现成电容,跌落电压补偿通过部分提高工频侧电压幅值,部分提高冲击侧电压峰值实现。该方式的优点是试验室不需要购买新的电容,试验可以在变压器容量不够的条件下进行。缺点是不完全满足GB/Z 24838—2009要求,而且该方案显著增加了试品工频侧和冲击侧的绝缘负担,需要新东北电气和国网监造专家共同认可。

本文应用EMTP电磁暂态程序,针对图1试验极布置、图2试验回路和三种可能的试验方案进行了数值仿真。当1 100kV断路器动侧施加冲击电压、静侧施加工频电压时的仿真电路如图3所示。

表2给出了静侧施加雷电冲击2 400kV,动侧施加工频,工频侧并联不同电容时的电压跌落系数、补偿后工频侧需要施加的电压幅值和变压器的负载电流有效值。表3给出了工频侧并联电容为1 400pF时各种工况下的电压跌落系数、工频侧需要施加的电压幅值和变压器的负载电流有效值。图4给出了表3中工况4数值仿真的电压波形。

通过对1 100kV断路器断口冲击联合电压数值仿真,得出的结论有：

（1）若采用优选方案,工频侧的并联电容即使高达6 000pF,电压跌落系数仍高达8.02%,试验变压器电流有效值将达到2.39A,超出了试验变压器的容量,而工频侧需要施加的电压峰值仍高达1 092.48kV,超过了规定值的110%（900×110%=990kV）,故该方案不可行。且随着并联电容的增加,电压跌落系数虽逐渐减小,但减小的梯度呈饱和趋势。

（2）对于工频侧并联1 400pF电容的情况,对于工况2、4,变压器满足要求;但对于工况1、3,若单独通过提高工频侧电压幅值补偿,其负载电流将接近变压器的极限工作状态,极易使其损坏。

（3）建议工况2、4采用备选方案一,即对于操作冲击联合工频的试验方式,可以单纯通过提高工频侧的电压峰值补偿电压跌落。

（4）建议工况1、3采用备选方案二,即对于雷电冲击联合工频的试验方式,应通过部分提高雷电冲击侧的电压峰值、部分提高工频侧电压峰值补偿电压跌落。

根据第4节数值仿真结果,对1 100kV断路器对应表3中四种工况实际进行联合电压试验时,工况2、4采用了备选方案一,工况1、3采用了备选方案二。实际试验时各种工况下冲击侧、工频侧施加电压峰值及断口电压跌落系数见表3。工况3和工况4试验时的真实电压波形如图5和图6所示。

由表3可知,实际试验时各种工况下测得的电压跌落系数与计算值略有差异,原因在于试验设备及试品对地杂散电容的影响。

质量检测中心基于分析研究结果根据GB/Z 24838—2009对新东北电气研制的1 100kV SF₆断路器进行了断口联合电压绝缘试验,试验过程有国网监造专家见证。

对1 100kV SF₆断路器断口联合电压试验的数值仿真和方案确定有效缩短了试验设备调试时间、提高了试验效率。1 100kV SF₆断路器断口联合加压试验的顺利完成,标志着中国特高压开关设备的绝缘试验水平达到了一个新的高度。