750 kV GIS变电站VFTO特性分析

卢鹏

（河南平高电气股份有限公司，河南省平顶山市，467001）

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备（gas-insulated metal-enclosed sw itchgear，GIS）中隔离开关的操作会产 生 特快 速 暂态 过 电 压（very fast transient overvoltage，VFTO）。可能导致GIS本体及其相连的设备（如变压器）绝缘损害，并可能产生电磁干扰，影响二次设备[1]。目前，西北电网中已投运多个750 kV GIS的变电站。由于担心VFTO危害主设备绝缘，自750 kV输电线路示范工程投运以来，对GIS中隔离开关一直采取停电操作的倒闸方式。由于当时涉及的750 kV变电站和线路较少，停电影响范围不大，因此虽然操作有所不便，仍基本满足运行调度要求，但是，随着750 kV电网规模迅速扩大，电网结构日趋复杂，后续还将有多座750 kV GIS变电站或升压站陆续投运，这种非标准、不正常的倒闸操作方式已经严重制约750 kV电网的正常调度、运行和维护，尤其不利于电网事故的快速处置和恢复，影响电网安全运行。750 kV GIS中隔离开关正常带电操作问题，迫切需要妥善解决。在理论计算的基础上进行实测，是评价VFTO危害的直接手段。

1 750 kV GIS变电站VFTO仿真计算

本文以西北电网中某750 kV GIS变电站为例，计算分析隔离开关操作在系统各个测点产生的VFTO。系统接线图如图1所示。图中：CB1—CB7为断路器；DS1—DS14为隔离开关；Bg为套管；Rec为电抗器；CVT为电容式电压互感器；MOA为避雷器。

计算工具为ATP-EMTP，主要元件仿真模型如下：变压器绕组采用等值入口电容模型，该模型和带损耗的高频模型以及以线饼为单元的变压器等值回路模型相比，在计算VFTO时的结果基本相同[2]。本文取变压器入口电容为9 000 pF；电容式电压互感器、套管、电抗器均采用集中参数的等值对地电容，电容值分别为5 000、460和5 000 pF；母线及架空线均采用分布参数模型；闭合的开关元件简化为等长的母线[3]。

负荷侧的残留电压以-1.0 pu考虑。电源侧合闸时的电压以+1.0 pu计[4]。“负荷侧”指隔离开关合闸前及分闸后其电压为零或保持某个值不变（残余电荷影响）的那一侧；而“电源侧”的电压为系统电压，始终以正弦规律变化。隔离开关负荷侧残余电荷电压取-1.0 pu，电源的合闸相角取0°，此时计算得到的VFTO幅值为最大[5]。GIS隔离开关操作一般只是开合隔离开关至断路器之间的短线，过电压一般出现在短线上。如果被操作的隔离开关的电源一侧连有适当长度的空母线，在空母线端部因波的多次折反射可能出现较高的过电压。最高过电压可能出现在空母线端部[6]。

针对系统各种运行方式下隔离开关操作产生的VFTO进行了大量的电磁暂态仿真计算。这些计算涉及了多种750 kV隔离开关操作方式，基本上涵盖了电网调度运行中变电站现场实际可能进行的倒闸方式。所有操作方式下各个测量点最大VFTO的理论计算值见表1。

在此基础上，以尽可能现场测量到最大过电压为目标，并根据西北电网实际运行情况，本文选取2种具有代表意义的750 kV隔离开关操作方式进行说明。

方式一：CB1和CB4合闸，其余断路器为分闸状态，操作隔离开关DS9（不带合闸电阻），如图2所示；由于现场测量时测点5的预埋电极探头损坏，故用测点4替代。

方式二：CB2、CB3、CB5合闸，其余断路器为分闸状态，操作隔离开关DS8（不带合闸电阻），如图3所示。

图2～3中黑色粗线代表带电部分，隔离开关操作方式一理论计算VFTO波形（合闸）见图4，隔离开关操作方式二理论计算VFTO波形（分闸）见图5。

2 VFTO现场实测

2.1 测量系统原理

图6为VFTO测量系统原理图。其基本原理是预埋的电极与GIS导体间的电容（C0）以及外接电容（C）构成电容分压器，提取GIS内部高频VFTO信号后，经二次电阻分压，再经电/光及光/电转换，由数字示波器记录并存储最终的波形。C0约为20 pF，每测点安装4个分压器，其电容值约80 nF（20 nF×4）。

每次测量利用布置在所操作的隔离开关两侧的2个盆式绝缘子，分别测量高频（VFTO波形）与低频（阶梯状波形）两个信号，通过分析对比，可以得到VFTO波形以及击穿、重燃的时间。记录高频信号的示波器采样频率为1GS/s，记录时长为10μs；记录低频信号的示波器采样速率为50 kS/s，记录时长为200ms。测量系统现场安装情况如图7所示。

2.2 测试总体情况

现场实测时共计拉合隔离开关40次（拉、合各算1次），一次设备保持正常运行，750 kV GIS、主变等一次主设备均未发生绝缘损坏或其他故障；二次系统和相关辅助设备运行稳定，未出现误发信号、误动作等异常现象；对GIS进行了局部放电、SF6气体成分、主变压器油中气体等项目检测及设备外观检查，均未发现异常。

2.3 VFTO波形分析

2.3.1 波形分析原则

在GIS的隔离开关分、合过程中，动、静触头之间将形成SF6气体间隙。根据放电理论可知，气体间隙是否发生击穿，主要取决于介质强度和施加于该间隙两端的电压，而介质强度则与间隙距离紧密相关。因此，对于所操作的750 kV隔离开关，由于电极形状等相关因素已经确定，则气体间隙的击穿、熄弧以及再击穿等过程，将主要受由于动触头运动而引起的间隙距离变化以及气体间隙两端电压的变化共同控制。以下的波形分析主要基于上述原则进行。

2.3.2 方式一，没有残余电荷情况下隔离开关合闸

典型的VFTO波形如图8和图9所示。

首先，根据负荷侧波形变化情况，补全电源侧交流正弦电压波形，如图8中的虚线部分所示。由于在本方式下，隔离开关DS9第1次进行带电合闸操作，因此其负荷侧残余电压为0。在隔离开关合闸过程中，动、静触头之间的距离将不断缩短，而施加于动、静触头之间SF6气体间隙上的电压（即电源电压），则以正弦规律随时间变化。隔离开关的分、合行程平均需要大约170ms才能完成，因此，在合闸前段时期由于动、静触头间隙距离较大，未发生（预）击穿现象。在发生第1次预击穿之前，负荷侧电压一直保持不变，而电源侧电压则不断上升（例如从A点开始）；同时，由于动、静触头之间的距离也在不断缩短，当电源侧电压升至B点位置时，恰好满足间隙击穿的条件，发生了第1次燃弧，并触发测试系统进行高速录波。

SF6气体间隙击穿引起GIS中电压（电流）陡波的传播和多次折、反射过程，即VFTO现象，从图9中可以看出，间隙击穿瞬间，电源侧电压下降、负荷侧电压则快速上升，这主要是由于击穿前电源侧处于高电压（高电位）而负荷侧则处于零电位（低电位）造成的。由于VFTO陡波自身所具有的能量较小，随着时间的推移，在经过一系列复杂的振荡及衰减后，其幅值和频率都大幅度降低，电源侧与负荷侧电压迅速趋于一致。

随着隔离开关负荷侧与电源侧电压趋同，动、静触头之间的电压差也将大幅度降低，不足以维持电弧在SF6气体中持续、稳定燃烧。因此，在几至几十μs之内，电弧将熄灭。电弧熄灭后，受残余电荷影响，负荷侧将具有电弧熄灭时刻电源侧的电势（电压），表现为直流形式并可长时间保持，如图8中的B-C段所示（中线）。之后，虽然电源侧电压仍在继续上升、间隙距离也进一步缩短，但由于负荷侧残余电压的影响，致使施加于动、静触头之间的压差较小，不足以导致再次击穿。电源侧电压经过C点以后，主要由于距离的进一步缩短（合闸过程后期），间隙再次发生击穿、电弧重燃。经过C点以后，由于相同的原因，又相继发生了几次较为明显的重燃和熄弧过程，直至动、静触头之间完全实现可靠电气接触为止。不过，随着动、静触头越来越靠近，所需的击穿电压越来越低，熄弧持续的时间也越来越短。

2.3.3 方式二，隔离开关分闸

典型波形图见图10和图11。

首先，根据负荷侧波形变化情况，补全电源侧正弦电压波形，如图10中的虚线部分所示。在F点处触发测试系统高速录波。隔离开关在分闸过程中，动、静触头之间的距离将不断增加。为清晰起见，假设在图10中的A点出现第1次燃弧和熄弧（其实在A点之前即有多次重燃及熄弧过程）。此后，由于电源侧电压仍以较快速度上升，超过动触头远离造成的影响，导致在B点再次发生重燃并熄弧。C、D、E、F等几处电弧重燃及熄弧的情况可以此类推。在F点最后一次击穿并熄弧后，由于动、静触头之间的距离已经足够远，此后不论电源侧电压如何变化，间隙绝缘均能耐受其两端电压，电弧最终不再重燃。并且，负荷侧电压将保持在最后一次电弧熄灭时刻的电源侧电压，在图10中为一接近于正弦稳态峰值的直流正电压。可以看出，随着动触头的远离，间隙击穿所需的电压将越来越高，而电弧保持熄灭的时间总体上也越来越长。在隔离开关所有的分闸过程中，都表现出类似的趋势。在GIS中电压（电流）陡波的传播和多次折反射方面，与合闸时的情况类似。图10中间隙最后一次击穿前，负荷侧具有负电位，电源侧具有正电位，经过几μs以上或更长时间振荡后，两侧电压逐步趋同，电弧也最终完全熄灭，如图11所示。

2.4 测量结果

现场所侧得的VFTO幅值及波形的主频率见表2。

表22 VV FF TT OO幅值及波形的主频率 Tab.2 The VFTO amplitude value and main frequency of thewaveform

3 VFTO实测值与计算值的比较分析

仿真计算波形与VFTO现场实测波形对应关系如下：图4对应图8、图9；图5对应图10、图11；从图中可见，在最初的几次振荡过程中，理论与实测波形具有较好的对应性，VFTO最大值与低速录波图之间的关系很明确，基本可以反推，相互印证，计算波形与测量的波形相比基本一致。并且，上述对典型录波波形的分析结果，验证了在不考虑电弧多次重燃的条件下进行理论计算是合理的。

4 结论

（1）750 kV GIS变电站中750 kV隔离开关正常带电操作产生的VFTO过电压，不会损坏变电站的一、二次设备。

（2）通过实测750 kV GIS中产生的VFTO过电压，验证了仿真计算结论，现场实测的VFTO最大值与理论计算结果基本吻合。

（3）通过VFTO波形实测及分析，为实现750 kV GIS中隔离开关的正常带电操作提供了试验依据，在确保750 kV GIS、主变压器等设备质量合格的情况下，西北电网内750 kV GIS中的隔离开关应进行正常带电操作。

（4）本文结果为1 000 kV特高压GIS设备中的VFTO实测及倒闸操作积累了经验和数据。

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