超高压GIS中快速暂态过电压产生机理及其防治

李亚

【摘 要】本文首先从VFTO产生及其产生机理等两个方面介绍了超高压GIS中的快速暂态过电压，随后对快速暂态过电压的危害进行了归纳与总结。进而提出了VFTO抑制措施，对于超高压GIS中的快速暂态过电压抑制有很好的指导意义。

【关键词】超高压;GIS;快速暂态过电压;抑制

1 快速暂态过电压及形成机理

1.1 VFTO的产生

在GIS断路器的作用是用于合闸即正常的合闸以及自动重合闸。在合闸空载线路时，就会产生VFTO中，由于在重合闸以前线路上已经存在残余电荷，因此重合闸的VFTO是合闸过电压中较严重的情况。过电压的倍数会受到残余电荷的影响。在隔离开关进行操作时所产生的VFTO以及其在GIS母线上往返折射和反射所形成的VFTO具有幅值高和上升对间极短的特点。一般情况下，其幅值为1.5 -2.0pu。最高则可以达到2.5pu;上升时间为2-20ns;基本振荡频率在5-10MHz之间，但其高频分量则可以达到100MHz。这种形式的过电压是VFTO最为主要的形式同时造成的危害也最大。

1.2 VFTO的分类

VFTO按照传播路径可以分为内部暂态和外部暂态两种类型。其中内部暂态是在GIS内部传播.于GIS内部所形成的暂态过程，其过电压作用于GIS的壳体和内部导体之间，对GIS内部绝缘造成极大威胁，主要包括断路器操作时所引起的瞬态恢复过电压隔离开关操作产生的快速暂态过电压，外部暂态是在GIS外部传播和辐射，由GIS内部暂态过电压波传递到GIS外部所引起的，主要包括了对于GIS外一次设备造成威胁的暂态过电压、使得GIS壳体电位升高的，外壳暂态过电压以及对敏感的二次设备造成损害的向外辐射的电磁波等。

在超高压网架方面，高压电缆长度、断路器断口的均压电容、SF6母线的长度及奇波阻抗、套管等效电容变压器入口电容等都会对VFTO的特性造成影响。其中，高压电缆长度对于GIS外部暂态VFTO的幅值影响最大其衰减过程在长电缆线路中会得到加速，陡度也会受到限制，传递到主变处的振荡频谱也会随之降低。相比之下，VFTO幅值收到套管等效电容的影响则不大。在电容值增大的过程中VFTO的幅值变化不大只是略有上升。而在高压电缆长度以及母线残余电荷等不变的条件下，主变端部的VFTOTO幅值会随着电压等级的提高以及主变端口等效电容的增大而略有下降，但GIS内部其他节点的过电压幅值则基本不受影响。

1.3 VFTO的产生机理

1）GIS中的绝缘介质SF6气体的电子雪崩临界值是空气的3.7倍，为89×104kV/（m.MPa）。当电压上升的速率大于或等于SF6气体的电子雪崩临界值时就会出现预击穿或者重击穿，一般GIS中的SF6气体的压力在0.3-0.4MPa之间，因此其绝缘恢复强度要比常压下空气高出几十倍，而且有很高的幅值。

2）在稍不均匀的电场下工作是GIS中所有电器元件的前提，在这个不均匀电场中形成的冲击波，其上升时间Tr可以用式（1）表示。其中，Kt=50kVns/cm，为Toepkler火花常数;△u是击穿之前的电压（kV）;s为火花长度（cm）。

T■=■（1）

2 快速暂态过电压的危害

实践证明，超高压及特高压GIS的隔离开关或断路器操作所引起的VFTO将会造成GIS内部的击穿和外接设备的事故严重时会对电力系统造成极大的损失。

2.1 VFTO带来的壳体暂态电位（TEV）和暂态地电位升高（TGPR）

国外曾有调查表明，有半数以上的超高压GIS发生过TGPR引起的事故。虽然TGPR衰减的速度很快，但在不进行限制的情况下仍然会产生火花放电，严重时甚至会把GIS的外壳击穿进而威胁到运行人员的人身安全。此外，TEV和TGPR还会对那些与GIS相连的保护、控制以及信号等二次回路造成干扰损坏。

2.2 VFTO对二次回路的影响一般是通过两种途径，其一是经过电流和电压互感器内部的杂散电容传入到与其相连的二次电缆，进而影响到一次回路内的设备;其二是经过接地网从而进入到二次电缆的屏蔽层，进而影响到电缆芯线。由此可见，VFTO会使得GIS的二次电缆处于严重的电磁干扰环境中，极易对GIS的控制与保护设备的正常运行造成影响。而随着微机化、数字化以及智能化设备在二次回路中的应用，其受到电磁于扰影响的概率大为提高，出现事故的可能性也大大增加了。

2.3 变压器受到VFTO的影响是最大的，在VFTO以行波方式经过母线传播到套管时，其中一部分将耦台到架空进线上并沿线继续传播，从而对外接设备的绝缘造成威胁。VFTO陡波的波头将会造成变压器绕组上的极不均匀的匝间电压分布，有根大的危害。其所含的谐波会引起谐振从而产生很高幅值的高频谐振过电压，对匝间以及铁芯与绕组的绝缘造成破坏。例如我国某核电站的超高压500kVGIS曾两次发生VFTO造成主变压器线饼烧损和绝缘损坏的严重事故，危害极大。

3 VFTO的防治

对于超高压以及特高压GIS中的快速暂态过电压主要的防治技術有：

3.1 采用快速动作的隔离开关

从上文分析的VFTO产生机理可以看出，缩短隔离开关的切合时间能够有效地减小重击穿的次数、缩短燃弧时间，从而降低VFTO出现的几率。此外，还能使最高过电压的倍数在一定程度上得到降低。

3.2 并联合闸电阻

目前抑制操作过电压比较有敢的办法就是在隔离开关断口上并联合闸电阻（约几百欧）。通过并联电阻的阻尼作用可以使行波幅值降低、上升时间减缓。此外，并联电阻还可以对电磁振荡的能量进行消耗。以超高压500kVGIS为例，在隔离开关并联200欧姆的合闸电阻能够将过电压的幅值降低至1.5以下;当井联1000欧姆闸电阻时，幅值降低到1.25左石。

3.3 改变运行的操作流程以及简化系统接线

通过改变运行的操作流程以及简化系统接线也能够对VFTO有一定的抑制效果。因此可以考虑在超高压及特高压GIS的设计和运行过程中有改变操作流程和简化系统接线的相应措施。

3.4 采用氧化锌避雷器来进行保护

也可以通过采用无间隙氧化锌避雷器来对VFTO陡波电压进行限制但需要注意的是，单个避雷器的保护范围是有限的，因此需要通过计算以及仿真分析来确定避雷器的安装个数以及安装地点，以保护整个GIS设备。

3.5 适当增加触头间的不对称度

适当增加触头间的不对称度可以有效降低残余电荷，残余电荷的降低方面可减少绝缘体表面所分布的不均匀自由导电粒子对绝缘强度的减弱;另一方面可减少重燃过程从而降低过电压幅值。

3.6 其他防治方法

l）有研究表明，接地开关动作可以有效将VFTO的峰值限制在20pu左右，因此采用接地开关泄放残余电荷也是防治VFTO的措施之一。

2）采用在GIS装设电抗器的方式来防治VFTO。

3）为减小VFTO对二次设备的损害，可以采用屏蔽措施，或者在二次设备的入口处加装高频滤波器。

4 结论

超高压及特高压GIS中的VFTO对于GIS设备的母线支撑件、套管以及相连的二次回路，特别是主变压器都能造成极大危害，会引起内部的击穿事故或外接设备的损坏。而目前针对VFTO的防治措施主要有采用快速动作的隔离开关、并联合闸电阻、改变运行的操作流程、简化系统接线以及加装氧化锌避雷器等。这些防治措施能够有效减缓VFTO波头的上升速度，降低VFTO出现的概率，从而达到抑制VFTO的效果。

【参考文献】

[1]高有华，孙形，申力.GIS中快速暂态过电压的研究[J].沈阳工程学院学报：自然科学版，2008，4（1）.

[责任编辑：杨玉洁]