隔离开关多次重燃的VFTO计算模型

万亦如，杜 鹃，刘 庄

（国网浙江省电力公司杭州供电公司，杭州 310009）

目前，GIS设备已在我国特高压、超高压变电站广泛应用，而分合闸隔离开关是变电站的例行操作，操作的概率和频率都很大，因此出现特快速暂态过电压（VFTO，Very Fast Transient Overvoltage）是不可避免的[1]。隔离开关触头间隙多次击穿的过程，涉及触头间隙击穿电压、等效电容随触头间距的变化特性，以及燃弧电阻的变化，能较好地反映隔离开关操作过程中VFTO的全波形。因此，本文提出隔离开关多次重燃的模型，为仿真计算隔离开关多次重燃下的VFTO提供研究思路。

1 隔离开关多次燃弧模型

隔离开关在每次操作过程中都会发生多次重燃，重燃取决于动静触头两端电压差（恢复电压）和当前动静触头间距下的击穿电压。当恢复电压大于击穿电压时，电弧重燃，燃弧电阻快速衰减；当高频电流衰减完毕后，电弧熄灭，该次重燃结束。当恢复电压再次大于击穿电压时，进入下一次重燃，周而复始，直至隔离开关操作结束。本研究根据上述机理，以平顶山某厂生产的特高压隔离开关分闸操作为例，建立隔离开关多次燃弧模型。

在整个过程中，动静触头间击穿电压随着两触头间距的变化而变化，是决定过电压的关键；同时，燃弧电阻也是动态变化的，对过电压有重要影响；动静触头间存在断口电容，在隔离开关操作过程中随动静触头间距而变化，会对负荷侧残余电压产生影响。故本模型重点建立了这3个动态因素的模块。

1.1 击穿电压模型

击穿电压随动静触头间距的增加而提高，总体而言，分闸时击穿电压由低变高，合闸时击穿电压由高变低。在均匀或稍不均匀的电场中，击穿电压与两电极间距呈线性关系，现有研究一般也按击穿电压与动静触头间距呈线性关系来处理。但SF6气体中，动静触头间的电场并不均匀，采用上述击穿电压的处理方法存在较大误差。

SF6气体中，不均匀电场间隙的击穿电压理论值[2]为：

式中：p为气压；S为电极距离；β为间隙利用系数，表征电场不均匀的程度；（E/p）kp=89×10-5p=ET，为均匀电场中击穿场强的理论值。

图1为无并联电阻的特高压隔离开关内部结构图，图2为根据图1应用ANSOFT软件计算绘制的隔离开关动静触头间电场图。由于隔离开关左右对称，图中只画出了右边部分，将动静触头间电位差10等分，等电位部分颜色相同，两种颜色分界线即等位线，击穿一般发生在等位线最密集处，即图3所示动触头与静触头屏蔽罩之间的放大部位。间隙利用系数β可利用图3计算。

图1 无并联电阻的特高压隔离开关内部结构

图2 特高压隔离开关动静触头间的电场分布

U1，U2为两电极电压，假设U2=0，ΔU为发生击穿的两电极间电压差。平均场强为：

图3 放大后的击穿发生部位

式中：SAA′为A点的放电途径A-A′。

绘出电位差为0.1ΔU的等位线，最高场强相应的等于：

SA为等位线较密集一端最靠近电极的那根等位线与电极间的放电途径的距离。也可选择绘制电位差0.05ΔU或更小的的等位线，则式（3）中的系数0.1也要相应变化。

在所研究的点上，间隙利用系数为：

将上式 βA代入式（1），式（1）中 S 即为 SAA′，得到不均匀电场中SF6气体间隙的击穿电压为：

负极性的击穿电压与隔离开关分闸时间的关系曲线如图4所示，拟合曲线表达式为：

Unp=（1.6×108×t+1.2×107）×t+2.2×105.

图4 分闸时负极性击穿电压与分闸时间的拟合曲线

正极性击穿电压略低于负极性击穿电压，可见击穿电压近似于二次函数。

1.2 燃弧电阻模型

对于燃弧电阻的模型，通常仅考虑静态电阻，但实际燃弧过程中，电弧并不是固定不变的。本文选用指数衰减形式的燃弧电阻模型，即：r=0.5+1012e-t/10-9，在击穿的几个纳秒之内，电阻从接近无穷大衰减到0.5Ω。

1.3 断口电容模型

操作隔离开关过程中，隔离开关断口的电容随着触头间距的增大而减小，分闸时断口电容由大变小，合闸时断口电容由小变大。应用AN SOFT软件建立特高压GIS隔离开关模型[3]，模型同图2，应用ANSOFT的电容计算功能，得出分闸过程中动静触头间的断口电容与分闸时间的关系如图5所示，拟合曲线表达式为：

图5 分闸时间与隔离开关断口电容的关系曲线

1.4 隔离开关多次燃弧模型

应用电磁暂态分析软件EMTP构建隔离开关多次燃弧的电路，如图6所示。左端与右端之间为隔离开关多次燃弧模型，下侧Ct支路为动态变化的断口电容，上侧RARC支路为动态变化的燃弧电阻，左端表示系统电源，右端对地电容表示负荷侧孤岛。

测量左端与右端两点间电压差（恢复电压），通过外部的逻辑判断模块与击穿电压进行比较，若恢复电压大于击穿电压，逻辑判断模块控制燃弧电阻从无限大开始迅速衰减，从而起到接通电路的作用。测量左端与右端间高频电流衰减完毕后，逻辑判断模块控制燃弧电阻又恢复无限大，起到断开电路的作用，该次重燃结束。逻辑判断模块进入下一个比较恢复电压与击穿电压的判断过程，如此循环，直至分闸过程结束。

图6 隔离开关多次燃弧的仿真电路

2 仿真结果分析

在系统电源相角为0°时开始分闸，图7为隔离开关恢复电压与击穿电压的关系，当恢复电压到达正极性或负极性的击穿电压值后，发生击穿，恢复电压瞬时降为零，即图中的垂直线部分。图8为负荷侧末端（End处）VFTO波形，重燃瞬间产生尖峰过电压，重燃时间极短，电弧熄灭后负荷侧等效对地电容上的电压几乎不发生改变，因此形成了独特的“台阶”状电压波形。在电压峰值处，电压变化速率较慢，重击穿发生概率较小，但产生过电压幅值较高；工频电压过零时，电压变化速率较快，重击穿发生的概率较大，但过电压幅值并不高。分闸初期，动静触头间距较小，击穿电压也较小，因此VFTO值也较小，且击穿较频繁；随着动静触头间距的增大，击穿电压相应增大，VFTO值也越来越大，最大的VFTO往往发生在触头拉开一定距离以后，该距离已较大但仍不至于大到击穿电压超过2 p.u.，最大VFTO幅值在1.95 p.u.左右。

图7 隔离开关击穿电压和恢复电压波形

图8 负荷侧末端（End）VFTO波形

3 结语

引入间隙利用系数，介绍了隔离开关不均匀电场间隙的击穿电压计算方法，计算了隔离开关分闸过程中隔离开关动静触头不同距离下的击穿电压、触头间的等效电容。进而建立了包含击穿电压、燃弧电阻、断口电容等动态因素模块的特高压GIS隔离开关多次重燃模型，有利于更准确地计算多次重燃下的VFTO幅值与波形，为评估VFTO危害性并制定有效的抑制措施提供了可靠依据。

[1]万亦如，陈光，陈稼苗.交流特高压GIS变电站的VFTO研究[J].华东电力，2010，38（7）∶1043-1047.

[2]波尔捷夫.高压SF6开关设备的设计与计算[M].北京：机械工业出版社，1979.

[3]林莘.现代高压电器技术[M].北京∶机械工业出版社，2002.