杂散电容对VFTO的幅频特性影响分析

吕婷婷，肖辉，李伟，徐健，刘海涛

（1.国网山东省电力公司检修公司，济南250118；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021）

杂散电容对VFTO的幅频特性影响分析

吕婷婷1，肖辉1，李伟2，徐健1，刘海涛2

（1.国网山东省电力公司检修公司，济南250118；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，济南250021）

GIS内的隔离开关在分、合闸操作过程中，会产生快速暂态过电压（VFTO），其陡度大、频率高，会干扰二次设备的测量并引起TEV及TGPR，对系统的安全稳定运行以及电网智能化监测产生不良影响。介绍GIS与VFTO的相关背景，阐明了系统仿真等效模型的搭建过程。针对断路器均压电容、隔离开关对地电容、电压互感器对地电容等杂散电容参数变化对VFTO的幅频特性的影响进行了较详尽的分析，并给出了一些参考性的建议。

GIS；快速暂态过电压；断路器均压电容；隔离开关对地电容；电压互感器对地电容

0 引言

GIS即气体绝缘金属封闭开关设备，是一种以六氟化硫作为绝缘和灭弧介质，以环氧树脂绝缘子作为支撑，将断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、三相母线、电缆头等合理配置，封闭在充有一定压力六氟化硫气体的全封闭金属接地外壳中的封闭式高压组合电器。GIS具有控制、保护、监测等功能，自20世纪60年代实用化以来，已在高压、超高压以及特高压领域被广泛应用，在智能电网发展的今天，已经成为智能变电站主要高压设备的一个优先选择［1］。GIS具有占用面积和空间小、运行安全可靠、对外界干扰小、故障率低，维护工作量小等优点，但GIS也有其固有的缺点，那就是GIS中的隔离开关在分、合闸过程中，会产生快速暂态过电压（VFTO），当暂态电压波传播到母线与架空线交接处时，在外壳设备上感应出暂态壳体过电压（TEV），从而干扰测量设备的工作［2-3］。

通过在EMTP仿真环境中搭建模型，得到几种不同元件的杂散电容参数变化对在绝缘子、断路器、隔离开关以及电压互感器等各处VFTO波的幅值、波头陡度以及主频的影响变化规律，进而针对杂散参数影响得出有效抑制VFTO的参考建议。

1 系统仿真模型

GIS的元件包括母线、断路器、隔离开关、互感器、绝缘子、避雷器、接地开关、套管以及接地开关等［4-5］。一般情况下，可以做如下简化：忽略电流互感器、断开的隔离开关及断路器以及接地线；用波阻抗等效GIS母线；用无损传输线来代替闭合的隔离开

关以及断路器；用等效电阻来代替可视为无限长的架空线以及电力电缆；用对地电容代替避雷器、电压互感器以及套管；用集中电容和电感模型来等效变压器。

简化完成后，需要根据不同的电压等级和GIS结构来确定各元件的参数。GIS母线采用了基于Bergeron法的KCLee模型。以500 kV GIS变电站作为研究模型，计算时采用电压标幺值，基准值选用系统最高运行电压的最大值，即449.5 kV，在此为了便于计算分析，取其值为100 kV。变压器的串联电感取20 mH。其入口等值电容与变压器的电压等级、结构和容量密切相关。通常来讲，电压等级升高意味着变压器的额定功率将加大，变压器的入口等值电容也相对会变大。较大的入口电容会使得在波阻抗不同的两段母线之间，产生更多次的电压行波的折、反射［6-8］。GIS内部元件的等效及取值如表1所示。

表1 GIS内部元件的等效及取值

基于GIS中各元件模型的等效和参数设置，把各元件模型组合，进而搭建起VFTO的计算模型。以500 kV GIS变电站的接线为例，如图1所示。

图1 500 kV GIS变电站接线

2 不同元件杂散电容参数对VFTO影响的仿真

500 kV GIS变电站内的VFTO在各个节点处的波形曲线，如图2所示。

图2 VFTO在各节点处的波形曲线

由图2可知，VFTO波在操作隔离开关时产生并依次经过了GIS母线上的各个元件。各个节点的VFTO波的幅值和陡度随着VFTO在GIS母线上的传播而衰减，但各个节点VFTO波的振荡频率会随时间的增加而增加。VFTO波传播至不同的节点，所呈现出的变化也各不相同，在断路器处，幅值、陡度都较大，最大幅值可达600 kV以上，因此VFTO对断路器的影响非常大。距离隔离开关较近的绝缘子处的VFTO的幅值、陡度也比较大，会产生明显的快速过电压。而在闭合的隔离开关以及电压互感器等节点处，VFTO波有一定的冲击，不过幅值并不太高，影响力有限。因此，有必要针对断路器均压电容、隔离开关对地电容以及电压互感器对地电容的参数大小对VFTO在各个节点的影响变化开展重点分析。

2.1 断路器均压电容对VFTO的影响

断路器的均压电容主要用于改善电压分布、降低恢复电压上升率、均匀电压。一般将断路器的均压电容并联在高压断路器的断口上。无论是进行送电还是停电作业，由于断路器具有灭弧性能而隔离开关不具备灭弧性能，在操作隔离开关时，断路器均应处在断开状态。在操作隔离开关时将产生VFTO，VFTO传播至断路器时，断路器将等效成为均匀电容，而不再仅仅是一个阻抗，从而影响VFTO的传播。以下将讨论断路器均压电容的参数变化对VFTO的幅值、波头陡度以及主频的影响。

图3 断路器均压电容对断路器处VFTO的影响

假定其他元件的参数保持恒定，断路器分别取不同均压电容，断路器处VFTO的幅值情况如图3（a）所示。当断路器均压电容较小时，断路器处VFTO的幅值呈现出快速下降的趋势，断路器均压电容取值在100～600 pF的范围内，断路器处VFTO的幅值呈现缓降的趋势，断路器均压电容取值在600 pF以后，断路器处VFTO的幅值基本趋于稳定，约为1.08 pu。不同断路器均压电容下的断路器处VFTO的波头陡度如图3（b）所示。当断路器均压电容小于200 pF时，断路器处VFTO的波头陡度呈现出先降后升的趋势，断路器均压电容取值大于200 pF时，断路器处VFTO的波头陡度基本趋于稳中有降的趋势。不同断路器均压电容下的断路器处VFTO的主频如图3（c）所示。当断路器均压电容小于100 pF时，断路器处VFTO的主频不高，当断路器均压电容大于100 pF后，断路器处VFTO的主频变大，稳定在28次谐波，当断路器均压电容大于600 pF后，主频略微下降至25次。

不同断路器均压电容下的隔离开关处VFTO的幅值如图4（a）所示。当断路器均压电容小于200 pF时，隔离开关处VFTO的幅值呈现出快速上升的趋势，之后，隔离开关处VFTO的幅值呈现缓增的趋势，但幅值并不高。不同断路器均压电容下的隔离开关处VFTO的波头陡度如图4（b）所示。当断路器均压电容小于200 pF时，隔离开关处VFTO的幅值呈现出快速上升的趋势，之后，隔离开关处VFTO的幅值呈现缓增的趋势，陡度约为63°。不同断路器均压电容下的隔离开关处VFTO的主频如图4（c）所示。当断路器均压电容小于200 pF时，隔离开关处VFTO的主频呈现出上升的趋势，之后，隔离开关处VFTO的主频保持不变，为25次谐波。

图4 断路器均压电容对隔离开关处VFTO的影响

不同断路器均压电容下的电压互感器处VFTO的幅值如图5（a）所示。当断路器均压电容小于200 pF时，电压互感器处VFTO的幅值呈现出快速上升的趋势，之后，电压互感器处VFTO的幅值增速放缓，幅值较低。不同断路器均压电容下的电压互感器处VFTO的波头陡度如图5（b）所示。当断路器均压电容小于400 pF时，电压互感器处VFTO的波头陡度呈现出明显的上升的趋势，大于400 pF时，电压互

感器处VFTO的波头陡度增速放缓，陡度不大。不同断路器均压电容下的电压互感器处VFTO的主频如图5（c）所示。断路器均压电容小于100 pF时，电压互感器处VFTO的主频较高，之后，电压互感器处VFTO的主频维持在10次谐波以下，频率不高。

图5 断路器均压电容对电压互感器处VFTO的影响

不同断路器均压电容下的绝缘子处VFTO的幅值如图6（a）所示，不同断路器均压电容下的绝缘子处VFTO的幅值保持不变，没有影响。不同断路器均压电容下的绝缘子处VFTO的波头陡度如图6（b）所示，同断路器均压电容下的绝缘子处VFTO的波头陡度保持不变，没有影响。不同断路器均压电容下的绝缘子处VFTO的主频如图6（c）所示，断路器均压电容小于200 pF时，绝缘子处VFTO的主频维持在15次谐波以下。断路器均压电容大于200 pF时，绝缘子处VFTO的主频保持不变，数值较高。

随着断路器均压电容的增加，总结4个节点处VFTO的幅值、波头陡度以及主频的总体变化趋势，如表2所示。综合来看，断路器的均压电容的增加，对于断路器处的VFTO波有一定的抑制作用，但效果不明显。对于闭合的隔离开关和电压互感器处的VFTO，断路器的均压电容的增加会使其幅值和陡度上升，因此，断路器的均压电容不宜过大，维持在200～400 pF的范围较为合宜。

图6 断路器均压电容对绝缘子处VFTO的影响

表2 不同断路器均压电容下各节点VFTO变化趋势

2.2 隔离开关对地电容对VFTO的影响

隔离开关的对地电容主要受隔离开关绝缘子的有关参数影响。以下将针对隔离开关对地电容的参数变化对VFTO幅值、波头陡度以及主频的影响进行讨论。

假定其他元件的参数保持恒定，分别取隔离开关对地电容的值为5 pF、10 pF、20 pF、30 pF、50 pF时，GIS变电站断路器处的VFTO的幅值情况如图7

（a）所示，随着隔离开关对地电容的逐渐增大，断路器处VFTO的幅值呈近似线性的上升趋势。不同隔离开关对地电容下的断路器处VFTO的波头陡度如图7（b）所示，随着隔离开关对地电容的逐渐增大，断路器处VFTO的波头陡度呈现上升后下降的趋势，在隔离开关对地电容值为30 pF时，陡度达到最大值，约为72.2°。不同隔离开关对地电容下的断路器处VFTO的主频如图7（c）所示，当隔离开关对地电容小于20 pF时，主频维持在28次谐波，数值较高，当隔离开关对地电容大于20 pF后，主频维持在4次谐波，相比而言数值减小了许多。

图7 隔离开关对地电容对断路器处VFTO的影响

不同隔离开关对地电容下的闭合隔离开关处VFTO的幅值如图8（a）所示，随着隔离开关对地电容的逐渐增大，闭合隔离开关处VFTO的幅值呈近似线性的上升趋势。不同隔离开关对地电容下的闭合隔离开关处VFTO的波头陡度如图8（b）所示，随着隔离开关对地电容的逐渐增大，闭合的隔离开关处VFTO的波头陡度在10 pF以下时呈下降趋势，之后呈近似线性的上升趋势。不同隔离开关对地电容下的关合的隔离开关处VFTO的主频如图8（c）所示，随着隔离开关对地电容的逐渐增大，闭合的隔离开关处VFTO的主频维持在25次谐波。

图8 隔离开关对地电容对隔离开关处VFTO的影响

不同隔离开关对地电容下的电压互感器处VFTO的幅值如图9（a）所示，随着隔离开关对地电容的逐渐增大，电压互感器处VFTO的幅值呈近似线性的上升趋势。不同隔离开关对地电容下的电压互感器处VFTO的波头陡度如图9（b）所示，随着隔离开关对地电容的逐渐增大，电压互感器处VFTO的波头陡度呈现上升的趋势。不同隔离开关对地电容下的电压互感器处VFTO的主频如图9（c）所示。随着隔离开关对地电容的逐渐增大，电压互感器处VFTO的主频保持不变，约以6次谐波为主。

不同隔离开关对地电容下的绝缘子处VFTO的幅值如图10（a）所示，随着隔离开关对地电容的逐渐增大，绝缘子处VFTO的幅值呈上升趋势，幅值较高。不同隔离开关对地电容下的绝缘子处VFTO的波头陡度如图10（b）所示，随着隔离开关对地电容的逐渐增大，绝缘子处VFTO的波头陡度在10 pF以

下时呈下降趋势，之后呈近似线性的上升趋势，与闭合的隔离开关处的变化趋势类似。不同隔离开关对地电容下的绝缘子处VFTO的主频如图10（c）所示，绝缘子处VFTO的主频在隔离开关对地电容为30 pF以前保持不变，以28次谐波为主，之后呈下降趋势。

图9 隔离开关对地电容对电压互感器处VFTO的影响

图10 隔离开关对地电容对绝缘子处VFTO的影响

随着隔离开关对地电容的增加，在4个节点处VFTO的幅值、波头陡度以及主频的总体变化趋势如表3所示。

表3 不同隔离开关对地电容下各节点VFTO变化趋势

综合以上，隔离开关对地电容的增加会导致各节点VFTO的幅值增加，但对于绝缘子和断路器处的VFTO主频来说，可以起到抑制的作用。至于各节点VFTO的陡度，则变化各不相同。因此总的来看，隔离开关对地电容的取值最佳应在30 pF左右。

2.3 电压互感器对地电容对VFTO的影响

电压互感器位于GIS变电站模型的最后一环，以下将针对电压互感器对地电容参数变化对VFTO的幅值、波头陡度以及主频的影响进行讨论。

经过仿真模拟实验，我们发现电压互感器对地电容大小的变化对在绝缘子、断路器以及隔离开关处的VFTO都没有产生任何数值上的变化。

假定其他元件的参数保持恒定，分别取电压互感器对地电容的值为100 pF、200 pF、400 pF以及800 pF时，GIS变电站电压互感器处的VFTO的幅值情况如图11（a）所示，随着电压互感器对地电容的增大，电压互感器处VFTO的幅值呈现下降的趋势。不同电压互感器对地电容下的电压互感器处VFTO的波头陡度如图11（b）所示，随着电压互感器对地电容的增大，电压互感器处VFTO的波头陡度呈现下降的趋势。不同电压互感器对地电容下的电压互感器处VFTO的主频如图11（c）所示，随着电压互感器对地电容的增大，电压互感器处VFTO的主频呈

现下降的趋势，在电压互感器对地电容大于400 pF以后，主频以6次谐波以下的频次为主。

图11 电压互感器对地电容对电压互感器处VFTO的影响

电压互感器对地电容的增加，对于断路器、隔离开关和绝缘子处的VFTO都不能产生影响作用，但对于电压互感器本身，确有极大的益处，可以对电压互感器处VFTO的幅值、陡度和主频产生良好的抑制作用。由于电压互感器位于GIS母线的末端，所以传播至此处的VFTO波已经有很大的衰减，幅值和陡度都比较小，但主频仍维持在较高水平，增加电压互感器的对地电容可以进一步降低主频频次，对于减小谐波对二次测量设备的干扰，有一定的帮助。

3 结语

基于电磁暂态分析程序搭建了仿真模型，并对部分元件杂散电容参数的变化对不同节点VFTO的幅频特性影响进行了仿真分析，提出降低VFTO影响的参考建议。

断路器均压电容的增加，对断路器处的VFTO波有一定的抑制作用，但效果不明显。对闭合的隔离开关和电压互感器处的VFTO，断路器的均压电容的增加会使其幅值和陡度上升，断路器的均压电容不宜过大，维持在200～400 pF的范围较为合宜。

隔离开关对地电容的增加会导致各节点VFTO的幅值增加，但对于绝缘子和断路器处的VFTO主频来说，可以起到抑制的作用。至于各节点VFTO的陡度，则变化各不相同。总的来看，隔离开关对地电容的最佳取值应在30 pF左右。

电压互感器对地电容的增加，对于断路器、隔离开关和绝缘子处的VFTO都不能产生影响，但可以对电压互感器处VFTO的幅值、陡度和主频产生良好的抑制作用。增加电压互感器的对地电容可以进一步降低主频频次，对于减小谐波对二次测量设备的干扰，有一定的帮助。

［1］韩学山，张文.电力系统工程基础［M］.北京：机械工业出版社，2012.

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Influence Analysis of Stray Capacity on Amplitude-Frequency Characteristics of VFTO

LV Tingting1，XIAO Hui1，LI Wei2，XU Jian1，LIU Haitao2
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

It would produce the very fast transient overvoltage（VFTO）during the open and close operation of isolating switch for GIS.It has characteristics of large gradient and high frequency，which will impact the measurement of the secondary apparatus and cause TEV and TGPR.As a result，it would bring about negative impact to the safety，stabilization and intelligent monitoring of power grid.The background of GIS and VFTO are presented and the equivalent simulation model is proposed.With regard to equalizing capacitor of circuit breakers，ground capacitor of isolating switches and TV，the influence of above stray capacity on the amplitude-frequency characteristics of VFTO is studied in detail and some advice for reference is given.

GIS；VFTO；equalizing capacitor of circuit breakers；ground capacitor of isolating switches；ground capacitor of voltage transformer

TM564.1

A

1007－9904（2016）10－0038－07

2016-03-14

吕婷婷（1985），女，工程师，主要从事超/特高压电力设备在线监测与故障诊断方面的研究工作。