550 kV GIS电站VFTO研究

曾健，孟维东，魏俊梅

（1.国网陕西省电力公司，陕西西安 710048；2.特变电工中发上海高压开关有限公司，上海 201499）

电力工业是一个国家经济发展的命脉。随着各国经济建设的蓬勃发展，对电网建设也提出了更高的要求，建设更为高效，更加坚强可靠的拓扑化电网，保证电源的可靠供应是各国电网建设的重中之重[1-5]。

500 kV等级电网是中国电网的骨干网架，550 kV GIS设备由于其占地面积小，维修周期长，耐候性好，可靠性高等诸多优点而在500 kV等级电网中得到广泛应用。

在550 kV GIS设备中，隔离开关是操作最频繁的元件，如母线的投入或隔离，进出线路的投入或隔离，或维修元件如断路器的投入或隔离等。当隔离开关被操作时，其动静触头间会发生多次重击穿，每一次击穿都可能产生非常快速暂态过电压（简称VFTO）。根据相关研究[6]，VFTO幅值可能达到设备额定运行电压峰值的2.5～3倍，且其具有纳秒级的电压变化率并伴随有高频震荡。一般说来，VFTO的危害有：①对GIS设备自身的绝缘破坏；②对变压器等绕组类设备的绝缘破坏；③对低压设备的高频电磁干扰等。因此，隔离开关操作所引起的VFTO现象应得到电站维修运行人员充分的重视。

本文结合中国某550 kV GIS电站具体工程应用，对550 kV隔离开关操作引起的VFTO进行了数值仿真分析，计算结果表明该电站隔离开关操作引起的VFTO不会对550 kV GIS的绝缘性能造成损坏，为调度人员安全可靠操作隔离开关提供了理论参考，同时也为后续550 kV变压器在VFTO作用下的绝缘可靠性分析提供了输入数据。

1 550 kV GIS设备结构及参数

550 kV GIS设备总体结构为三相分箱式，典型间隔布置见图1，主要元件断路器、电流互感器、隔离开关、母线、快速接地开关及套管等均采用标准化组件，整体GIS设备积木式布置，结构灵活，可满足双母线、双母线分断、二分之三接线、三分之四接线等多种接线方式要求。

550 kV GIS的主要技术参数见表1。

图1 550 kV GIS典型间隔Fig.1 A typical bay of the 550 kV GIS

表1 550 kV GIS主要技术参数Tab.1 Main technical parameters of the 550 kV GIS

2 550 kV GIS电站VFTO仿真

隔离开关操作引起的VFTO特性与电站布置方式、高压设备元件的暂态特性、母线上的残压、隔离开关操作方式等众多因素有关。

某550 kV GIS电站采用最为经典的二分之三接线，其单线图见图2。具体的GIS布置见图3。

图2 某550 kV电站单线图Fig.2 A single line diagram of a certain 550 kV substation

图3 某550 kV电站GIS布置Fig.3 GIS Layout of the 550 kV substation

针对该550 kV GIS电站的具体布置，应用电磁暂态程序ATP对该电站隔离开关操作产生的VTTO进行了仿真分析。

考虑最苛刻工况，一线一变工况，具体见图4，红色路径为带电路径，椭圆内的隔离开关为被操作的隔离开关，假设隔离开关静侧的短母线带有残余电压-1 pu（550×1.414/1.732=450 kV），假定关合时动静触头间击穿发生在电源电压峰值处。主要监测被操作隔离开关动静两侧（测量点1和测量点2）、变压器入口处（测量点3）和套管出线处（测量点4）的VFTO。对应的计算模型见图5。计算线路中忽略了高压母线及高压设备的高频电阻，用到设备的等值模型及相关参数及见表2。

图4 计算工况（操作隔离见图中椭圆部分，各监测点见图中三角部分）Fig.4 Calculation conditions（operation isolation shown in the oval section，the monitoring points shown in the triangle of the figure）

图5 550 kV GIS电站VFTO仿真线路图Fig.5 The VFTO simulation circuit diagram of the 550 kV GIS substation

表2 用于VFTO计算分析的参数Tab.2 Parameters used in the VFTO calculation and analysis

由于该550 kV GIS电站A、B、C三相母线长度略有不同，因此对A、B、C三相的VFTO分别进行计算。B相各监测点的计算结果分别见图6～图11， A、C两相的计算结果图形大致与此类似，在此就不再冗赘给出。

图6 操作隔离开关107-89 DS动侧的VFTO（point1，时长2 μs）Fig.6 Operation of the isolation switch moving VFTO（point1，duration 2μs）

图7 操作隔离开关静侧的VFTO（point2，时长20μs）Fig.7 Operation of the isolation switch static VFTO（point2，duration 20μs）

图8 Transformer entrance VFTO（point3，时长20μs）Fig.8 VFTO at the entrance of the transformer（point3，duration 20μs）

图9 变压器入口处的VFTO（point4，时长2 μs）Fig.9 TransformerentranceVFTO（point4，duration2μs）

图10 GIS出线套管处（point5，时长20μs）Fig.10 VGIS outlet casing（point5，duration 20μs）

对应A、B、C三相，5个监测点的电压最大值对比见表3。

表3 关键部位VFTO电压最大值Tab.3 VFTO maximum voltage of the key parts

由图6～图10及表3可知，该550kV GIS电站操作隔离开关产生的VFTO最大值为749.32kV，发生在主变入口处。

该电站550kV GIS设备对地雷电冲击耐受电压1675kV。对比表3中各点的VFTO幅值可知，该电站550 kV隔离开关操作引起的VFTO不会对550kV GIS设备绝缘造成任何破坏。

4 结语

本文针对中国某具体550 kV GIS电站布置，对隔离开关操作引起的VFTO进行了相关研究，得到的结论有：

1）在一线一变最苛刻工况下，操作隔离开关引起的VFTO幅值最大值为749.32 kV，发生在主变入口处。

2）该550 kV电站GIS设备的雷电冲击耐受电压水平为1 675 kV，远高于隔离开关操作引起的VFTO，因此该电站操作隔离开关引起的VFTO不会对其GIS的绝缘性能造成任何破坏。

3）本文计算结果为该GIS电站运行调度人员安全可靠操作隔离开关提供了理论参考，并为后续550 kV变压器在VFTO作用下的绝缘可靠性分析提供了输入数据。

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