考虑VFTO特性的GIS绝缘配合

孙 蕾，张 璐，李 佳

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.国网陕西省电力公司电力科学研究院,西安 710199)

0 前 言

SF6气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear， GIS)[1-2]中隔离开关的操作常会引起众多快速暂态现象，尤其是频率至100 MHz，幅值标幺值高达2.5 p.u.的快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage，VFTO)[3-4]。VFTO具有幅值高、波前陡、振荡频率高等特点，严重威胁GIS的安全运行。

GIS运输装配过程中可能出现电极表面刮伤、导电微粒进入等各类缺陷[5]，这些缺陷严重畸变了GIS内部电场，使其在VFTO下击穿电压迅速降低。

330 kV及以上电压等级系统中VFTO引发的绝缘事故多次发生，事故率已超过了雷电和操作过电压引起的事故率[6]。然而，VFTO下GIS绝缘特性研究还比较缺乏，绝缘配合依据仍是设备的雷电冲击耐受电压，存在很大的盲目性。因此，VFTO作用下GIS绝缘配合方法的研究成为当前研究热点[7-10]，这对GIS设备的安全可靠运行具有重要工程应用价值。

本文提出了考虑VFTO特性的GIS绝缘配合方法，给出了特高压GIS考虑VFTO特性时的绝缘配合实例，为VFTO下GIS绝缘配合提供借鉴。

1 绝缘配合基本方法

电力设备的绝缘配合要在技术上处理好作用电压、限制过电压的措施和绝缘耐受能力三者之间的相互配合关系。绝缘配合的方法有惯用法、统计法和简化统计法3种[11]。

(1) 惯用法是依据作用在设备绝缘上的“最大过电压”和设备的“最低放电电压”，并考虑适当安全裕度的概念进行绝缘配合的习惯方法。首先确定设备的最大过电压，然后根据运行经验乘以一个考虑各种影响因素和一定裕度的系数，即所谓配合系数以补偿在估计最大过电压和最低放电电压时的误差，据此确定绝缘应耐受的电压水平。

(2) 采用惯用法进行绝缘配合，对绝缘要求过于严苛、经济性差。因此国内外相继推荐使用统计法确定某些自恢复绝缘的耐压水平。

设f0(u)为过电压幅值的概率密度函数，P(u)为放电电压概率分布函数，如图1所示。出现一次过电压且绝缘发生放电的概率为[11]：

(1)

式中：R称为绝缘故障率，即图1中阴影线面积。统计法就是从上述计算出发，按照为达到一定运行可靠性而确定的绝缘故障率要求，选择绝缘尺寸。影响统计法的随机因素较多，按照公式(1)算出的故障率大于实际情况，因此该方法有待进一步完善。

图1 绝缘故障率估算方法图

(3) 简化统计法假定过电压及绝缘放电概率均服从正态分布，标准偏差分别为σ0及σi，则过电压概率密度函数f0(u)及绝缘放电的概率函数P(u)如下：

(2)

(3)

则绝缘故障率为：

(4)

2 考虑VFTO特性的绝缘配合方法

传统绝缘配合一般只考虑操作电压和雷电过电压。但随着电压等级提高，系统额定雷电冲击耐受电压(Lightning Impulse Withstand Voltage, LIWV)和额定工作电压之间的比值越来越小，LIWV和VFTO之间的差异逐渐减小，VFTO引起的绝缘事故率也逐渐增加。图2给出了不同电压等级下GIS和HGIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)中VFTO计算结果[12]。图2中，曲线为额定耐受电压值，不同类型的点为VFTO计算值。可见，VFTO的最大计算值可能达到雷电冲击耐受水平。

图2 额定耐受电压及计算VFTO值与额定电压关系图

标称电压/kVUVFTO/p.u.ULIWV/(kV/p.u.)裕度系数ULIWV/UVFTO3301.5^2.81175/3.962.64^1.415001.5^2.81675/3.732.49^1.337501.5^2.82100/3.212.14^1.1510001.39^2.092400/2.671.92^1.28

表1为中国超特高压设备的LIWV与系统VFTO间的裕度系数[13]。可见，电压等级提高后，系统的LIWV与系统VFTO之间的裕度系数呈减小趋势，特高压下，系统面临VFTO引起的绝缘危害更加严峻。

由于VFTO的形成与GIS结构和行波传播、叠加有很大关系，因此不能给出适用于所有变电站的VFTO最大值。对变电站，尤其是特高压变电站进行精确仿真，是进行VFTO下绝缘配合的必要前提。

2.1 中国和日本的绝缘配合现状

日本的GIS一部分位于山上，采用紧凑型全GIS以减小占地面积。该方案关键在于抑制各种过电压。变电站中采用高性能避雷器及带有分合闸电阻的隔离开关和断路器限制过电压幅值，达到降低绝缘强度的要求。因此，日本的特高压工程中GIS和变压器雷电冲击耐受电压较低，分别定为2 250 kV和1 950 kV。为此，VFTO幅值需限制到1.3 p.u.以下，经试验和计算，需在隔离开关处安装500 Ω分合闸电阻[14]。

为使电网运行更安全，中国绝缘配合更偏严格。一般在最严酷条件(即母线残余电压为-1.0 p.u.)下，计算变电站VFTO幅值，再将计算值与设备LIWV比较。同时，引入综合绝缘配合系数。除在半GIS中安装的空气绝缘母线管道外，其它设备的绝缘配合系数均设定为1.15。VFTO下的绝缘耐受水平与相应设备LIWV除以绝缘配合系数相等。若计算得到的VFTO幅值高于相应的LIWV，采取抑制VFTO的措施。综合各种因素，中国采用特高压GIS额定LIWV为2 400 kV，高于日本的2 250 kV。

2.2 考虑VFTO的绝缘配合一般方法

研究分析上述不同情况，宜采用以下一般性的绝缘配合方法。

图3为基于IEC60071-1中基本绝缘配合方法[12]得到的考虑VFTO特性的绝缘配合流程图。

(1) VFTO计算

GIS可看成是由不同形式传输线网络连接起来的电路模型。仿真计算的准确性取决于单独GIS部件模型的准确性。为了在纳秒(ns)时间量级获得复杂GIS结构的合理仿真结果，必须对其内部及外部元件建立精确仿真模型。GIS单独组件的精确建模可确保高精度复现VFTO波形。图4为文献[15]给出的隔离开关合闸时负载侧短母线末端VFTO的计算和测量结果。

图3 考虑VFTO特性的绝缘配合流程图

图4隔离开关合闸时负载侧末端VFTO计算和测量值图

可见，仿真计算的VFTO主振荡频率与实测结果基本相同。实测最大VFTO幅值约为2.12 p.u.，仿真最大幅值为2.27 p.u.，仿真计算精度较高。计算VFTO幅值时，必须考虑隔离开关负载侧残余电压的大小。以往研究表明：99%的残余电压都小于0.4 p.u.，相应产生的VFTO一般小于1.7 p.u.，最严苛情况下会达到2.0 p.u.。残余电压分布与开关操作速度密切相关，文献[12]给出了仿真结果，如图5所示。可见，残余电压与隔离开关速度密切相关，以往采用-1.0 p.u.残余电压的假设导致绝缘配合过于严苛。

图5 隔离开关速度对残余电压幅值的影响图

(2) VFTO耐受水平确定

绝缘配合的基础是计算所需VFTO耐受电压水平。VFTO下绝缘耐受强度与雷电冲击耐受电压及绝缘配合系数Kc、安全系数Ks、波形转换系数Ktc等相关。配合系数Kc与残余电荷统计分布、仿真误差等因素相关。安全系数与GIS设备产品质量、组装和安装的差异，绝缘老化等因素相关。波形转换系数Ktc与绝缘在VFTO下的耐受强度相关。

在设计良好的GIS中进行隔离开关例行操作，不会出现由VFTO引起的绝缘击穿事故。但是，绝缘的不规则如突起物的出现会降低击穿电压。低幅值VFTO下的击穿概率非常低，随VFTO振荡频率和电场不均匀度的增加，击穿概率增大。VFTO耐受水平与雷电冲击耐受水平进行对比是GIS设计的基础。对于良好绝缘系统而言，VFTO耐受水平较雷电冲击耐受水平高，而对于有缺陷的绝缘系统，VFTO击穿电压可能低于标准雷电波下击穿电压，波形转换系数Ktc会小于1[8]。

此次研究过程中，两组病人接受单天200毫克与100毫克剂量的黄体酮治疗，并在用药十天后停止用药，结论表明这两组病人的治疗总有效率无明显差异，P>0.05，证明两种用药方案的疗效相似且有效。但低剂量组的病人其用药后副反应的发病率显著少于高剂量组病人，P<0.05，提示低剂量用药的安全程度更高。由此可知，针对无排卵型月经失调时选择孕激素用药方案，且孕激素剂量与病人子宫内膜厚度呈正相关关系，治疗子宫内膜偏薄的病人时，可根据其自身具体病情合理调节用药剂量。使用较低剂量的黄体酮，疗效仍令人满意，且安全程度高，副反应发病率小，推荐临床大范围使用。

(3) 依据绝缘配合采取的措施

若仿真计算或统计实测得到的VFTO幅值高于设备绝缘耐受水平值，须采取措施降低设备故障风险。如增加LIWV或抑制VFTO幅值。增加LIWV较易实现，但耗资大。而采用阻尼电阻抑制VFTO，可行性更高。通常，阻尼电阻抑制VFTO的效果取决于电阻阻值。

图6 VFTO与阻尼电阻值关系曲线图

图6为某8间隔双母线典型GIS布置下，阻尼电阻随VFTO幅值变化的计算结果[12]。假设重击穿发生在电源电压和负载侧电压分别为1.0 p.u.和-1.0 p.u.。无阻尼电阻时，VFTO幅值高达2.49 p.u.。该值超过了按照上述方法计算得到的绝缘配合幅值。500 Ω阻尼电阻可将VFTO幅值抑制到1.13 p.u.以下。因此，根据VFTO计算值和需要的抑制效果选择阻尼电阻的大小。意大利1 000 kV特高压工程采用110 Ω阻尼电阻。中国、日本和韩国的特高压和超高压工程则选取500 Ω的阻尼电阻。

阻尼电阻必须能够在开关操作时耐受过电压的作用。电阻两端的最高过电压出现在隔离开关合闸过程的第1次预击穿后不久。因此，必须验证当预击穿和重击穿发生在动触头和阻尼电阻的灭弧电极之间时，阻尼电阻的电压耐受特性和能量吸收能力。阻尼电阻闪络引起的VFTO幅值大于不带阻尼电阻的隔离开关引起的VFTO幅值，应加以避免。较高的阻尼电阻值导致电阻两端压降增大，可达2.0 p.u.，如图7所示[12]。此外，电阻两端电压上升较高，该速率取决于试验装置及电源和负载侧电容大小。试验中，必须考虑电阻两端电压上升速率的大小。

图7 阻尼电阻两端压降图

阻尼电阻吸收的能量主要取决于负载侧电容和隔离开关两端电压的大小。需要的能量吸收容量可通过将分合闸操作过程中的预重击穿的能量相加得到。对于一次分合闸操作，500 Ω电阻的典型吸收能量在20～35 kJ之间。阻尼电阻必须能够在一次分合闸操作中吸收过电压产生的能量。

3 考虑VFTO时的绝缘配合实例

结合图3对考虑VFTO时的绝缘配合进行实例说明，并确定其中的相关系数。

隔离开关操作产生VFTO过程中，每次触头间隙击穿后，负载侧会形成残余电压，影响下次产生的VFTO。分闸末次残余电压对下次合闸首次击穿初始条件影响较大，故分闸末次残余电压需重点关注。分闸末次残余电压由隔离开关操作时刻和机械特性决定的分闸末次击穿相位决定，受开关击穿特性影响，具有一定的随机性。文献[16]在特高压GIS试验母线段上进行了上千次分合闸操作，统计了快速、慢速开关分闸末次残余电压概率分布，如图8所示。可见，分闸末期出现了-1.0 p.u.的残余电压。

当残余电压分布已知时，可采用电磁暂态仿真软件在已经验证的模型上计算VFTO的最大计算值，然后依据图3 中IEC 60071-1的方法进行后续绝缘配合。当残余电压分布未知时，也可通过实测来确定VFTO幅值的分布规律。文献[9]给出了在特高压GIS设备试验回路上进行450次分合闸操作实测得到的VFTO概率分布，如图9所示。可见，快速开关分合闸产生的最大VFTO幅值为2.23 p.u.。本文中绝缘配合实例直接采用实测的VFTO最大幅值。

图9 不预充直流电压下最大VFTO概率分布图

由于仿真计算和实测VFTO次数一般均为几百次，统计得到的VFTO最大幅值可能会小于系统在极端情况下出现的VFTO最大幅值。因此，引入配合系数Kc，得到配合耐受电压UcVFTO，根据经验，配和系数Kc一般取1.05[12]。其中：

UcVFTO=KcUmaxVFTO

(5)

考虑到GIS设备产品质量、组装和安装的差异，绝缘老化等因素，引入安全系数Ks，Ks代表了理想状况和实际工况之间的差异因数。从而，得到了绝缘的必要耐受电压UsVFTO。其中：

UsVFTO=KsUcVFTO

(6)

如果上述影响Ks的因素不易进行单独评价，由经验得到的整体安全系数可采用1.15[12]。

设备的额定LIWV各个国家标准不同。中国特高压GIS的LIWV取为2 400 kV，而日本的标准则为2 250 kV。该标准是综合考虑了各国GIS雷电冲击保护水平、设备制造及安装水平、设备可容忍的年故障率、经济效益等多方面因素制定的。该LIWV可根据公式(1)～公式(4) 计算得到。

(7)

4 结 语

本文在对传统绝缘配合方法进行系统介绍的基础上，给出了考虑VFTO特性的GIS绝缘配合方法，并进行了实例说明，得到绝缘配合步骤如下：

(1) 仿真计算最大VFTO幅值和上升时间，若已知残余电荷分布特性，则使用已知值，否则采用残余电压为-1.0 p.u.的最严酷条件计算。

(2) 结合生产运行经验，获得GIS设备的绝缘配合系数Kc和安全系数Ks；进行大量绝缘特性试验，获得VFTO与雷电冲击的波形转换系数Ktc，并计算GIS设备的VFTO耐受水平。