550 kV GIS隔离开关操作引起特快速瞬态过电压仿真研究

赵 琳，叶丽雅，杨 勇，蒋 鹏

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司培训中心，杭州 310015）

0 引言

GIS（气体绝缘组合电器）也称气体绝缘变电站，具有结构紧凑、占地面积少、维护方便、运行可靠等优点，在超高压系统中得到广泛应用。运行经验表明，GIS中断路器和隔离开关操作时会产生波前极陡、高频振荡的VFTO（特快速瞬态过电压），其中隔离开关操作是其产生的主要原因[1-2]。VFTO不仅危及GIS内部设备的绝缘，还可能侵入所连主变压器绕组内部，造成绕组绝缘击穿[3]。

公开发表的文献中关于GIS中隔离开关操作引起VFTO的仿真研究，主要是VFTO对避雷器计数器的影响以及残余电荷电压和合闸电阻对VFTO幅值与频率的抑制作用[4]，隔离开关不同操作方式对VFTO的影响规律[5]，VFTO对主变压器的影响[6]以及VFTO的抑制措施研究[7-8]等。

本文利用电磁暂态程序建立电路仿真模型，计算分析洪屏抽水蓄能电站550 kV GIS在不同的系统运行方式下投切主变压器、母线、出线时操作隔离开关产生的VFTO，并就电缆对于VFTO的抑制情况、VFTO对主变压器匝间绝缘的影响作相应分析，最后以该GIS主变压器入口处出现最严重VFTO的操作方式为模型提出主变压器入口VFTO的限制措施，期望研究结论能对GIS操作规范的优化及系统的安全运行提供指导。

1 550 kV GIS仿真模型和参数

1.1 电气主接线

洪屏抽水蓄能电站550 kV GIS电气主接线如图1所示，接线方式为双母线单断路器接线。一期工程分为地上和地下两部分GIS，地下GIS布置在主变压器压器上方，由4套联合单元接线GIS组成，地上部分与地下部分通过1 km长的电缆相连；建设1条76.5 km出线至梦山，建设4台变压器即T1～T4。

1.2 计算模型

在高频VFTO作用下，断路器为双断口，断开可视为集中电容，闭合视为母线一部分；隔离开关不设分合闸电阻，在开合的过程中，由于触头的动作速度相对较慢，当触头间的跌落电压大于触头间隙绝缘介质的耐受电压时，产生电弧击穿。断口间电弧电阻模型采用双指数函数，近似如式（1）所示：

式中：Ri为绝缘电阻，此处取足够大值1012Ω；τ1为击穿时间常数，取为2 ns；τ2为击穿时间常数，取为 1 μs； Rc为电弧稳定电阻，由式（2）决定：

式中：I为电流最大峰值；p为气压；l为触头开距[9]。

金属氧化物避雷器采用并联的非线性电阻和集中电容等效，其额定电压为420 kV，计算采用的MOV参数见表1。

图1 洪屏抽水蓄能电站550 kV GIS主接线

表1 MOV的伏安特性

表2 GIS中主要元件参数

其他元件，如套管、接地开关、电压互感器、绝缘子等均简化为集中参数的等值电容。具体的元件参数统计值见表2。

2 VFTO计算及影响分析

2.1 VFTO计算

本文的VFTO仿真计算主要考虑电站电机以发电机和电动机这2种系统运行方式。具体又可分为投切主变压器、母线和出线时操作隔离开关的3种情况。

实际操作投入主变压器、母线或者出线时，按照操作顺序依次先合闸所连断路器两侧的隔离开关，然后再分别依次合闸断路器。由于GIS回路检修时会经接地开关接地，释放残余电荷，因而断路器断开时与操作隔离开关之间的那段负荷侧短母线上残余电荷电压很小。而切除主变压器、母线或者出线时，操作顺序是先分闸所连断路器，然后再分闸两侧的隔离开关。在隔离开关的开断过程中，断口间发生重燃，极限情况是最后一次重燃前负荷侧短母线残留电压为相电压负峰值，虽然概率很小，随机性很强，但比合闸残压的影响还是要大，所以合闸隔离开关产生VFTO较分闸时大为降低，对电站绝缘和主变压器绝缘均不构成威胁。

为了比较简便的获得VFTO理论上的最大值，仿真隔离开关电源侧与负载侧反极性峰峰值放电，这一最严重情况下的单次放电，此时隔离开关电源侧电压为1.0 p.u.（1.0 p.u.=449 kV），负载侧母线的残余电压为-1.0 p.u.，并认为分闸最大VFTO和合闸最大VFTO的计算条件相同。本文以隔离开关分闸为例，计算时间为10 μs。

由图1主接线可知，该抽水蓄能电站在投切主变压器、母线和出线3种系统操作下隔离开关可分为13种操作方式，如表3所示。通过对这13种工作方式下的VFTO进行计算，得到各节点的电压波形。

表3 隔离开关操作方式

2.2 计算结果及分析

由上述13种操作方式计算得到的GIS管线各节点的VFTO幅值如表4所示。

表4 GIS各节点VFTO幅值p.u.

由表4可知，GIS各点最高的过电压值发生在开断处负载侧短母线，这是因为在高频VFTO作用下主变压器绕组的感性阻抗值极大，对VFTO行波可等效为开路，即行波传递到主变压器入口处时可视为发生全反射，行波幅值加倍后逆向传递回GIS本体，使开断处过电压激增。主变压器入口处的VFTO最大值出现在投切母线的操作方式3下，约为1.31 p.u.。

投切出线时产生并传递至GIS本体的VFTO幅值很小，这是因为操作出线侧隔离开关距离GIS本体比较长，VFTO行波振荡不断衰减以及沿线电容泄流的影响，幅值进一步降低。另外，投切主变时，方式2下主变T1入口处的VFTO幅值比方式1下小，说明电源支路越多，容量越大，对主变处的VFTO抑制越有帮助。

2.2.1 单次放电VFTO特性

以方式3开断处单次放电负载侧短母线VFTO波形为例，定义单次放电VFTO波形特性参量。

如图2所示，从残余电荷电压UT开始，围绕电源侧电压瞬时值US振荡，在上升到峰值前，由于断口放电陡波在空载短母线末端的反射，出现了一个极值点，上升时间Tr为VFTO从第一个极值点ULn的10%至90%所经历的时间，波前陡度为该部分VFTO的上升率，VFTO峰值为ULm。图3为隔离开关操作产生的开断处负载侧短母线单次放电VFTO频谱，可以发现波形中包含非常丰富的频率成份，这取决于GIS回路的结构和参数。由式（3）计算可得放电电压波在长度为3.6 m的空载短母线上的折反射频率为20.8 MHz。

式中：v为电压波波速；l为负载短母线长度。

因此该频谱可以分为3个频率段：几MHz为回路基本振荡频率、21 MHz为负载测空载短母线上的折反射频率、几十MHz及以上的频率成分为回路波阻抗不连续处产生的折反射频率。

2.2.2 主变处VFTO分析

图4、图5所示为方式3下主变T1入口处的VFTO波形和频谱，陡度为1 631 kV/μs，频率分量主要为1 MHz、3.6 MHz和9.2 MHz。

图2 单次放电VFTO波形特征参量定义

图3 单次放电VFTO频谱

图4 主变压器T1入口处VFTO波形

图5 主变压器T1入口处VFTO频谱

由于操作隔离开关在地上部分，而主变在地下部分，之间还有1 000 m的长电缆连接，相距比较远，传递到主变入口处的VFTO幅值比较低，对变压器主绝缘影响不大。但是当VFTO振荡波的频率与绕组自振频率接近时，可能激起绕组内部的电磁振荡，出现比雷电冲击全波和截波下匝间过电压更高的局部共振过电压[10]。

文献[11]指出，目前变压器匝间绝缘强度是按照能够承受雷电冲击的耐压值设计，对于范围Ⅱ（Um＞252 kV）内的纵绝缘，联合耐受电压的标准雷电冲击分量等于相应的相对地耐受电压1 550 kV。根据文献[12-13]的试验结果可知，雷电冲击电压作用下变压器匝间电压为所加冲击电压幅值的0.015倍，则雷电冲击作用下匝间绝缘的电压为1 550×0.015=23.25 kV。

而当VFTO振荡波的频率与绕组自振频率接近发生共振时，匝间电压可以达到VFTO幅值的25%，选取主变压器入口出现最大VFTO的情况，此时振荡幅度达到最高为0.48 p.u.。主变压器匝间绝缘承受的电压为 ■ 2×550/■ 3×0.48×25%=53.88 kV，是雷电冲击电压作用下匝间电压的2倍以上。由于变压器绕组在VFTO作用下的匝间电压分布极不均匀，与雷电波作用下的匝间电压分布特点不同[14]，匝间电压的最大值发生在前几饼的屏蔽线和工作线之间，隔离开关操作可能会造成主变压器T1进线端匝间绝缘击穿。因此在变压器的绝缘设计中，对于VFTO的影响应重点考虑绕组进线端前几饼的匝间和饼间这些部位的绝缘。同时，通过主变压器附近并联安装电容等方法来限制高频振荡分量的侵入，减少发生共振的机率。但是，采用这些方法时必须确切了解变压器的谐振特性[15]。

2.2.3 电缆对VFTO的影响分析

取3种不同的电缆长度50 m、250 m、750 m，仿真分析不同电缆长度下主变压器入口出现VFTO情况，图6、图7分别是不同电缆长度下主变压器入口VFTO的波形和频谱：

由图6、图7可知，电缆长度为50 m的时候，传递到主变压器的VFTO幅值为1.33 p.u.，频率分量主要为1.4 MHz和4 MHz，波前陡度为1 740 kV/μs；长度增大到250 m时，主变压器入口处的VFTO幅值降为1.32 p.u.，频率分量主要为1 MHz、4 MHz和9 MHz，波前陡度降为1 672 kV/μs；当电缆长度为750 m长时，主变压器入口处的VFTO幅值降为1.31 p.u.，频率分量主要为1 MHz、4 MHz和9 MHz，波前陡度降为1 651 kV/μs。

图6 不同电缆长度下主变压器入口VFTO波形

图7 不同电缆长度下主变压器入口VFTO频谱

可以看出，当GIS地上和地下部分用一段长电缆连接后，传播到主变压器入口处的VFTO幅值和陡度都有一定程度的下降，暂态过程衰减，高频振荡分量明显减少，但是当电缆长度大于250 m及以上时，暂态衰减过程减弱，VFTO的幅值、波前陡度和振荡频率变化不大，只影响VFTO波传至主变压器的时间。

3 主变压器侧VFTO波前陡度限制措施

由2.3节可知，该550 kV GIS隔离开关各种操作中，产生并传递到主变压器处的VFTO幅值并不高，但波前陡度比较大，达到了1 631 kV/μs。目前IEC绝缘配合标准中尚未确定VFTO实验的典型波形[16]，通常认为VFTO可与雷电冲击耐受电压进行比较，变压器纵绝缘至少应该可以承受该标准雷电冲击电压波前陡度。从严考虑，可以以标准雷电冲击电压波前陡度1 291 kV/μs为限制水平来衡量VFTO波前陡度对变压器纵绝缘的危害性。

由于行波通过串联电感或者并联电容时，行波波前被拉平，陡度会被削弱，而在主变压器与GIS母线之间连接架空线，相当于在VFTO入侵主变压器的路径上引入了数值较大的串联电感，因此本节以主变压器入口处出现最严重VFTO的操作方式3为例，定量分析GIS母线与主变压器经架空线连接对限制入侵主变压器VFTO波前陡度的削弱作用[17]。

仿真计算模型如图8所示。

图8 VFTO抑制仿真计算模型

图9为主变压器与GIS母线之间架空线长度在0～9 m之间变化时，主变压器入口的VFTO波形。可以发现，随着架空线长度越长，相应的VFTO波前时间也越长，波头越来越平缓，因此架空线对VFTO波前陡度具有限制作用。

图9 不同长度架空线主变压器入口VFTO波形

图10为主变压器入口VFTO波前陡度与不同架空线长度的关系曲线。可以看出，随着架空线长度的不断增加，VFTO波前陡度不断下降0～4 m内，波前陡度下降很明显，降幅超过50%，架空线长度超过4 m以后，下降趋于平缓。当架空线长度取3 m时，VFTO波前陡度已从原来的1 631 kV/μs下降为 1 138 kV/μs， 与 1 291 kV/μs的限制水平有11.9%的裕度，满足变压器纵绝缘能承受VFTO波前陡度而不受危害的要求。考虑设计规程以及场地条件允许的情况下，架空线路选择3 m是较为经济且合理的。

图10 主变压器入口VFTO波前陡度与架空线长度的关系

图11为3 m长架空线下主变压器入口VFTO频谱。可以看到，主变压器与GIS母线间连接3 m长的架空线以后，主变压器入口处的VFTO频率成分中高频分量进一步减少。

图11 3 m长架空线下主变压器入口VFTO频谱

对于该500 kV抽水蓄能电站，由于场地较为紧张，GIS母线与主变压器之间通过油气套管直接相连，操作隔离开关产生并传递到主变压器的VFTO陡波对于电站的主变压器纵绝缘具有较大威胁，采取隔离开关加装并联电阻、主变压器入口前加装并联电容器或主变压器入口前加装串联阻波器等措施都不够经济。在设计规程以及场地条件允许的情况下，在GIS母线与主变压器之间连接一条3 m长的架空线即可满足限制VFTO波前陡度对主变压器纵绝缘的危害，同还可以减少VFTO高频分量。

4 结论

本文详细计算了洪屏抽水蓄能电站550 kV GIS在多种典型操作工况下的特快速瞬态过电压，并就主变压器入口处VFTO对主变压器匝间绝缘的影响、长电缆对VFTO的影响作了分析。针对该GIS主变压器入口处出现最严重VFTO的操作方式3，提出抑制主变压器入口处VFTO波前陡度的限制措施。通过计算仿真分析，得到了以下结论：

（1）GIS地上和地下部分通过电缆连接后，VFTO暂态过程不断衰减，几十MHz及以上的高频振荡分量明显减少，当电缆长度大于250 m时，暂态衰减过程减弱，VFTO的幅值、波前陡度和振荡频率变化不大。该电站连接1 km长电缆后，主变压器入口处VFTO幅值和波前陡度都有降低，幅值对变压器主绝缘影响不大，但是波前陡度非常大，需要采取一定的措施限制以减少对主变压器纵绝缘的危害。

（2）主变压器入口处的VFTO振荡分量与绕组自振频率如果接近发生共振时，激起的局部过电压可以达到雷电冲击电压波作用下匝间过电压的2倍以上，且匝间电压的最大值发生在前几饼的屏蔽线和工作线之间，因此操作隔离开关可能会造成主变压器进线端匝间绝缘击穿，在主变压器绝缘设计中应重点关注这些部位。

（3）主变压器与GIS母线之间连接架空线对侵入主变压器入口的VFTO波前陡度有明显的削弱作用，并且能减少VFTO中的高频分量。在设计规程以及场地条件允许的情况下，在GIS母线与主变压器之间连接一条3 m长的架空线即可限制VFTO波前陡度对主变压器纵绝缘的危害。