500 kV GIS变电站隔离开关操作对二次电缆的影响

杨拯，温才权，刘炜，全杰雄，闫茂华，张志源，刘洪顺

(1. 中国南方电网有限责任公司超高压输电公司梧州局，广西 梧州543002；2. 山东大学电气工程学院，山东省特高压输变电技术与装备重点实验室，济南250061)

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated switchgear, GIS)隔离开关带电操作时，触头间隙电压快速跌落，伴随着SF6气体的多次击穿放电，会在触头间产生数兆到数十兆赫兹的特快速暂态现象(very fast transient, VFT)[1 - 4]。VFT以行波的形式传播，在GIS中经多次折反射，形成上升时间短、幅值大的特快速暂态过电压(very fast transient over-voltage, VFTO)[5 - 9]。由于互感器与高压母线间存在分布电容，VFTO会通过分布电容侵入互感器的二次侧，再经电缆以传导的形式进入控制小室内，对二次设备形成干扰，威胁整个系统的安全运行[10 - 15]。因此，研究VFTO对二次设备的骚扰有着重要的理论和实际意义。

目前学者们对于VFTO及二次电缆开展了大量的理论研究和推导计算。华北电力大学张重远等人对GIS变电站中隔离开关产生的VFTO和暂态地电位升高(temporary ground potential rise, TGPR)的机理进行了介绍，并提出了一种计算VFTO对二次电缆造成干扰电压的计算方法和思路[16]。张卫东等设计了一套VFTO骚扰测量系统，并在特高压GIS试验平台上对骚扰电压进行了实测，测量了屏蔽层在4种不同接地方式下的骚扰电压[17]。吴恒天等针对252 kV GIS变电站设计了模拟试验平台，获得了模拟传感器端口和汇控柜端口处的骚扰电压，并与IEC标准进行了对比分析[18]。谭锦鹏等对串补隔离开关操作引起的VFTO进行了分析和计算，并对VFTO通过CVT对串补采样模块造成的干扰进行了测量和故障分析[19]。上述文献针对VFTO对二次设备的干扰进行了理论推导、实际测量、实验室模拟，然而并未对骚扰电压进行大量的建模和仿真研究，对于二次设备的抗干扰措施也并未进行相应的计算和仿真。

本文基于电磁暂态仿真软件建立了某500 kV变电站隔离开关操作时的等效仿真模型，通过研究电容式电压互感器(capacitive voltage transformer, CVT)和二次电缆的结构，研究了VFTO通过传导方式对二次设备造成的干扰。最后，在仿真的基础上，分析了各种参数对VFTO造成的传导干扰的影响，并提出了一套抗干扰的防护措施。

1 传导骚扰的计算及CVT模型

在变电站中，一次设备的信息以及相关的操作、控制信号都需经二次电缆连接到控制保护小室的二次设备。VFTO在高压母线上传播时，高频的暂态电压将通过母线与互感设备间的分布电容，以及互感设备的一、二次侧间的分布电容传导到二次电缆和二次设备上，严重时威胁二次设备绝缘。本文以VFTO通过电容耦合式电压互感器对二次设备造成的干扰进行研究。

图1为高压母线上的VFTO经CVT对二次电缆造成干扰的示意图。高压母线上的暂态过电压UB经过分压电容C3、C4的分压，再经过一二次侧间的分布电容传导到连接在CVT二次侧的二次电缆上。此外，一部分暂态过电压UB经过互感器的接地引线电感和接地阻抗传导到接地网上，在地网上形成局部地电位升，对连接在接地网上的二次设备造成干扰。图2为VFTO经CVT对二次电缆和二次设备造成干扰的等效电路模型。

图1 VFTO通过CVT传导示意图Fig.1 Schematic diagram of VFTO conduction through CVT

图2 VFTO通过CVT传导的等效电路图Fig.2 Equivalent circuit diagram OF VFTO conduction through CVT

图2中，C3、C4为分压电容，UB为电容式电压互感器引线处的暂态电位，LG为互感器接地电感，ZG为等效接地阻抗，C2为二次绕组与电缆屏蔽层之间的分布电容，Z0为二次电缆的波阻抗，二次电缆的末端负载阻抗为ZL。C3、C4、C2、LG分别为0.001 67 μF、0.08 μF、500 pF和1 μH。ZL等效为大电阻5 kΩ，二次电缆Z0等效波阻抗为25 Ω，接地等效阻抗ZG取0.2 Ω。根据电路理论，则干扰源UG可表示为：

(1)

其中输入阻抗为：

(2)

式中：Γ为传播常数；l为二次电缆的长度；ρ2为反射系数。

假设线路无损，传播常数为：

(3)

式中L0和C0分别为电缆单位长度的电感和电容。

ρ1和ρ2为反射系数，具体计算如式(4)—(5)所示。

(4)

(5)

等效阻抗为：

(6)

基于均匀传输线理论，二次电缆处的干扰电压为：

(7)

式中ω为角频率。根据式(7)即可求出产生VFTO时，在二次设备的干扰电压。

2 VFTO对二次电缆骚扰电压的建模

GIS变电站内设备众多，不仅包括变压器、避雷器等设备，还包括互感器、高压母线、套管、断路器和隔离开关等开关设备[20 - 25]。为了仿真的准确性，需对这些电气设备建立准确可靠的仿真模型。除变压器外，其他设备密封在GIS金属外壳内，内部充有SF6绝缘气体。当隔离开关分合闸操作时，由于触头运动速度较慢，断口间会产生反复多次重击穿和预击穿，击穿的脉冲波沿着导线向两侧传播，波在GIS波阻抗不连续处发生反射，这些正向、反向波叠加在一起，就形成了VFTO。在本文的仿真中，变压器等效为入口电容；隔离开关燃弧时等效为时变电阻，合闸时或分闸时等效为数值不同的集中对地电容；GIS母线等效为波阻抗；断路器合闸时等效为线路的一部分，分闸时等效为串联电容；避雷器、电流互感器、套管均可等效为集中对地电容。各电器的等效模型如表1所示。

表1 各电器元件等效模型Tab.1 Equivalent models of electrical elements

图3为500 kV GIS变电站的结构布置图，结合图2的CVT等效模型和表1中给出的各种电气元件的等效模型，可以建立用于研究VFTO对二次电缆骚扰电压的等效电路图如图4所示。

图3 某500 kV GIS变电站结构布置图Fig.3 Layout of a 500 kV GIS substation structure

3 模型仿真结果分析

通过建立VFTO对二次电缆和二次设备的骚扰仿真模型，可对各种情况下的骚扰电压开展研究。本文中GIS母线和外壳的参数如下：母线内径为50 mm，外径为90 mm，材料为铜；GIS外壳的内径为406.4 mm，外径为422.4 mm，材料为铝合金。二次控制电缆型号为KVVP2-22，芯线外径为3.38 m，

图4 VFTO对二次电缆骚扰电压的仿真模型Fig.4 Simulation model of secondary cable disturbance voltage by VFTO

缆芯和金属铠甲均为铜材料，缆芯与屏蔽层之间采用绝缘层填充，绝缘层材料采用标准聚氯乙烯。

闭合隔离开关DS3，可以得到各器件处的VFTO及其经CVT对二次电缆产生的骚扰电压波形，各处的过电压如表2所示。骚扰电压最大值出现在隔离开关DS3附近，为931 kV(2.07 p.u.)，对其进行傅里叶分析，可以发现其基波幅值最大，为450 kV，主要的谐波分量有0.85、1.15、1.65、2.25、4.9、9.75、12.5、23.75 MHz，其波形如图5所示。VFTO进入CVT二次侧电缆末端的传导干扰电压如图6所示，干扰电压最高达6 003 V。通过对比其他文献中的测量和仿真结果[15,21]，可以发现实测波形及仿真结果在幅值、频率上与本文结果基本吻合，因此本文的仿真模型是准确的，仿真结果是可靠的。

表2 各电气元件处VFTO的幅值 Tab.2 Amplitude of VFTO at each electrical componentkV

图5 隔离开关DS3处的VFTO波形Fig.5 The VFTO waveform at disconnector DS3

图6 二次电缆末端的骚扰电压波形Fig.6 The interference voltage waveform on secondary cable

如图6所示，初始1.4 μs内电弧还未完全燃烧，电弧电阻仍很大，相当于开路，骚扰电压没有形成传导的通路，且CVT经分压电容C4接地，故在0～1.4 μs电压为0。二次电缆末端的骚扰电压谐波分量频率主要集中在0～50 MHz，主要的谐波频率为1.7、3.3、6.15、8.7、9.75、12.55、18.05、24.45、30.25、41.8 MHz，与隔离开关处VFTO相比，二次电缆末端的VFTO含有的谐波成分更复杂，且主要谐波分量的频率更高。

过大的骚扰电压会对二次设备造成严重干扰，骚扰电压幅值与一次VFTO的大小密切相关。因此，对于VFTO对二次电缆和二次设备的骚扰电压的抑制和防护可以分别从降低一次侧VFTO的幅值和在二次侧开展相关防护措施来进行研究和仿真分析。

4 二次电缆干扰防护措施分析

对于一次侧VFTO的防护，可以通过采用螺旋管阻尼母线来降低高压母线上的VFTO。对于二次侧骚扰电压的抑制，本节分别从二次电缆屏蔽层接地方式、二次电缆长度进行研究，并对采用多股导线和加装滤波设备两种措施开展了仿真分析和研究。

4.1 螺旋管阻尼母线对VFTO的影响

GIS隔离开关操作时产生的大部分过电压来自输电导线，过电压以流动波的形式存在，其传播可等效为电磁场，在线路的周围不同方向进行电磁能的传播或存储。为简化计算，一般以线路上电流、电压波代替其周围空间的电磁场波过程。

螺旋管阻尼母线为螺纹状的中心镂空的线圈结构，内部装有无感阻尼电阻和环氧支撑件。由于这样的结构，其电感量大于正常母线，可以改变线路的波阻抗。阻尼电阻会增加传输时的有功功率，从而抑制行波，降低过电压的幅值和频率。其抑制原理与磁环类似，但由于导体不导磁，因此不会出现磁饱和而降低防范作用。采用螺旋管阻尼母线既能抑制过电压，又能达到正常母线的传导作用。阻尼母线可等效为“电阻+电感+气隙”的并联结构，多股母线可等效为多个这种结构的串联，其等效电路如图7所示。

图7 螺旋管阻尼母线的分布参数等效电路Fig.7 Distributed parameter equivalent circuit of spiral tube damping busbar

图7中：Ln为单匝单阻尼母线的电感；Rn为无感电阻；LRn为阻尼母线每匝的残余电感；gn为间隙；rn为电弧通道电阻。用螺旋管阻尼母线代替原输电导线，进行相应的仿真分析，采用螺旋管阻尼母线后，二次电缆末端的骚扰电压如表3所示。

本文中抑制效果α的表达式如式(8)所示。

表3 采用阻尼母线后二次电缆末端骚扰电压Tab.3 Interference voltage at end of the secondary cable with damping busbar

(8)

式中：U1、U2分别为初始骚扰电压值和采用防护措施后的骚扰电压值。

采用阻尼母线后，各个位置的VFTO幅值均有降低，其中在隔离开关DS3处VFTO的幅值降低了15.6%，而在二次电缆末端，对骚扰电压的抑制效果最为显著，过电压幅值降低了48.3%。对其进行傅里叶分析，发现其主要谐波成份与不采用阻尼母线时基本保持一致，但相应谐波分量对应的幅值也随骚扰电压的幅值而大大降低，抑制效果基本与对二次电缆末端骚扰电压的抑制效果保持一致。螺旋管阻尼母线对于VFTO对二次电缆末端造成的骚扰电压的幅值抑制效果非常明显，VFTO经过时，无感电阻Rn会吸收过电压的能量，增加相应的有功功率，且由于螺旋管的结构，阻尼母线的电感高于普通母线，增加了暂态电压波的频率，同时也降低了无感电阻Rn两端的电压，使得过电压波流经时产生损耗，进而达到降低二次电缆末端过电压的目的。

4.2 不同长度电缆对二次电缆末端电压的影响

二次电缆的长度决定了其对地杂散电容分布的不同。本节对不同长度的二次电缆进行仿真，研究二次电缆长度与骚扰电压间的关系，仿真结果如图8所示。由图8可知，二次电缆末端的骚扰电压随着电缆长度的增加而降低，在0～100 m时增加电缆长度对于减小骚扰电压效果显著；而当电缆长度大于100 m后，虽然增加电缆长度依然能降低骚扰电压，但其抑制效果大大降低。因此在工程实际中，当二次电缆长度在100 m以内时，适当延长其长度对降低骚扰电压有积极作用，而当电缆长度超过100 m时，增加电缆长度来抑制骚扰电压的性价比明显降低，应考虑采用其他骚扰抑制措施。

图8 二次电缆长度对骚扰电压的影响Fig.8 Effect of secondary cable length on interference voltage

4.3 二次电缆屏蔽层接地方式对骚扰电压的影响

本文采用KVVP2-22型二次电缆，二次电缆的一般结构如图9所示，由缆心、屏蔽层、金属护套3根同心导体以及它们间的绝缘层构成。屏蔽层和金属护套可以起到一定的电磁屏蔽和接地保护的作用。对于二次电缆的抗干扰，屏蔽层一般有两端接地和一端接地两种做法，下文分别对这两种屏蔽方法进行仿真分析。

图9 二次电缆结构示意图Fig.9 Structure diagram circuit of secondary cable

分别通过对屏蔽层不接地、屏蔽层单端接地和屏蔽层两端接地3种方法进行仿真，得到了3种不同接地方式下二次电缆末端的骚扰电压及其各谐波分量的幅值。通过仿真可以发现，在屏蔽层不接地情况下，二次电缆末端骚扰电压的幅值最高可达 6 003 V，屏蔽层单端接地时最高为5 404 V，而两端接地时最高为4 772 V。3种不同屏蔽层接地方式下骚扰电压的主要谐波成分基本相同，但屏蔽层不接地的情况下谐波分量的幅值最小，单端接地时谐波分量的幅值最大，在屏蔽层单端接地和双端接地的情况下，二次电缆末端骚扰电压的幅值分别降低了9.97%和20.51%。

对3种屏蔽层接地方式下骚扰电压进行傅里叶分析，各谐波分量的幅值如表4所示。在二次电缆屏蔽层接地后，3.30 MHz和6.15 MHz两个主要谐波分量的幅值大大增加，屏蔽层单端接地时分别增了86.92%和43.50%，而双端接地时分别增加了21.60%和72.97%。对于1.7、8.7、9.75和12.55 MHz频率范围的谐波，采用屏蔽层接地后谐波分量的幅值略有降低。综合来看，屏蔽层两端接地对于骚扰电压幅值的抑制效果最为显著，但也会导致主要谐波分量幅值的增加，还需配合滤波设备来降低谐波幅值。屏蔽层两端接地后，将与大地形成回路，在屏蔽层中流过与母线电流极性相反的电流，产生去磁通的效果，减小电感和电容耦合的干扰。在工程实际中，一般也采用屏蔽层两端接地的方式，提高二次电缆的抗干扰能力。

表4 不同屏蔽层接地方式下二次电缆末端骚扰电压各谐波分量的幅值Tab.4 The amplitude of harmonic components of interference voltage at the end of secondary cable under different shield grounding modes

4.4 采用多股导线

多股导线并联接地将使导线接地电阻大大降低，可以降低由于地网电位升高导致的干扰。分别采用两股、3股和4股导线，通过仿真可以发现，采用多股导线后，二次电缆末端骚扰电压的幅值明显降低。采用两股、3股和4股导线时，二次电缆末端骚扰电压的幅值最高分别为3 284、2 260、1 720 V，相比单股导线分别降低了45.29%、62.35%、71.35%。对采用多股导线后二次电缆末端电压进行傅里叶分析，各主要谐波分量幅值如表5所示。在采用多股导线后，二次电缆末端骚扰电压的主要谐波频率并未发生变化，而各谐波分量对应的幅值却大大降低，其中采用四股导线时骚扰电压的幅值最低，谐波分量对应的幅值也最低，对骚扰电压有很好的抑制效果。

表5 采用多股导线后二次电缆末端骚扰电压各谐波分量的幅值Tab.5 The amplitude of harmonic components of interference voltage at the end of secondary cable using multi-stand conductors

4.5 滤波电容对二次电缆末端电压的影响

VFTO的频率成份非常复杂，其中包含大量的高频谐波成份。在屏蔽层接地后，在二次电缆末端处的VFTO幅值仍然很高且各谐波的成份依旧很复杂，甚至谐波分量的幅值占比有所升高，因此还需要加装相应的滤波设备来降低谐波分量和骚扰电压的幅值。在二次电缆首端、末端分别加装滤波电容来模拟不同幅值的滤波器，仿真结果如图10所示。

图10 滤波电容对二次电缆末端骚扰电压的影响Fig.10 Effect of filter capacitor on interference voltage

根据仿真结果可以看出，在首端安装滤波电容，骚扰电压先降低后升高，但仍然有一定的抑制效果；在末端安装滤波电容，骚扰电压的幅值随滤波电容的增大而减小，二次电缆末端骚扰电压与加装的滤波电容值呈类似于反比例的关系，但电容值超过0.01 μF时，对骚扰电压的抑制效果明显降低。综合对比发现，在二次电缆末端加装滤波电容的效果要比在首端安装更好。在二次电缆末端加装滤波电容可减小二次侧的骚扰电压。当滤波电容小于0.01 μF时，加装滤波电容可使二次侧骚扰电压幅值显著降低。当滤波电容大于0.01 μF时，继续增大滤波电容幅值对二次电缆骚扰电压的抑制作用降低。

4.6 二次电缆骚扰电压组合抗干扰措施

在4.1—4.5节分别分析了采用螺旋管阻尼母线、二次电缆长度、屏蔽层接地方式、采用多股导线以及安装滤波电容对二次电缆末端骚扰电压的影响。通过仿真分析可以发现，采用阻尼母线能大大降低VFTO的幅值；二次电缆长度大于100 m后对骚扰的抑制效果明显降低；采用屏蔽层两端接地能很好地抑制骚扰电压，但却会引起主要谐波频率的幅值增加；滤波电容大于0.01 μF时，对骚扰的抑制效果大大降低。综合考虑这些骚扰抑制措施，分析采用组合抗干扰措施对二次电缆末端骚扰电压的抑制效果。采用组合抗干扰措施后二次电缆末端骚扰电压和幅频特性的波形如图11所示。其中二次电缆采用4股导线，电缆长度设置为100 m，屏蔽层采用两端接地的方式，滤波电容为0.01 μF。

图11 采用组合抗干扰措施后二次电缆末端的骚扰电压Fig.11 Interference voltage at the end of secondary cable adopting combined suppression measures

根据仿真结果可以看出，在采用组合抗干扰措施后，二次电缆末端的骚扰电压最大为429 V，且其谐波含量的幅值也明显降低，主要频率分量在20 MHz以内，很好地滤除了高频的谐波分量。

5 结论

本文主要研究了GIS变电站VFTO对二次电缆传导骚扰的原理特性和抑制策略等内容。对CVT进行了建模，并对CVT二次侧的电压进行了推导。基于电磁暂态仿真软件，根据CVT等效电路搭建了500 kV GIS变电站仿真模型，对VFTO和二次侧骚扰电压进行了仿真分析。

通过对某500 kV GIS变电站开关操作产生的VFTO经CVT对二次设备造成的干扰进行仿真研究，提出了一系列的二次电缆抗干扰措施，具体如下。

在一次侧隔离开关附近采用螺旋管阻尼母线能够大大降低二次电缆末端VFTO的幅值，谐波分量的幅值也得到了有效抑制。

二次电缆屏蔽层两端接地对于骚扰电压具有一定的屏蔽作用，但也可能会导致各谐波分量的幅值增大，需要配合滤波设备使用。

当二次电缆长度在100 m内时，适当增加二次电缆长度可降低末端的骚扰电压，当电缆长度大于100 m后对骚扰的抑制效果明显降低。

采用多股导线接地可以在很大程度上降低二次电缆上的干扰电压，采用4股电缆比单股电缆骚扰电压降低了71.35%。

在二次侧负载前并联滤波电容可有效减小二次侧的骚扰电压，并有效抑制高频谐波。

采用组合抗骚扰措施后，二次电缆末端电压大大降低，且含有的谐波成份也显著减少，抗干扰能力明显增强。