750 kV GIS變電站VFTO特性分析

盧鵬

（河南平高電氣股份有限公司，河南省平頂山市，467001）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（gas-insulated metal-enclosed sw itchgear，GIS）中隔離開(kāi)關(guān)的操作會(huì)產(chǎn) 生 特快 速 暫態(tài) 過(guò) 電 壓（very fast transient overvoltage，VFTO）?？赡軐?dǎo)致GIS本體及其相連的設(shè)備（如變壓器）絕緣損害，并可能產(chǎn)生電磁干擾，影響二次設(shè)備[1]。目前，西北電網(wǎng)中已投運(yùn)多個(gè)750 kV GIS的變電站。由于擔(dān)心VFTO危害主設(shè)備絕緣，自750 kV輸電線路示范工程投運(yùn)以來(lái)，對(duì)GIS中隔離開(kāi)關(guān)一直采取停電操作的倒閘方式。由于當(dāng)時(shí)涉及的750 kV變電站和線路較少，停電影響范圍不大，因此雖然操作有所不便，仍基本滿足運(yùn)行調(diào)度要求，但是，隨著750 kV電網(wǎng)規(guī)模迅速擴(kuò)大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，后續(xù)還將有多座750 kV GIS變電站或升壓站陸續(xù)投運(yùn)，這種非標(biāo)準(zhǔn)、不正常的倒閘操作方式已經(jīng)嚴(yán)重制約750 kV電網(wǎng)的正常調(diào)度、運(yùn)行和維護(hù)，尤其不利于電網(wǎng)事故的快速處置和恢復(fù)，影響電網(wǎng)安全運(yùn)行。750 kV GIS中隔離開(kāi)關(guān)正常帶電操作問(wèn)題，迫切需要妥善解決。在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)測(cè)，是評(píng)價(jià)VFTO危害的直接手段。

1 750 kV GIS變電站VFTO仿真計(jì)算

本文以西北電網(wǎng)中某750 kV GIS變電站為例，計(jì)算分析隔離開(kāi)關(guān)操作在系統(tǒng)各個(gè)測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生的VFTO。系統(tǒng)接線圖如圖1所示。圖中：CB1—CB7為斷路器；DS1—DS14為隔離開(kāi)關(guān)；Bg為套管；Rec為電抗器；CVT為電容式電壓互感器；MOA為避雷器。

計(jì)算工具為ATP-EMTP，主要元件仿真模型如下：變壓器繞組采用等值入口電容模型，該模型和帶損耗的高頻模型以及以線餅為單元的變壓器等值回路模型相比，在計(jì)算VFTO時(shí)的結(jié)果基本相同[2]。本文取變壓器入口電容為9 000 pF；電容式電壓互感器、套管、電抗器均采用集中參數(shù)的等值對(duì)地電容，電容值分別為5 000、460和5 000 pF；母線及架空線均采用分布參數(shù)模型；閉合的開(kāi)關(guān)元件簡(jiǎn)化為等長(zhǎng)的母線[3]。

負(fù)荷側(cè)的殘留電壓以-1.0 pu考慮。電源側(cè)合閘時(shí)的電壓以+1.0 pu計(jì)[4]?！柏?fù)荷側(cè)”指隔離開(kāi)關(guān)合閘前及分閘后其電壓為零或保持某個(gè)值不變（殘余電荷影響）的那一側(cè)；而“電源側(cè)”的電壓為系統(tǒng)電壓，始終以正弦規(guī)律變化。隔離開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)殘余電荷電壓取-1.0 pu，電源的合閘相角取0°，此時(shí)計(jì)算得到的VFTO幅值為最大[5]。GIS隔離開(kāi)關(guān)操作一般只是開(kāi)合隔離開(kāi)關(guān)至斷路器之間的短線，過(guò)電壓一般出現(xiàn)在短線上。如果被操作的隔離開(kāi)關(guān)的電源一側(cè)連有適當(dāng)長(zhǎng)度的空母線，在空母線端部因波的多次折反射可能出現(xiàn)較高的過(guò)電壓。最高過(guò)電壓可能出現(xiàn)在空母線端部[6]。

針對(duì)系統(tǒng)各種運(yùn)行方式下隔離開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的VFTO進(jìn)行了大量的電磁暫態(tài)仿真計(jì)算。這些計(jì)算涉及了多種750 kV隔離開(kāi)關(guān)操作方式，基本上涵蓋了電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中變電站現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際可能進(jìn)行的倒閘方式。所有操作方式下各個(gè)測(cè)量點(diǎn)最大VFTO的理論計(jì)算值見(jiàn)表1。

在此基礎(chǔ)上，以盡可能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量到最大過(guò)電壓為目標(biāo)，并根據(jù)西北電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，本文選取2種具有代表意義的750 kV隔離開(kāi)關(guān)操作方式進(jìn)行說(shuō)明。

方式一：CB1和CB4合閘，其余斷路器為分閘狀態(tài)，操作隔離開(kāi)關(guān)DS9（不帶合閘電阻），如圖2所示；由于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)測(cè)點(diǎn)5的預(yù)埋電極探頭損壞，故用測(cè)點(diǎn)4替代。

方式二：CB2、CB3、CB5合閘，其余斷路器為分閘狀態(tài)，操作隔離開(kāi)關(guān)DS8（不帶合閘電阻），如圖3所示。

圖2～3中黑色粗線代表帶電部分，隔離開(kāi)關(guān)操作方式一理論計(jì)算VFTO波形（合閘）見(jiàn)圖4，隔離開(kāi)關(guān)操作方式二理論計(jì)算VFTO波形（分閘）見(jiàn)圖5。

2 VFTO現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2.1 測(cè)量系統(tǒng)原理

圖6為VFTO測(cè)量系統(tǒng)原理圖。其基本原理是預(yù)埋的電極與GIS導(dǎo)體間的電容（C0）以及外接電容（C）構(gòu)成電容分壓器，提取GIS內(nèi)部高頻VFTO信號(hào)后，經(jīng)二次電阻分壓，再經(jīng)電/光及光/電轉(zhuǎn)換，由數(shù)字示波器記錄并存儲(chǔ)最終的波形。C0約為20 pF，每測(cè)點(diǎn)安裝4個(gè)分壓器，其電容值約80 nF（20 nF×4）。

每次測(cè)量利用布置在所操作的隔離開(kāi)關(guān)兩側(cè)的2個(gè)盆式絕緣子，分別測(cè)量高頻（VFTO波形）與低頻（階梯狀波形）兩個(gè)信號(hào)，通過(guò)分析對(duì)比，可以得到VFTO波形以及擊穿、重燃的時(shí)間。記錄高頻信號(hào)的示波器采樣頻率為1GS/s，記錄時(shí)長(zhǎng)為10μs；記錄低頻信號(hào)的示波器采樣速率為50 kS/s，記錄時(shí)長(zhǎng)為200ms。測(cè)量系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況如圖7所示。

2.2 測(cè)試總體情況

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)共計(jì)拉合隔離開(kāi)關(guān)40次（拉、合各算1次），一次設(shè)備保持正常運(yùn)行，750 kV GIS、主變等一次主設(shè)備均未發(fā)生絕緣損壞或其他故障；二次系統(tǒng)和相關(guān)輔助設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，未出現(xiàn)誤發(fā)信號(hào)、誤動(dòng)作等異常現(xiàn)象；對(duì)GIS進(jìn)行了局部放電、SF6氣體成分、主變壓器油中氣體等項(xiàng)目檢測(cè)及設(shè)備外觀檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。

2.3 VFTO波形分析

2.3.1 波形分析原則

在GIS的隔離開(kāi)關(guān)分、合過(guò)程中，動(dòng)、靜觸頭之間將形成SF6氣體間隙。根據(jù)放電理論可知，氣體間隙是否發(fā)生擊穿，主要取決于介質(zhì)強(qiáng)度和施加于該間隙兩端的電壓，而介質(zhì)強(qiáng)度則與間隙距離緊密相關(guān)。因此，對(duì)于所操作的750 kV隔離開(kāi)關(guān)，由于電極形狀等相關(guān)因素已經(jīng)確定，則氣體間隙的擊穿、熄弧以及再擊穿等過(guò)程，將主要受由于動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)而引起的間隙距離變化以及氣體間隙兩端電壓的變化共同控制。以下的波形分析主要基于上述原則進(jìn)行。

2.3.2 方式一，沒(méi)有殘余電荷情況下隔離開(kāi)關(guān)合閘

典型的VFTO波形如圖8和圖9所示。

首先，根據(jù)負(fù)荷側(cè)波形變化情況，補(bǔ)全電源側(cè)交流正弦電壓波形，如圖8中的虛線部分所示。由于在本方式下，隔離開(kāi)關(guān)DS9第1次進(jìn)行帶電合閘操作，因此其負(fù)荷側(cè)殘余電壓為0。在隔離開(kāi)關(guān)合閘過(guò)程中，動(dòng)、靜觸頭之間的距離將不斷縮短，而施加于動(dòng)、靜觸頭之間SF6氣體間隙上的電壓（即電源電壓），則以正弦規(guī)律隨時(shí)間變化。隔離開(kāi)關(guān)的分、合行程平均需要大約170ms才能完成，因此，在合閘前段時(shí)期由于動(dòng)、靜觸頭間隙距離較大，未發(fā)生（預(yù)）擊穿現(xiàn)象。在發(fā)生第1次預(yù)擊穿之前，負(fù)荷側(cè)電壓一直保持不變，而電源側(cè)電壓則不斷上升（例如從A點(diǎn)開(kāi)始）；同時(shí)，由于動(dòng)、靜觸頭之間的距離也在不斷縮短，當(dāng)電源側(cè)電壓升至B點(diǎn)位置時(shí)，恰好滿足間隙擊穿的條件，發(fā)生了第1次燃弧，并觸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行高速錄波。

SF6氣體間隙擊穿引起GIS中電壓（電流）陡波的傳播和多次折、反射過(guò)程，即VFTO現(xiàn)象，從圖9中可以看出，間隙擊穿瞬間，電源側(cè)電壓下降、負(fù)荷側(cè)電壓則快速上升，這主要是由于擊穿前電源側(cè)處于高電壓（高電位）而負(fù)荷側(cè)則處于零電位（低電位）造成的。由于VFTO陡波自身所具有的能量較小，隨著時(shí)間的推移，在經(jīng)過(guò)一系列復(fù)雜的振蕩及衰減后，其幅值和頻率都大幅度降低，電源側(cè)與負(fù)荷側(cè)電壓迅速趨于一致。

隨著隔離開(kāi)關(guān)負(fù)荷側(cè)與電源側(cè)電壓趨同，動(dòng)、靜觸頭之間的電壓差也將大幅度降低，不足以維持電弧在SF6氣體中持續(xù)、穩(wěn)定燃燒。因此，在幾至幾十μs之內(nèi)，電弧將熄滅。電弧熄滅后，受殘余電荷影響，負(fù)荷側(cè)將具有電弧熄滅時(shí)刻電源側(cè)的電勢(shì)（電壓），表現(xiàn)為直流形式并可長(zhǎng)時(shí)間保持，如圖8中的B-C段所示（中線）。之后，雖然電源側(cè)電壓仍在繼續(xù)上升、間隙距離也進(jìn)一步縮短，但由于負(fù)荷側(cè)殘余電壓的影響，致使施加于動(dòng)、靜觸頭之間的壓差較小，不足以導(dǎo)致再次擊穿。電源側(cè)電壓經(jīng)過(guò)C點(diǎn)以后，主要由于距離的進(jìn)一步縮短（合閘過(guò)程后期），間隙再次發(fā)生擊穿、電弧重燃。經(jīng)過(guò)C點(diǎn)以后，由于相同的原因，又相繼發(fā)生了幾次較為明顯的重燃和熄弧過(guò)程，直至動(dòng)、靜觸頭之間完全實(shí)現(xiàn)可靠電氣接觸為止。不過(guò)，隨著動(dòng)、靜觸頭越來(lái)越靠近，所需的擊穿電壓越來(lái)越低，熄弧持續(xù)的時(shí)間也越來(lái)越短。

2.3.3 方式二，隔離開(kāi)關(guān)分閘

典型波形圖見(jiàn)圖10和圖11。

首先，根據(jù)負(fù)荷側(cè)波形變化情況，補(bǔ)全電源側(cè)正弦電壓波形，如圖10中的虛線部分所示。在F點(diǎn)處觸發(fā)測(cè)試系統(tǒng)高速錄波。隔離開(kāi)關(guān)在分閘過(guò)程中，動(dòng)、靜觸頭之間的距離將不斷增加。為清晰起見(jiàn)，假設(shè)在圖10中的A點(diǎn)出現(xiàn)第1次燃弧和熄弧（其實(shí)在A點(diǎn)之前即有多次重燃及熄弧過(guò)程）。此后，由于電源側(cè)電壓仍以較快速度上升，超過(guò)動(dòng)觸頭遠(yuǎn)離造成的影響，導(dǎo)致在B點(diǎn)再次發(fā)生重燃并熄弧。C、D、E、F等幾處電弧重燃及熄弧的情況可以此類推。在F點(diǎn)最后一次擊穿并熄弧后，由于動(dòng)、靜觸頭之間的距離已經(jīng)足夠遠(yuǎn)，此后不論電源側(cè)電壓如何變化，間隙絕緣均能耐受其兩端電壓，電弧最終不再重燃。并且，負(fù)荷側(cè)電壓將保持在最后一次電弧熄滅時(shí)刻的電源側(cè)電壓，在圖10中為一接近于正弦穩(wěn)態(tài)峰值的直流正電壓?？梢钥闯觯S著動(dòng)觸頭的遠(yuǎn)離，間隙擊穿所需的電壓將越來(lái)越高，而電弧保持熄滅的時(shí)間總體上也越來(lái)越長(zhǎng)。在隔離開(kāi)關(guān)所有的分閘過(guò)程中，都表現(xiàn)出類似的趨勢(shì)。在GIS中電壓（電流）陡波的傳播和多次折反射方面，與合閘時(shí)的情況類似。圖10中間隙最后一次擊穿前，負(fù)荷側(cè)具有負(fù)電位，電源側(cè)具有正電位，經(jīng)過(guò)幾μs以上或更長(zhǎng)時(shí)間振蕩后，兩側(cè)電壓逐步趨同，電弧也最終完全熄滅，如圖11所示。

2.4 測(cè)量結(jié)果

現(xiàn)場(chǎng)所側(cè)得的VFTO幅值及波形的主頻率見(jiàn)表2。

表22 VV FF TT OO幅值及波形的主頻率 Tab.2 The VFTO amplitude value and main frequency of thewaveform

3 VFTO實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較分析

仿真計(jì)算波形與VFTO現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：圖4對(duì)應(yīng)圖8、圖9；圖5對(duì)應(yīng)圖10、圖11；從圖中可見(jiàn)，在最初的幾次振蕩過(guò)程中，理論與實(shí)測(cè)波形具有較好的對(duì)應(yīng)性，VFTO最大值與低速錄波圖之間的關(guān)系很明確，基本可以反推，相互印證，計(jì)算波形與測(cè)量的波形相比基本一致。并且，上述對(duì)典型錄波波形的分析結(jié)果，驗(yàn)證了在不考慮電弧多次重燃的條件下進(jìn)行理論計(jì)算是合理的。

4 結(jié)論

（1）750 kV GIS變電站中750 kV隔離開(kāi)關(guān)正常帶電操作產(chǎn)生的VFTO過(guò)電壓，不會(huì)損壞變電站的一、二次設(shè)備。

（2）通過(guò)實(shí)測(cè)750 kV GIS中產(chǎn)生的VFTO過(guò)電壓，驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的VFTO最大值與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

（3）通過(guò)VFTO波形實(shí)測(cè)及分析，為實(shí)現(xiàn)750 kV GIS中隔離開(kāi)關(guān)的正常帶電操作提供了試驗(yàn)依據(jù)，在確保750 kV GIS、主變壓器等設(shè)備質(zhì)量合格的情況下，西北電網(wǎng)內(nèi)750 kV GIS中的隔離開(kāi)關(guān)應(yīng)進(jìn)行正常帶電操作。

（4）本文結(jié)果為1 000 kV特高壓GIS設(shè)備中的VFTO實(shí)測(cè)及倒閘操作積累了經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

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