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關(guān)設(shè)備（gas-insulated metal-enclosed sw itchgear，GIS）中隔離開關(guān)的操作會產(chǎn) 生 特快 速 暫態(tài) 過 電 壓（very fast transient overvoltage，VFTO）。可能導(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，對GIS中隔離開關(guān)一直采取停電操作的倒閘方式。由于當(dāng)時涉及的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中隔離開關(guān)正常帶電操作問題，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，是評價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)算分析隔離開關(guān)操作在系統(tǒng)各個測點(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；閉合的開關(guān)元件簡化為等長的母線[3]。

負(fù)荷側(cè)的殘留電壓以-1.0 pu考慮。電源側(cè)合閘時的電壓以+1.0 pu計(jì)[4]。“負(fù)荷側(cè)”指隔離開關(guān)合閘前及分閘后其電壓為零或保持某個值不變（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°，此時計(jì)算得到的VFTO幅值為最大[5]。GIS隔離開關(guān)操作一般只是開合隔離開關(guān)至斷路器之間的短線，過電壓一般出現(xiàn)在短線上。如果被操作的隔離開關(guān)的電源一側(cè)連有適當(dāng)長度的空母線，在空母線端部因波的多次折反射可能出現(xiàn)較高的過電壓。最高過電壓可能出現(xiàn)在空母線端部[6]。

針對系統(tǒng)各種運(yùn)行方式下隔離開關(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)場實(shí)際可能進(jìn)行的倒閘方式。所有操作方式下各個測量點(diǎn)最大VFTO的理論計(jì)算值見表1。

在此基礎(chǔ)上，以盡可能現(xiàn)場測量到最大過電壓為目標(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隔離開關(guān)操作方式進(jìn)行說明。

方式一：CB1和CB4合閘，其余斷路器為分閘狀態(tài)，操作隔離開關(guān)DS9（不帶合閘電阻），如圖2所示；由于現(xiàn)場測量時測點(diǎn)5的預(yù)埋電極探頭損壞，故用測點(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，隔離開關(guān)操作方式一理論計(jì)算VFTO波形（合閘）見圖4，隔離開關(guān)操作方式二理論計(jì)算VFTO波形（分閘）見圖5。

2 VFTO現(xiàn)場實(shí)測

2.1 測量系統(tǒng)原理

圖6為VFTO測量系統(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最終的波形。C0約為20 pF，每測點(diǎn)安裝4個分壓器，其電容值約80 nF（20 nF×4）。

每次測量利用布置在所操作的隔離開關(guān)兩側(cè)的2個盆式絕緣子，分別測量高頻（VFTO波形）與低頻（階梯狀波形）兩個信號，通過分析對比，可以得到VFTO波形以及擊穿、重燃的時間。記錄高頻信號的示波器采樣頻率為1GS/s，記錄時長為10μs；記錄低頻信號的示波器采樣速率為50 kS/s，記錄時長為200ms。測量系統(tǒng)現(xiàn)場安裝情況如圖7所示。

2.2 測試總體情況

現(xiàn)場實(shí)測時共計(jì)拉合隔離開關(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、誤動作等異?，F(xiàn)象；對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的隔離開關(guān)分、合過程中，動、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，對于所操作的750 kV隔離開關(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程，將主要受由于動觸頭運(yùn)動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，沒有殘余電荷情況下隔離開關(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。在隔離開關(guān)合閘過程中，動、靜觸頭之間的距離將不斷縮短，而施加于動、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)律隨時間變化。隔離開關(guān)的分、合行程平均需要大約170ms才能完成，因此，在合閘前段時期由于動、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)開始）；同時，由于動、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，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，隨著時間的推移，在經(jīng)過一系列復(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。

隨著隔離開關(guān)負(fù)荷側(cè)與電源側(cè)電壓趨同，動、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)將具有電弧熄滅時刻電源側(cè)的電勢（電壓），表現(xiàn)為直流形式并可長時間保持，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、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C點(diǎn)以后，主要由于距離的進(jìn)一步縮短（合閘過程后期），間隙再次發(fā)生擊穿、電弧重燃。經(jīng)過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程，直至動、靜觸頭之間完全實(shí)現(xiàn)可靠電氣接觸為止。不過，隨著動、靜觸頭越來越靠近，所需的擊穿電壓越來越低，熄弧持續(xù)的時間也越來越短。

2.3.3 方式二，隔離開關(guān)分閘

典型波形圖見圖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)測試系統(tǒng)高速錄波。隔離開關(guān)在分閘過程中，動、靜觸頭之間的距離將不斷增加。為清晰起見，假設(shè)在圖10中的A點(diǎn)出現(xiàn)第1次燃弧和熄?。ㄆ鋵?shí)在A點(diǎn)之前即有多次重燃及熄弧過程）。此后，由于電源側(cè)電壓仍以較快速度上升，超過動觸頭遠(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、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。可以看出，隨著動觸頭的遠(yuǎn)離，間隙擊穿所需的電壓將越來越高，而電弧保持熄滅的時間總體上也越來越長。在隔離開關(guān)所有的分閘過程中，都表現(xiàn)出類似的趨勢。在GIS中電壓（電流）陡波的傳播和多次折反射方面，與合閘時的情況類似。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)過幾μs以上或更長時間振蕩后，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 測量結(jié)果

現(xiàn)場所側(cè)得的VFTO幅值及波形的主頻率見表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)測值與計(jì)算值的比較分析

仿真計(jì)算波形與VFTO現(xiàn)場實(shí)測波形對應(yīng)關(guān)系如下：圖4對應(yīng)圖8、圖9；圖5對應(yīng)圖10、圖11；從圖中可見，在最初的幾次振蕩過程中，理論與實(shí)測波形具有較好的對應(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)算波形與測量的波形相比基本一致。并且，上述對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隔離開關(guān)正常帶電操作產(chǎn)生的VFTO過電壓，不會損壞變電站的一、二次設(shè)備。

（2）通過實(shí)測750 kV GIS中產(chǎn)生的VFTO過電壓，驗(yàn)證了仿真計(jì)算結(jié)論，現(xiàn)場實(shí)測的VFTO最大值與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合。

（3）通過VFTO波形實(shí)測及分析，為實(shí)現(xiàn)750 kV GIS中隔離開關(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)測及倒閘操作積累了經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。

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