750kV GIS中VFTO現(xiàn)場實測波形分析

李云閣，尚勇，施榮，張琳

（1.陜西電力科學研究院，陜西西安710054;2.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安710048）

750kV GIS中VFTO現(xiàn)場實測波形分析

李云閣1，尚勇2，施榮2，張琳2

（1.陜西電力科學研究院，陜西西安710054;2.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安710048）

VFTO（Very Fast Transient Overvoltage）早已成電力工程和技術人員熟悉的現(xiàn)象。當操作GIS(Gas Insulated Switchgear)中的隔離開關時，由于其動觸頭運動相對緩慢，動、靜觸頭間發(fā)生電弧擊穿和多次重擊穿（重燃），產(chǎn)生波頭很陡的過電壓，即VFTO[1-8]。由于VFTO頻率很高，外殼不再是等電位導體，GIS附近的地電位也升高，地面也不能再被看作是理想導體[3,9]。

VFTO不僅可損壞GIS本身，還危及與其相連的設備，尤其是變壓器，有大量文獻介紹在VFTO作用下變壓器的模型、入口電壓，以及內(nèi)部繞組電壓的分布情況[10-14]。

科研工作者長期研究抑制VFTO的方法，普遍采用的方法是在隔離開關斷口間裝合/分閘電阻[15-16]，近年來開始探索應用鐵磁材料[17-18]。

以前對VFTO進行的研究，或在實驗室小規(guī)模模型上進行測量[3]，或在較低電壓等級設備上進行實測，而對于全尺寸、高電壓等級下的研究集中在數(shù)值模擬方面[7,16,19]。由于在高頻下VFTO的數(shù)值模擬誤差較大，加之在高電壓下設備的絕緣裕度相對較低，因此VFTO的很多特性有待于進一步實測確定。

2009年10月13 —15日，在750kV官亭變電站進行了VFTO測量[20-23]，這是在國內(nèi)首次進行的750kV GIS中VFTO的實測，多家科研單位為此進行了大量準備。在4種運行方式下一共進行了40次隔離開關操作。本文將介紹現(xiàn)場測量方法，分析VFTO的持續(xù)時間、殘余電荷的電壓值、隔離開關觸頭間的電弧重燃次數(shù)、VFTO的頻率范圍。本文作者在文獻[23]中已介紹了VFTO的峰值和上升速度，為了給讀者完整的信息，本文將引用其主要數(shù)據(jù)和結論。

1 運行方式

圖1所示為測量VFTO時官亭變電站750kV配電裝置的主接線圖。750kV采用3/2接線，有1個完整串和2個不完整串。變電站安裝1組750kV變壓器，3條750kV出線，串、母線地理長度均約為120m。750kV GIS與變壓器之間通過一段架空線連接。為測量VFTO而操作的隔離開關分別為75111、75301和75321，其中隔離開關75111裝有合/分電阻，而其他2個隔離開關則沒有。

2 采樣頻率和長度

在本次試驗中共在10個點進行了VFTO測量，在圖1中用箭頭指示。與本文討論有關的測點為點1、3、4、6。

為了方便敘述，文中使用以下變量。

v4：測量點4的電壓，即隔離開關75321的電源側電壓。當需要說明采樣頻率時，加一下標，如v4,1G表示采樣頻率為1GS/s（S表示采樣點數(shù)，下文同）。

v6：測量點6的電壓，即隔離開關75321的負荷側電壓。同樣，其第二下標表示采樣頻率。

圖1 變電站主接線示意圖Fig.1 Schematic diagram of the substation

采樣頻率以及相應的采樣長度見表1。當采樣頻率為50kS/s時，頻度太低，不能采集到VFTO波形，因此v6,50k僅僅捕捉到緩慢變化的電壓分量，如工頻分量。試驗中VFTO的采樣頻率為1GS/s。

表1 采樣頻率和長度Tab.1 Sampling rate and length

3 測量結果分析

通過分析現(xiàn)場錄波圖，可以得到大量有關750kV GIS中VFTO的特征參數(shù)。

3.1 典型VFTO波形

VFTO分別來自：1）無殘余電荷時合隔離開關；2）分隔離開關；3）有殘余電荷時合隔離開關。三類波形在官亭現(xiàn)場均實測得到，典型波形如圖2所示。圖中VFTO以實線表示。測量中沒有記錄相應的電源電壓v，但為了方便比較，在圖中以虛線示出。

3.2 VFTO衰減

750 kV隔離開關產(chǎn)生的VFTO約在10μs內(nèi)衰減為0，而隔離開關觸頭間SF6重燃時間遠大于10μs。因此，當進行VFTO的數(shù)值模擬時，無需考慮前后2個VFTO波形的疊加，但第一個VFTO留下的殘余電荷形成了第二個VFTO的初始條件。

3.3 殘余電荷

無論在開或合隔離開關過程中，當VFTO衰減結束時，隔離開關負荷側殘余電荷電壓范圍為從0到電源電壓峰值之間的任意值。殘余電荷的泄放相對緩慢，當下一次重燃發(fā)生時，殘余電荷電壓基本未變。

3.4 重燃

750 kV隔離開關觸頭間的電弧重燃小于11次，局限在2個工頻周波之內(nèi)，遠遠小于文獻[7-8]中的數(shù)據(jù),其原因為750kV隔離開關的合/分速度快，SF6氣壓也大。

在所有重燃中，發(fā)生在合閘開始后、或者分閘結束前的約5次重燃時間間隔長，VFTO峰值大;其他重燃時間間隔短，VFTO峰值小。

3.5 產(chǎn)生最大VFTO峰值的重燃

圖2 隔離開關操作時的典型VFTO波形Fig.2 Typical VFTO waveforms due to operation of disconnectors

圖2（b）中波形需要深入分析。在合隔離開關之前，其負荷側有一殘荷（前一次分隔離開關時，觸頭間最后一次重燃熄滅時殘余的電荷），殘荷電壓接近電源電壓負幅值-vm；在合隔離開關過程中，觸頭間SF6間隙在電源電壓正幅值vm擊穿：這種巧合使得VFTO峰值接近可能的最大值。圖2（a）中情況類似，不同之處在于：圖2（a）中殘余電荷來自于本次操作的前一次重燃，而圖2（b）中的殘余電荷來自上次操作的最后一次重燃。

基于上述現(xiàn)場實測和分析，當模擬計算最大VFTO峰值時，可考慮以下情況，并只需進行一次模擬：負荷側的殘荷電壓為電源電壓負幅值，而SF6間隙擊穿發(fā)生在電源電壓為正幅值時，反之亦可。

3.6 VFTO峰值[22]

在現(xiàn)場對隔離開關75111、75302和75321共進行了40次操作，根據(jù)波形分析了其幅值，結果見表2。表中同時也羅列了用外推法計算的幅值。

現(xiàn)場實測最大VFTO峰值為2.19pu，接近可能的最大VFTO峰值2.46pu。

在方式1中，對隔離開關75111進行多次分、合操作，沒有出現(xiàn)明顯的暫態(tài)振蕩過程，證明合/分閘電阻對VFTO有很好的抑制效果。

3.7 電壓上升率[22]

用外推法估算的負荷側VFTO第一峰電壓上升速度見表3。

表3 VFTO第一峰電壓上升速度Tab.3 Calculated rise rate of the VFTO first peak pu/μs

目前，我國750kV GIS和變壓器的雷電沖擊耐受電壓分別為2100kV和1950kV，即3.21pu和2.98pu。標準規(guī)定的雷電波的波頭時間為1.2μs，因此相應的電壓上升速度分別為2.68pu/μs和2.48pu/μs。

雖然可能出現(xiàn)的最大VFTO峰值為2.46pu，小于設備的雷電沖擊耐受電壓。但是，實測的VFTO上升速度達到10.00～12.64pu/μs，遠大于雷電沖擊耐受電壓的上升速度。在如此高的電壓峰值和上升速度下，絕緣性能的研究仍不充分，甚至在國內(nèi)外標準中沒有規(guī)定標準波形[24-25]。因此，根據(jù)方式1下（操作的隔離開關有合分閘電阻）的測量結果以及大量的數(shù)字模擬結果，建議在750kV GIS隔離開關中裝設適當?shù)暮?分閘電阻，以限制VFTO的幅值和陡度。

3.8 VFTO的頻率

國內(nèi)外標準中VFTO的典型波形由2個頻率分量構成，分別為0.3MHz

圖3 標準中VFTO的典型波形Fig.3 Typical VFTO waveform in standards

表4 VFTO的頻率Tab.4 VFTO frequency MHz

4 結論

在變電站操作750kV GIS中隔離開關40次，實測、分析了VFTO波形，可得出以下結論：

1）每個VFTO持續(xù)時間小于10μs，遠遠小于隔離開關觸頭間SF6間隙重燃的時間間隔。因此，當模擬VFTO時，無需考慮2個VFTO波形的重疊，但是前一次VFTO導致的殘余電荷是第二次VFTO的初值。

2）殘余電荷電壓值可以是從電源電壓零值到最大值之間的任意值。

3）在一次隔離開關操作中，重燃次數(shù)一般小于11次。

4）最大VFTO峰值實測值為2.19pu，通過外推法計算值為2.46pu。

5）通過外推法計算得VFTO上升速度可達12.64pu/μs，遠遠大于雷電沖擊耐受電壓的上升速度。

6）VFTO的頻率范圍為 2.0～4.4MHz。

7）限制VFTO幅值和陡度的有效措施為在隔離開關中裝設合/分閘電阻。

[1]NAIDU M S.Gas Insulated GIS[M].New Delhi:I.K.International Publishing House Pvt Ltd,2008:98-120.

[2]BOGGS S A,CHU E Y,FUJIMOTO N,et al.Disconnect Switch Induced Transients and Trapped Charge in a GIS[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems,1982，101(10):3593-3602.

[3]MEPPELINK J,DIEDERICH K,FESER K,et al.Very Fast Transients in GIS[J].IEEE Trans on Power Delivery,1989,4(1):223-233.

[4]SINGHA S,THOMAS M J.Very Fast Transient Over-Voltages in GIS with Compressed SF6-N2Gas Mixtures[J].IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation,2001,8(4):658-664.

[5]KUMAR V V,THOMAS J M,NAIDU M S.Influence of Switching Conditions on the VFTO Magnitudes in a GIS[J].IEEE Trans on Power Delivery,2001,16(4):539-544.

[6]RAO M M,TOMAS M J,SINGH B P.Frequency Characteristics of very Fast Transient Currents in a 245kV GIS[J].IEEE Trans on Power Delivery,2005,20(4):2450-2457.

[7]POVH D,SCHMITT H,V觟LCKER O,et al.Modeling and Analysis Guidelines for very Fast Transient[J].IEEE Trans on Power Delivery,1996,11(4):2028-2035.

[8]FUJIMOTO N,BOGGS S A.Characteristics of GIS Disconnector-Induced Short Rise Time Transients Incident on Externally Connected Power System Components[J].IEEE Trans on Power Delivery,1988,3(3):961-970.

[9]FUJIMOTO N,DICK E P,BOGGS S A,FORD G L.Transient Ground Potential Rise in Gas Insulated Substations-Experimental Studies[J].IEEE Trans on Power Apparatus and Systems,1982,PAS-101(1):3603-3609.

[10]FUJITA S,HOSOKAWA N,SHIBUYA Y.Experimental Investigation of High Frequency Voltage Oscillation in Transformer Windings[J].IEEE Trans on Power Electronics,1998,13(4):1201-1207.

[11]DAVARI M,ALEEMRAN S M,MOBARHANI A R,et al.A Novel Approach to VFTO Analysis of Power Transformers Including FVL Based on Detailed Model[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Industrial Technology,Victoria:Institute of Electrical&Electronics Engineers,2009:1-5.

[12]Peter G.BLANKEN PG.A Lumped Winding Model for Use in Transformer Models for Circuit Simulation[J].IEEE Trans on Power Electronics,2001,16(2):445-460.

[13]HOSSEINI S M H,VAKILIAN M,GHAREHPETIAN G B.Comparison of Transformer Detailed Models for Fast and very Fast Transient Studies[J].IEEE Trans on Power Delivery,2008,23(2):733-741.

[14]LIANG G,SUN H,ZHANG X,CUI X.Modeling of TransformerWindingsunderveryFastTransient Over-Voltage[J].IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility,2006,48(4):621-627.

[15]NAVEED S A,AMARANATH J.Reduction of very Fast Transient Over-Voltages in GIS[C]//Proceedings of ICHVE,Chongqing:Institute of Electrical&Electronics Engineers,2008:45-48.

[16]劉青,張玉峰,施圍.800kVGIS中變壓器的VFTO防護的研究[J].高壓電器,2007,43(2):122-124.

LIU Qing,ZHANG Yu-feng,SHI Wei.Study on Transformer Protection from VFTO in 800kV GIS[J].High Voltage Apparatus,2007,43(2):122-124(in Chinese).

[17]項祖濤，劉衛(wèi)東，錢家驪，等.磁環(huán)抑制GIS中特快速暫態(tài)過電壓的模擬試驗和仿真[J].中國電機工程學報,2005,25(19):101-105.

XIANG Zu-tao,LIU Wei-dong,QIAN Jia-li,et al.SimulationTestandComputationofSuppressingveryFastTransient Overvoltage in GIS by Magnetic Rings[J].Proceedings of the CSEE,2005,25(19):101-105（in Chinese）.

[18]LI Q,WU M.Simulation Method for the Applications of Ferromagnetic Materials in Suppressing High-Frequency Transients within GIS[J].IEEE Trans on Power Delivery,2007,22(3):1628-1632.

[19]余芳,金青,郭潔,等.750kVGIS中金屬氧化物避雷器對VFTO影響的研究[J].電瓷避雷器,2009(3):31-33.

YU Fang,JIN Qing,GUO Jie,et al.Research on the Influence of Operation Modes to VFTO in 750kV GIS[J].Insulators and Surge Arresters,2009(3):31-33（in Chinese）.

[20]尚勇，孫強，李剛，等.750kV官亭變電站GIS特快速暫態(tài)過電壓測試[J].電網(wǎng)與清潔能源,2009,25(12):11-15.

SHANG Yong,SUN Qiang,LI Gang,et al.Very Fast Transient Overvoltage Field Testing in the 750kV Guanting GasInsulated Substation[J].Power System and Clean Energy,2009,25(12):11-15（in Chinese）.

[21]西北電網(wǎng)有限公司.750kV官亭變電站GIS中特快速暫態(tài)過電壓（VFTO）測試總結[R].西安：西北電網(wǎng)有限公司，2009.

[22]李云閣，侯清川，周斌，等.750kV GIS中VFTO峰值[J].電網(wǎng)與清潔能源,2010,26(12):8-11.

LI Yun-ge,HOU Qing-chuan,ZHOU Bin,et al.VFTO Magnitude Values on the 750kV GIS[J].Power System and Clean Energy,2010,26(12):8-11(in Chinese).

[23](株)東芝公司.750kV官亭變電站GIS隔離開關過電壓測量結果[R].西安：東芝公司，2009.

[24]IEC 60071-11993-12Insulation Co-ordination,Part 1:Definitions,Principles,and Rules[S].

[25]全國高壓試驗技術和絕緣配合標準化技術委員會.GB 311.1-1997高壓輸變電設備的絕緣配合[S].北京：中國標準出版社，1997.

Analysis of VFTO Waveforms on-Site Measured on 750kV GIS

LI Yun-ge1,SHANG Yong2,SHI Rong2,ZHANG Lin2
（ 1.Shaanxi Electric Power Research Institute,Xi’an 710054,Shaanxi Province,China;2.Northwest China Grid Company Limited,Xi’an 710048,Shaanxi Province,China）

This paper presents the results of VFTO measurement at Guanting substation.By analyzing the oscillograms,characteristics of VFTO are achieved,including times of the arc restrike between the contacts of disconnectors,remnant voltage caused by trapped charge,VFTO′s duration,magnitude,rise rate,and frequency.The possible maximum of the magnitude and rise rate,estimated through an extrapolation method,are 2.46pu and 12.64pu/μs respectively.The research indicates that equipping closing/opening resistors in disconnectors is an effective way to suppress VFTO.

750kV;GIS;disconnectors;VFTO;closing/opening resistors

介紹了在750kV官亭變電站實測VFTO的方法，通過分析現(xiàn)場實測波形，得到了VFTO的持續(xù)時間、殘余電荷的電壓值、隔離開關觸頭間的電弧重燃次數(shù)、VFTO的峰值和上升速度、VFTO的頻率范圍。用外推法計算了最大VFTO峰值和上升速度，分別為2.46pu和12.64pu/μs。實測結果說明，限制由于隔離開關操作引起的VFTO的有效措施為在隔離開關中裝設合/分閘電阻。

750kV;GIS;隔離開關;VFTO;合/分閘電阻

1674-3814（2011）11-0025-05

TM886

A

2011-07-12。

李云閣（1967—），男，博士，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)過電壓、高壓設備狀態(tài)監(jiān)測；

尚 勇（1973—），男，博士，高級工程師，，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃和運行方面的研究工作；

施 榮（1977—），男，碩士，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)優(yōu)化運行、電壓穩(wěn)定；

張 琳（1980—），女，博士，高級工程師，從事電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃、電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面的研究工作。

（編輯 馮露）