高電壓GIS中VFTO的測量技術(shù)

摘 要：隨著全封閉式氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substations，簡稱GIS）的廣泛應(yīng)用，GIS中的VFTO問題將成為目前GIS安全運行中越來越重要的問題?，F(xiàn)對VFTO測量技術(shù)研究如下。

關(guān)鍵詞：高電壓GIS VFTO的測量 安全運行

中圖分類號：TM201.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0125-01

電能是國家的經(jīng)濟命脈，關(guān)乎人們的日常生活。近年來，我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，電壓等級也得到不斷的提高，使得全封閉式氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substations，簡稱GIS）應(yīng)用越來越廣泛。GIS—氣體絕緣變電站，與傳統(tǒng)的空氣絕緣變電站（AIS）對比，采用了絕緣性能和滅弧性能較高的六氟化硫（SF6）氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，并所有高壓電器設(shè)備密封在接地金屬筒中（將除變壓器、架空線以外）。目前國外內(nèi)GIS運行的電壓等級有126 kV，252 kV，363 kV，550 kV，800 kV等。然而，隨著電網(wǎng)的運行、電壓的提高能及GIS的廣泛應(yīng)用，一些問題顯露出來，GIS隔離開關(guān)接地開關(guān)和斷路器在例行操作時，極易產(chǎn)生頻率極高、波頭極陡的快速暫態(tài)過電壓VFTO（VeryFast Transient Overvoltage），這不僅會在GIS主回路引起對地故障，還會導致相鄰設(shè)備的絕緣損壞。目前，為了解決這種過電壓給設(shè)備運行帶來的安全隱患，開始研究既能準確測量工頻又能準確測量上百兆赫高頻信號的寬頻帶VFTO測量系統(tǒng)，達到準確的得到VFTO的幅值及頻率特性的目的。

1 VFTO的產(chǎn)生與危害

VFTO指波前時間在3～100 ns范圍內(nèi)的瞬態(tài)過電壓。GIS內(nèi)部的開關(guān)在進行關(guān)合和開斷母線電容電流時，能夠產(chǎn)生多次復燃，致使觸頭間隙兩端的電壓在瞬間幾納秒內(nèi)突然跌落， 由于GIS結(jié)構(gòu)緊湊，各元件間距較小而且節(jié)點較多，該電壓陡波在GIS內(nèi)產(chǎn)生行波后進行反復的傳播，從而發(fā)生錯綜復雜的折射、反射和疊加，最后形成的GIS中含有高頻、特高頻分量的VFTO。其中，負載開關(guān)與斷路器的運動速度很快，關(guān)合開斷電流時發(fā)生復燃機率較小，引起的暫態(tài)過電壓對GIS危害也比較?。欢綦x開關(guān)動動速度較低，小電容電流關(guān)合開斷時，會發(fā)生數(shù)十次甚至數(shù)百次的復燃，電弧的每次重燃都會引起一次高頻振蕩，所以隔離開關(guān)操作是引起GIS內(nèi)部的VFTO的主要原因。VFTO能作用于GIS內(nèi)部導體和殼體之間，危及GIS設(shè)備及與其相連的設(shè)備；傳播到GIS外部引起GIS的殼體電位升高或是形成向外輻射的電磁波，對敏感的二次設(shè)備造成危害。近年來，隨著運行電壓及GIS內(nèi)氣壓的提高，由于隔離或接地開關(guān)以及斷路器操作造成的VFTO越來越嚴重。隔離開關(guān)切合小電容電流時的重擊穿造成電壓快速變化，會在GIS同軸母線中產(chǎn)生VFTO，這類過電壓幅值高（最高達2.5 p.u.）、上升時間短（最小達數(shù)ns），對設(shè)備的危害極大。

2 VFTO測量方法

VFTO的測量難點在在于：脈沖波形很陡、頻帶寬，對測量系統(tǒng)要求較高；加上GIS本身對測量系統(tǒng)要求特殊，既要保證GIS的正常運行同時又不能改變GlS內(nèi)部的電場分布，還要便于安裝和移動?，F(xiàn)討論如下。

2.1 內(nèi)部測量方法

對GIS內(nèi)部的VFTO測量，主要通過下面兩種方法獲取過電壓信號：（1）使用內(nèi)置電場探頭獲取過電壓信號，例如將無阻傳感器直接連接到GIS斷路器端蓋上。其中，高壓臂由GIS的高壓母線與電容探頭的上極板構(gòu)成；低壓臂由電容探頭通過絕緣介質(zhì)與GIS管殼構(gòu)成，所測得的陡波前過電壓為安裝傳感器點的電壓值。此種方法的缺點是試驗布置程序相對繁瑣，不易測量。（2）使用外置傳感器獲取過電壓信號，如使用微積分測量系統(tǒng)測量VFTO，在盆式絕緣子表面加裝測量電極，再通過微積分電路引出信號。此種方法無需改變GIS的結(jié)構(gòu)，對其內(nèi)部電場分布也不會受到影響；同時可在多處安裝測量電極，多點測量VFTO。此方法的不足之處是對測量電極有一定的要求，過寬或過窄都不適宜，須有經(jīng)驗的人員進行測量，與內(nèi)置式傳感器比較，其抗干擾能力較差。

2.2 外部VFTO測試方法

對于外部VFTO的測量，目前，外通常采用以下兩種方法獲取過電壓信號，（1）通過電場探頭。如J Christian等人采用電場傳感器在變壓器的高壓入口處對外部VFT0進行測量，經(jīng)過多次的測試，得到幅值1.5～2.5 p.u，頻率在60 MHz內(nèi)，由主變側(cè)DS操作引起的電壓峰值最大，尤其是與之相連的母線處。（2）通過電容分壓器，雖然該類分壓器對穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)波形的響應(yīng)特性都不錯，但是除了考慮交流沖擊和阻抗匹配等問題以外，還需要考慮設(shè)備費用的問題。通常是利用已有的電網(wǎng)設(shè)備，在不增加電網(wǎng)一次設(shè)備能夠保證系統(tǒng)安全運行的情況下，實現(xiàn)對VFTO的測量。對110 kV以上電器設(shè)備中，可埋有測量屏用于監(jiān)測套管，在變壓器套管末屏接上一個低壓電容，形成一個電容分壓器。西北電力試驗研究院王森等人采用此方法對西安供電局高新北變電站110 kV的GIS投切空載主變時的VFTO進行了測量，結(jié)果顯示：過電壓幅值達2～2.5 p.u.頻率達12.5 MHz。

3 結(jié)論

（1）近年來，隨著我國國家電網(wǎng)1000 kV GlS的投入和運行，GIS中的VFTO問題成為GIS安全運行的越來越重要的問題，需要適當?shù)姆椒ㄈケ苊?。所以，對VFTO測量技術(shù)的研究具有非常重要的意義。

（2）高電壓G1S VFTO測量難點在于，其測量系統(tǒng)要求不改變GIS內(nèi)部的電場分布，并且不能影響GIS測試件的絕緣強度。而內(nèi)置傳感器的優(yōu)點是抗干擾性能好，靈敏度高；不足之處是需要提前安裝，且會改變GIS內(nèi)部電場分布。對于制造安裝的要求較高，建議可將傳感器安裝在GIS艙蓋板里面，使傳感器的平板與外殼的內(nèi)面平齊來降低GIS電場分布的影響；外置傳感器的優(yōu)點是安裝靈活、對系統(tǒng)正常運行無影響、安全性較高，不足之處是靈敏度、抗干擾能力較差，建議可采用光纖測量系統(tǒng)來提高絕緣水平和抗電磁感應(yīng)干擾能力。

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