GIS中VFTO對隔離開關氣室中盆式絕緣子的影響研究

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(沈陽工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言

GIS(Gas-Insulated Switchgear)以占地面積小、安全可靠等系列優(yōu)點得到相關部門的認可，但GIS中隔離開關操作時會產(chǎn)生幅值較高、頻率很大的快速暫態(tài)過電壓VFTO(Very Fast Transient Over-voltage)，它對GIS的內部及鄰近設備都可能造成危害[1-4]。鑒于GIS隔離開關氣室中SF6氣體的介電常數(shù)比絕緣子的低，容易產(chǎn)生沿面放電，另外絕緣介質在交變電場作用下引起損耗，使其發(fā)熱，有發(fā)生熱擊穿的危險，因此絕緣子是氣室中最薄弱的環(huán)節(jié)之一，故研究GIS中VFTO對隔離開關氣室中盆式絕緣子的影響有著重要的實際意義。

結合實際結構，完善隔離開關燃弧狀態(tài)時的等效電路模型，計算出氣室中盆式絕緣子的等效對地電容，仿真計算出氣室兩端盆式絕緣子處的VFTO波形，并且提取出其包含的頻率成份以及所對應的電壓信息，分析了在VFTO作用下絕緣子的暫態(tài)電場分布，最后針對隔離開關在操作過程中出現(xiàn)故障的情況下，對VFTO使盆式絕緣子產(chǎn)生熱量及危害性方面進行了討論。

2 VFTO的數(shù)值計算

圖1為某些變電站500kVGIS典型的部分接線圖。

圖1 500kVGIS部分接線圖

針對500kVGIS典型部位結構的特點，給出GIS關鍵元件的等效模型和參數(shù)，如表1所示。表1中元件的模型和參數(shù)一部分來自文獻[2-7]，另一部分是依據(jù)實際結構經(jīng)過分析計算得出的。

GIS隔離開關氣室內部的結構如圖2所示，從圖中可以看出其等效電路模型不能僅局限于斷口部分，還需考慮兩側導體的長度以及兩端盆式絕緣子的對地等效電容，隔離開關燃弧狀態(tài)時的等效電路模型如圖3所示。

圖2 隔離開關結構示意圖

圖3 隔離開關燃弧等效電路模型圖

當斷開圖1中CB，對DS1進行操作時，隔離開關氣室兩端盆式絕緣子處的VFTO波形如圖4和圖5所示。

圖4 左端絕緣子處VFTO波形

表1 GIS關鍵元件的等效模型及參數(shù)

元件名稱等效模型參數(shù)變壓器LT=20mHCT=5000pF隔離開關(閉合)Z=70Ωυ=270m/μs隔離開關(燃弧) R=2ΩL=0.5μHC=20pF 盆式絕緣子C=8.4pF斷路器(閉合) Z=70Ωυ=270m/μs 斷路器(斷開)C1=140pFC2=830pFC3=190pF接地開關C=240pF

圖5 右端絕緣子處VFTO波形

對這兩處VFTO波形進行快速傅里葉變換，結果如圖6和圖7所示。

圖6 左端絕緣子VFTO波形頻譜圖

圖7 右端絕緣子VFTO波形頻譜圖

從圖4和圖5中可以看出左端和右端絕緣子處VFTO的最大值標幺值分別為2.1732p.u和2.5182p.u。從圖6和圖7中可以看出這兩處VFTO波形的頻率成份很豐富，并且數(shù)值很大，多數(shù)集中于2.75～60.65MHz，也有少數(shù)超過100MHz。

3 VFTO作用下盆式絕緣子的電場特性

3.1 盆式絕緣子的暫態(tài)電場分布

鑒于右端盆式絕緣子處VFTO比左端的最大值高了許多，選擇右端盆式絕緣子作為分析的重點，根據(jù)實際結構，建立右端盆式絕緣子處的計算結構示意圖，如圖8所示，計算的場域中主要包括SF6氣體和環(huán)氧樹脂。

電場計算的剖分示意圖如圖9所示，該處的VFTO波形包含有2.75MHz、14.25MHz、17.25MHz、44.8MHz、60.65MHz和213.95MHz等頻率分量，利用這些頻率分量作為邊界，采用有限元方法計算出各頻率分量作用下盆式絕緣子處的電位分布，然后對各分量的響應進行疊加，得出各分量共同作用下整個計算區(qū)域的電位分布，如圖10所示。

圖8 計算結構示意圖 圖9 電場計算的剖分示意圖

圖10 各分量共同作用下的電位分布

從各頻率分量單獨作用下和各分量共同作用下的電位分布圖可以看到：(1)它們的共同點是等電位線在盆式絕緣子和SF6氣體交接處均發(fā)生了彎曲，這是由于SF6氣體的介電常數(shù)比環(huán)氧樹脂的小而導致的，同時在氣體絕緣設備中沿固體絕緣表面容易發(fā)生放電現(xiàn)象[1,4]，因而盆式絕緣子沿面的電場分布要作為重點研究對象；(2)它們的不同點是各個頻率分量作用下產(chǎn)生的彎曲度不同，因為在高頻電壓作用下，絕緣介質中存在松弛極化，造成偶極子動能與電場能之間轉化的不平衡導致消耗電場能量而使介質內部發(fā)熱，引起介質損耗[1,4,9-10]。由此可見，在VFTO作用下松弛極化使盆式絕緣子沿面的電場強度發(fā)生了變化，在分析盆式絕緣子的沿面電場強度分布時應予以考慮松弛極化的影響，而當考慮松弛極化時，也應考慮絕緣介質內部的發(fā)熱情況。

3.2 盆式絕緣子沿面的場強分布

影響電場分布的主要因素是場強的集中度和電場的作用方向，順著絕緣子表面與垂直于絕緣子表面的放電情況有所不同[1]，所以下面重點分析絕緣子的表面電場強度以及法向和切向電場強度，如圖11～圖14所示。

圖11 VFTO作用下絕緣子上表面的場強分布

圖12 VFTO作用下絕緣子上表面法向、切向場強分布

圖13 VFTO作用下絕緣子下表面的場強分布

圖14 VFTO作用下絕緣子下表面法向、切向場強分布

經(jīng)過對GIS隔離開關氣室中盆式絕緣子在VFTO作用下的電場強度的分析可知，盆式絕緣子上表面的電場強度最大值為7.63kV/mm，下表面的電場強度最大值為6.19kV/mm。為了更具體的分析盆式絕緣子的電場特性，對其上、下表面的切向和法向電場強度作進一步分析可得，盆式絕緣子上表面的切向電場強度最大值4.34kV/mm，下表面的切向電場強度最大值達到5.95kV/mm；上表面的法向電場強度最大值7.31kV/mm，下表面的法向電場強度最大值為3.46 kV/mm。由此可知，GIS隔離開關氣室中盆式絕緣子的下表面可能較容易發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，而上表面則可能容易發(fā)生滑閃放電現(xiàn)象[1]。

4 VFTO作用下盆式絕緣子的發(fā)熱情況

Pa=UIcosφ=UIa=UIrtanδ=U2ωCtanδ=2πfU2Ctanδ

式中：U、I、Ia、Ir、tanδ等分別代表總電壓、總電流、有功和無功電流的有效值和介質損耗角的正切值等，在高頻電壓作用下，絕緣介質中存在松弛極化，其介電常數(shù)用復數(shù)ε*來表示為[4,9-10]：ε*=ε′-jε″

經(jīng)過整理得到絕緣子在交變電壓作用下的平均發(fā)熱功率為：

將VFTO波形的頻率及相應的電壓信息代入上式可分別得到氣室右端和左端盆式絕緣子處的平均發(fā)熱功率分別近似為2024.8kW和783.2kW。經(jīng)過計算可知，氣室兩端的盆式絕緣子在VFTO作用下產(chǎn)生了較高的平均發(fā)熱功率，并且右端盆式絕緣子處的平均發(fā)熱功率超過左端的2倍，由此可知，在相同情況下，右端絕緣子發(fā)生熱擊穿的可能性高于左端。

在正常情況下，GIS隔離開關完成分、合閘的過程時間比較短[11]，產(chǎn)生的熱量也就比較少，但是隔離開關一旦發(fā)生動觸頭在分、合閘操作過程中停止的現(xiàn)象等故障時，隔離開關斷口之間就會出現(xiàn)連續(xù)放電的現(xiàn)象[12，13]，VFTO波形的連續(xù)存在，使絕緣子內部產(chǎn)生大量的熱量，隨著故障時間的增加，熱量上升的速度很快，尤其是右端盆式絕緣子處，所以一旦隔離開關發(fā)生上述故障且不能及時排除時，將會在盆式絕緣子處集聚相當大的熱量，盆式絕緣子的溫度一旦超過熱擊穿的臨界溫度，就會發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象。

由于在實際運行中絕緣系統(tǒng)內部溫度分布很不均勻，各部分的溫升并不相同，最熱點通常在絕緣內部，在最熱點處出現(xiàn)點狀熱擊穿而引起熱通道，并使擊穿進一步漫延[9，10]，從而破壞盆式絕緣子的機械、物理和化學等性能，更嚴重的可能會導致整個隔離開關氣室的故障，甚至引發(fā)整個變電站的事故。

5 結論

(1)考慮GIS隔離開關氣室中動、靜觸頭兩側導體的長度，進一步完善隔離開關燃弧狀態(tài)時的等效電路模型；利用電場能量法計算出氣室兩端盆式絕緣子的對地等效電容值，為VFTO的計算提供了具體的參數(shù)，同時仿真計算出氣室兩端盆式絕緣子處的VFTO波形，得出氣室右端和左端盆式絕緣子處VFTO的最大值標幺值分別為2.5182p.u和2.1732p.u，并且提取出所包含的頻率成份。

(2)給出了盆式絕緣子的有限元模型，計算出VFTO作用下盆式絕緣子的暫態(tài)電場分布，認為在分析盆式絕緣子的沿面場強分布時應考慮松弛極化的影響，進而應考慮絕緣介質內部的發(fā)熱情況。

(3)在VFTO作用下，氣室右端盆式絕緣子上、下表面的場強最大值分別為7.63kV/mm和6.19kV/mm，上表面的最大切向、法向電場強度為4.34kV/mm和7.31kV/mm，下表面的最大切向、法向電場強度為5.95kV/mm和3.46kV/mm，盆式絕緣子下表面可能容易發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，上表面容易發(fā)生滑閃放電現(xiàn)象。

(4)VFTO使氣室中的絕緣子發(fā)熱，右端盆式絕緣子處的平均發(fā)熱功率超過左端的2倍，由此可知，當VFTO持續(xù)存在時，VFTO使盆式絕緣子中產(chǎn)生的熱量就會升高，溫度一旦超過熱擊穿的臨界值，右端盆式絕緣子可能會首先發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象。

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