GIS中VFTO防護(hù)措施研究綜述

南保峰，劉軒東，馮 磊，譚向宇，王 科，劉光祺，彭 晶

（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217）

GIS中VFTO防護(hù)措施研究綜述

南保峰1，劉軒東1，馮 磊1，譚向宇2，王 科2，劉光祺2，彭 晶2

（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安710049；2.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217）

近些年來(lái)，SF6氣體絕緣變電站（GIS）以優(yōu)異的電氣性能在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用，但是運(yùn)行中隔離開關(guān)（DS）的分合閘操作會(huì)引起快速暫態(tài)過電壓（VFTO），對(duì)電力設(shè)備絕緣造成嚴(yán)重威脅，已經(jīng)引起了許多電力系統(tǒng)專家與學(xué)者的高度重視。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)GIS中VFTO防護(hù)的問題，從VFTO的產(chǎn)生和傳播過程兩個(gè)方面進(jìn)行了大量研究，提出了利用快速動(dòng)作隔離開關(guān)、慢速動(dòng)作隔離開關(guān)、分合閘電阻、鐵氧體磁環(huán)、金屬氧化物避雷器等來(lái)抑制VFTO的方法。分析了目前所研究的幾種主要防護(hù)VFTO方法的研究現(xiàn)狀，討論了不同防護(hù)措施的優(yōu)點(diǎn)與不足，得到了相應(yīng)的研究結(jié)論，并指出了VFTO防護(hù)后續(xù)的研究方向和關(guān)鍵點(diǎn)。

氣體絕緣變電站（GIS）；快速暫態(tài)過電壓；隔離開關(guān)；防護(hù)措施

0 引言

自20世紀(jì)60年代到現(xiàn)在，SF6氣體絕緣變電站（gas insulated substation，簡(jiǎn)稱GIS）因具有占地面積較小、可靠性高、運(yùn)行方便、維護(hù)工作量小、檢修周期長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，得到了迅速發(fā)展[1-4]。近年來(lái)的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)表明，GIS中開關(guān)正常操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓（very fast transient over-voltage，以下簡(jiǎn)稱VFTO），該電壓具有上升時(shí)間短、陡度大及幅值高的特點(diǎn)[5-7]。VFTO不僅影響GIS內(nèi)部的絕緣以及與之連接的二次設(shè)備的可靠運(yùn)行，而且可能引起暫態(tài)地電位提高，更為重要的是VFTO對(duì)變壓器和電壓互感器等繞組類設(shè)備匝間絕緣的影響，由于VFTO陡度高，在繞組上分布不均勻，導(dǎo)致首端匝間絕緣承受嚴(yán)重的過電壓。對(duì)于電壓等級(jí)較低的GIS變電站來(lái)說(shuō)，由于設(shè)備絕緣具有較大的裕度，VFTO對(duì)設(shè)備絕緣的威脅相對(duì)較??；隨著變電站電壓等級(jí)的提高，VFTO的幅值相應(yīng)增大，設(shè)備絕緣裕度相對(duì)減小，因此VFTO的影響不可忽視。近些年已經(jīng)發(fā)生不少VFTO造成電力系統(tǒng)事故，例如：廣東大亞灣核電站、華東天荒坪抽水蓄能電廠和浙江北倉(cāng)電廠都發(fā)生了VFTO引起主變壓器主絕緣擊穿的電力事故[8-10]。

近些年來(lái)，隨著VFTO引發(fā)的事故越來(lái)越多，VFTO的危害及影響已經(jīng)引起電力系統(tǒng)和電力設(shè)備專家和研究學(xué)者的高度重視。國(guó)外瑞士ABB、日本東芝等公司早已開展了VFTO及其防護(hù)措施研究并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究；國(guó)內(nèi)中國(guó)電力科學(xué)研究院、國(guó)網(wǎng)武漢高壓研究所以及清華大學(xué)、西安交通大學(xué)等高校近些年來(lái)對(duì)VFTO的特性及防護(hù)措施也開展了廣泛的研究。

1 關(guān)于VFTO防護(hù)措施

從目前的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外電力系統(tǒng)中因VFTO發(fā)生電力設(shè)備故障的概率是很大的，VFTO對(duì)運(yùn)行設(shè)備的安全威脅不容忽視。近年來(lái)隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的電壓等級(jí)逐步提高，GIS設(shè)備應(yīng)用的逐步廣泛，對(duì)于電力系統(tǒng)的安全可靠穩(wěn)定的要求也越來(lái)越高。GIS及主變壓器等設(shè)備的造價(jià)也越來(lái)越高，發(fā)生VFTO引起的絕緣損壞事故后需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)修復(fù)，對(duì)整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)利益帶來(lái)很大的損失，因此通過開展對(duì)GIS中VFTO的防護(hù)措施研究，可以為GIS的安全可靠運(yùn)行，乃至整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展，都具有十分重要的意義。

考慮VFTO的產(chǎn)生機(jī)理及危害，可以從3個(gè)方向?qū)ζ溥M(jìn)行防護(hù)，一方面可以從隔離開關(guān)入手，即從源頭上減少VFTO的產(chǎn)生；另一方面，可以在VFTO傳播過程中采用不同的措施來(lái)降低系統(tǒng)中的VF?TO，主要是濾波與阻尼兩種方法；最后，考慮到VF?TO的影響，可以對(duì)絕緣較薄弱的地方增大絕緣強(qiáng)度，從而起到保護(hù)的作用。

2 隔離開關(guān)處抑制VFTO產(chǎn)生

GIS中隔離開關(guān)的兩極一般都是插入式的同軸圓柱體，見圖1，造成分合閘速度變慢（大約1ms/s數(shù)量級(jí)）。隔離開關(guān)分合母線時(shí)，由于觸頭的運(yùn)動(dòng)速度慢，加上開關(guān)本身的滅弧性能差，導(dǎo)致觸頭間隙會(huì)發(fā)生多次重燃或預(yù)擊穿，形成階躍電壓行波通過GIS以及與之相連的電力設(shè)備傳播，由于GIS尺寸相比同電壓等級(jí)的敞開式變電站明顯較小，階躍電壓行波在每個(gè)阻抗突變處產(chǎn)生多次折反射，使得波形嚴(yán)重畸變，形成快速暫態(tài)過電壓，即VFTO[1-2]。降低VFTO產(chǎn)生，可以通過減少VFTO產(chǎn)生次數(shù)、降低VF?TO幅值兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 隔離開關(guān)示意圖Fig.1 Schematic diagram of disconnector switch

2.1 減少VFTO產(chǎn)生

快速動(dòng)作隔離開關(guān)：日本東芝公司最早開始通過實(shí)驗(yàn)并進(jìn)行設(shè)計(jì)快速動(dòng)作隔離開關(guān)，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)平高電氣公司與日本東芝公司合作對(duì)快速動(dòng)作隔離開關(guān)進(jìn)行研究并投產(chǎn)運(yùn)營(yíng)第一批國(guó)產(chǎn)快速動(dòng)作隔離開關(guān)。由VFTO的產(chǎn)生機(jī)理可知，使用快速動(dòng)作隔離開關(guān)可縮短隔離開關(guān)的切合時(shí)間，從而減少重燃弧的次數(shù)，降低VF?TO出現(xiàn)的次數(shù)。一般的電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)的分合速度不能滿足這一要求，現(xiàn)在的快速動(dòng)作隔離開關(guān)大都采用彈簧儲(chǔ)能的操作機(jī)構(gòu)，在需要操作時(shí)彈簧脫扣，所儲(chǔ)存的能量迅速釋放，帶動(dòng)接地基本單元的動(dòng)導(dǎo)電管高速射向隔離開關(guān)的靜觸頭，使開關(guān)瞬間合閘，分閘時(shí)也是如此。使用快速動(dòng)作隔離開關(guān)可以減少VFTO發(fā)生的次數(shù)，但并不能完全解決VFTO帶來(lái)的問題。另一方面，使用快速動(dòng)作隔離開關(guān)需要引入其他的電路設(shè)備，使電力系統(tǒng)的控制回路更加復(fù)雜，從而引起整個(gè)電力系統(tǒng)的故障率增加。

2.2 降低VFTO幅值

1）慢速動(dòng)作隔離開關(guān)：盡管快速動(dòng)作隔離開關(guān)可以減少VFTO產(chǎn)生的次數(shù)，進(jìn)而降低對(duì)電力設(shè)備的危害，然而近些年來(lái)的研究表明：慢速動(dòng)作隔離開關(guān)在進(jìn)行分合閘操作時(shí)，雖然隔離開關(guān)斷口兩端重燃弧的次數(shù)增加，但是由于兩次重燃弧的間隔時(shí)間變長(zhǎng)，使得母線側(cè)的斷口端的殘余電荷泄漏量增多，斷口兩端的壓差減少，從而使重燃弧時(shí)VFTO的幅值減小。瑞士ABB公司對(duì)隔離開關(guān)動(dòng)作速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)測(cè)結(jié)果表明，99%的殘余電壓在0.4 pu附近（隔離開關(guān)動(dòng)作速度小于0.3 m/s），隨著操作速度的提高，殘余電壓增大。當(dāng)隔離開關(guān)動(dòng)作速度超過1m/s，殘余電壓急速增大[11]，結(jié)果見圖2。國(guó)網(wǎng)武漢特高壓研究所對(duì)快速隔離開關(guān)（2.75 m/s）與慢速隔離開關(guān)（0.54 m/s）動(dòng)作時(shí)的斷口殘余電荷電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同樣發(fā)現(xiàn)慢速隔離開關(guān)的殘余電壓要低得多，采用慢速隔離開關(guān)產(chǎn)生的VFTO要低很多[12]。統(tǒng)計(jì)結(jié)果見圖3?？焖俑綦x開關(guān)與慢速隔離開關(guān)各有優(yōu)劣，對(duì)于哪種隔離開關(guān)性能更優(yōu)還需要進(jìn)一步研究。

圖2 ABB隔離開關(guān)速度實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Switching speed results of disconnector switch in ABB

圖3 武漢高電壓研究院統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.3 Statistics in Wuhan High Voltage Research Institute

2）隔離開關(guān)加裝分合閘電阻：自20世紀(jì)80年代起，日本東芝公司率先研究在超高壓、特高壓電力系統(tǒng)中采用隔離開關(guān)并聯(lián)阻尼電阻來(lái)限制VFTO，其原理是當(dāng)隔離開關(guān)進(jìn)行分合閘操作時(shí)，先串入電阻，利用其阻尼作用來(lái)使行波上升時(shí)間下降、幅值降低。在主觸頭閉合時(shí)，并聯(lián)電阻被短路，不接入回路，在觸頭擊穿發(fā)生重燃弧時(shí)，電阻接入電路中，在觸頭完全斷開時(shí)，電弧熄滅，并聯(lián)電阻不接入電路中。日本東芝公司提出隔離開關(guān)并聯(lián)合閘電阻來(lái)限制VFTO的措施并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，接連生產(chǎn)了完整系列的快速動(dòng)作隔離開關(guān)并配備有分合閘電阻。我國(guó)蘭州東的750 kV超高壓示范工程隔離開關(guān)均帶有并聯(lián)電阻；日本的1 000 kV輸電系統(tǒng)中，GIS隔離開關(guān)就采用裝設(shè)500 Ω并聯(lián)電阻來(lái)限制VFTO；我國(guó)特高壓試驗(yàn)工程的長(zhǎng)治站和南陽(yáng)站也都采用了該方案，在隔離開關(guān)上裝設(shè)500 Ω的并聯(lián)電阻來(lái)限制VFTO。中國(guó)電科院相祖濤等人對(duì)晉東南-南陽(yáng)站的特高壓GIS輸電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，得出隔離開關(guān)加裝200 Ω的并聯(lián)電阻可將VFTO幅值降低到1.5 pu一下，當(dāng)合閘電阻為500 Ω時(shí)，幅值降低為1.25 pu[13-14]。但是加裝分合閘電阻會(huì)使隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，考慮到GIS內(nèi)部的電場(chǎng)均勻問題，GIS管道直徑必將擴(kuò)大很多，使設(shè)備整體體積變大，帶來(lái)大幅度增加成本的難題；而且裝設(shè)合閘電阻會(huì)帶來(lái)潛供電流增大，單相對(duì)地閃絡(luò)電弧燃弧時(shí)間長(zhǎng)的問題。圖4是隔離開關(guān)加裝分合閘電阻的機(jī)構(gòu)示意圖，圖5為電氣原理圖。

圖4 隔離開關(guān)帶阻尼電阻結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of disconnector switch with a damper resistor

圖5 隔離開關(guān)加裝分合閘電阻等效電路圖Fig.5 Equivalent circuit diagram of disconnector switch attached with closing resistors

3 抑制VFTO傳播

在GIS中限制VFTO的傳播，從電路原理上來(lái)看，主要有阻尼與濾波兩種方法。

1）鐵氧體磁環(huán)：國(guó)內(nèi)電力專家最早提出采用磁環(huán)抑制VFTO的設(shè)想，這種想法是參考了電子電路中利用小型磁環(huán)對(duì)高頻電磁干擾進(jìn)行抑制的方法。從原理上講，鐵氧體材料是高頻導(dǎo)磁材料，將鐵氧體磁環(huán)套在GIS隔離開關(guān)兩端的導(dǎo)電桿上，能夠改變導(dǎo)電桿局部的高頻電磁參數(shù)，相當(dāng)于在開關(guān)斷口和空載母線間串入了一個(gè)阻抗。應(yīng)用變壓器原理來(lái)看，將鐵氧體磁環(huán)所套母線當(dāng)做變壓器原邊，磁環(huán)內(nèi)部的損耗當(dāng)做變壓器副邊損耗，鐵氧體磁環(huán)的作用可等效為電阻Rd、電感Ld共同對(duì)VFTO產(chǎn)生作用。清華大學(xué)劉衛(wèi)東等人利用252 kV GIS試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)鐵氧體磁環(huán)的抑制作用進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明：磁環(huán)對(duì)VFTO的抑制效果非常明顯，如當(dāng)磁環(huán)串的長(zhǎng)度為0.5 m時(shí)，VFTO的幅值已經(jīng)從不加磁環(huán)的1.6倍降低到了1.1倍，隨著磁環(huán)串長(zhǎng)度的增加，抑制效果不再明顯增加。實(shí)驗(yàn)還表明：同樣尺寸的鐵氧體磁環(huán)對(duì)VFTO的抑制效果優(yōu)于非晶磁環(huán)，這是由于鐵氧體的磁化曲線飽和點(diǎn)要比非晶磁環(huán)大很多，其實(shí)驗(yàn)原理圖見圖6[15-18]。中國(guó)電力科學(xué)研究院陳維江等人也對(duì)鐵氧體磁環(huán)對(duì)VFTO的抑制效果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得到了相似的結(jié)果，并且嘗試通過有限元分析軟件對(duì)磁環(huán)進(jìn)行電路仿真，得到了鐵氧體磁環(huán)的一階、二階和高階模型，見圖7。但是由于缺乏磁環(huán)的精確磁導(dǎo)系數(shù)和磁滯系數(shù)，難以得到精確計(jì)算模型。另外，鐵氧體磁環(huán)雖然相對(duì)于非晶磁環(huán)性能較優(yōu)，但是也存在容易飽和的缺點(diǎn)，如在超高壓及特高壓輸電系統(tǒng)中運(yùn)用，其體積要求制作的非常龐大，這樣會(huì)造成GIS整體尺寸增大，大大地增加了設(shè)備成本，不利于整體設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，因此對(duì)磁環(huán)應(yīng)用至實(shí)際電力系統(tǒng)尚需進(jìn)一步探究。

圖6 鐵氧體磁環(huán)抑制VFTO實(shí)驗(yàn)回路Fig.6 Test circuit of VFTO inhibition with ferrite rings

圖7 鐵氧體磁環(huán)一階、二階及高階電阻電感并聯(lián)模型Fig.7 The first，second and high order resistance of the inductor parallel model of the ferrite rings

2）金屬氧化物避雷器：20世紀(jì)90年代，IEC TR60071-4指出，在GIS中避雷器仿真模型可以簡(jiǎn)單地表示為對(duì)地電容。目前對(duì)于MOA在VFTO作用下的模型分析，國(guó)內(nèi)外已進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，如CIGRE、日本東芝公司、IEEE、日本學(xué)者IKmo King都通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了不同的MOA模型[19]。中國(guó)電科院李志兵等、西安交通大學(xué)張桂紅、陳潔等也都通過實(shí)驗(yàn)對(duì)各種模型進(jìn)行了驗(yàn)證[20-21]，結(jié)果表明：雖然不同模型在VFTO作用下尚且不是完全準(zhǔn)確，但是MOA對(duì)VFTO的抑制作用卻很明顯。考慮到GIS中一般MOA的連接方式，相當(dāng)于串聯(lián)了一個(gè)較大的電感，使得MOA的響應(yīng)時(shí)間一般在微秒級(jí)別。由于具有不同排列及連接方式，MOA對(duì)VFTO的抑制效果的討論尚需進(jìn)一步研究。

4 其他措施

近些年來(lái)有人提出采用接地開關(guān)泄放殘余電荷的方法降低VFTO。研究表明，接地開關(guān)動(dòng)作能將VFTO的幅值降低在2 pu以下，但是這種方法僅適用于隔離開關(guān)最后一次重燃弧過程結(jié)束后，對(duì)于隔離開關(guān)在多次重燃弧過程中，則沒有辦法實(shí)現(xiàn)，因此應(yīng)用范圍十分有限，一般僅用在系統(tǒng)短路故障時(shí)重合閘的情況下。

也有學(xué)者提出改變運(yùn)行操作程序減少VFTO的概率和取消高壓側(cè)隔離開關(guān)來(lái)減少VFTO對(duì)變壓器影響的想法，這要視具體情況而定[1-2]。

對(duì)于二次設(shè)備的保護(hù)，有學(xué)者提出在二次設(shè)備的入口處加裝高頻濾波器，或者采用屏蔽措施，以減小VFTO對(duì)二次設(shè)備的危害，這與通信系統(tǒng)防護(hù)高頻干擾原理十分相似[2]。

有學(xué)者提出，在保持電場(chǎng)均勻度、隔離開關(guān)絕緣強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)?shù)卦黾佑|頭間的不對(duì)稱度，以降低殘余電荷的積聚量。這樣做，一方面可以減少重燃弧過程，降低過電壓幅值；另一方面可以減少分布在絕緣體表面的自由導(dǎo)電粒子，從而減弱其對(duì)絕緣強(qiáng)度的削弱。

如前所述，目前已有很多學(xué)者針對(duì)GIS中VFTO的防護(hù)措施進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，但是普遍都是以單一防護(hù)措施進(jìn)行研究，對(duì)于VFTO的防護(hù)沒有從系統(tǒng)本身出發(fā)，考慮不同防護(hù)措施相互之間的配合，從而達(dá)到最優(yōu)的防護(hù)效果。因此，從這個(gè)角度出發(fā)，有必要針對(duì)以上問題，進(jìn)一步深入開展VFTO防護(hù)措施的研究。

5 結(jié)論

由于具有優(yōu)異的電氣性能，GIS在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，但隔離開關(guān)操作會(huì)帶來(lái)VFTO，對(duì)GIS設(shè)備絕緣帶來(lái)很大威脅。

關(guān)于VFTO的防護(hù)措施研究，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的工作，主要是從VFTO的產(chǎn)生和傳播兩個(gè)方面進(jìn)行防護(hù)。

從VFTO的產(chǎn)生方面入手，快速動(dòng)作隔離開關(guān)、慢速動(dòng)作隔離開關(guān)、分合閘電阻均對(duì)VFTO的產(chǎn)生有很大的抑制效果，雖然有各自的不足，但在電力系統(tǒng)中利大于弊，可投入運(yùn)行。

GIS中抑制VFTO傳播的方法主要有加裝鐵氧體磁環(huán)、MOA等。鐵氧體磁環(huán)對(duì)VFTO的抑制效果非常明顯，但是參數(shù)計(jì)算復(fù)雜，而且會(huì)使GIS結(jié)構(gòu)尺寸變大。MOA本身對(duì)VFTO有一定的抑制作用，但是考慮到排列與連接方式，抑制效果降低。關(guān)于鐵氧體磁環(huán)與MOA在抑制VFTO的實(shí)際運(yùn)行中還需進(jìn)一步研究。

接地開關(guān)、操作程序、二次設(shè)備安裝保護(hù)濾波器等方法，原理簡(jiǎn)單，在實(shí)際電力系統(tǒng)中，可視情況而定。

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，關(guān)于不同VFTO防護(hù)措施之間的配合問題，仍需進(jìn)一步深入研究。

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Review of Research on VFTO Protective Measures in GIS

NAN Baofeng1，LIU Xuandong1，F(xiàn)ENG Lei1，TAN Xiangyu2，WANG ke2，LIU Guangqi2，PENG Jing2
（1.Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China；2.Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming 650217，China）

Recent years，gas insulated substation（GIS）has been widely used at home and abroad，due to its great electrical properties，but disconnector switch（DS）closing and opening operation may cause the very fast transient overvoltage（VFTO），which seriously threaten the insulation of power equip?ment，and has caused attention of many power system experts and scholars.To suppress VFTO for GIS，domestic and international scholars have a large study from the generation and propagation of VFTO two aspects，which proposed the use of fast action disconnector switch，slow action disconnector switch，open?ing and closing resistors，the ferrite rings，MOA，etc.This paper analysis of the current status of re?search studies of several major protective VFTO methods discussed the advantages and disadvantages of various protective measures，to give the corresponding conclusions，and point out the direction of future research VFTO protection and key points.

gas insulated substation（GIS）；very fast transient over-voltage（VFTO）；disconnector switch（DS）；protective measures

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.014

2016-08-08

南保峰（1991—），男，碩士，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)過電壓計(jì)算。