考慮VFTO特性的GIS絕緣配合

孫 蕾，張 璐，李 佳

(1.中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院,西安 710199)

0 前 言

SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear， GIS)[1-2]中隔離開關(guān)的操作常會(huì)引起眾多快速暫態(tài)現(xiàn)象，尤其是頻率至100 MHz，幅值標(biāo)幺值高達(dá)2.5 p.u.的快速暫態(tài)過(guò)電壓(Very Fast Transient Overvoltage，VFTO)[3-4]。VFTO具有幅值高、波前陡、振蕩頻率高等特點(diǎn)，嚴(yán)重威脅GIS的安全運(yùn)行。

GIS運(yùn)輸裝配過(guò)程中可能出現(xiàn)電極表面刮傷、導(dǎo)電微粒進(jìn)入等各類缺陷[5]，這些缺陷嚴(yán)重畸變了GIS內(nèi)部電場(chǎng)，使其在VFTO下?lián)舸╇妷貉杆俳档汀?/p>

330 kV及以上電壓等級(jí)系統(tǒng)中VFTO引發(fā)的絕緣事故多次發(fā)生，事故率已超過(guò)了雷電和操作過(guò)電壓引起的事故率[6]。然而，VFTO下GIS絕緣特性研究還比較缺乏，絕緣配合依據(jù)仍是設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓，存在很大的盲目性。因此，VFTO作用下GIS絕緣配合方法的研究成為當(dāng)前研究熱點(diǎn)[7-10]，這對(duì)GIS設(shè)備的安全可靠運(yùn)行具有重要工程應(yīng)用價(jià)值。

本文提出了考慮VFTO特性的GIS絕緣配合方法，給出了特高壓GIS考慮VFTO特性時(shí)的絕緣配合實(shí)例，為VFTO下GIS絕緣配合提供借鑒。

1 絕緣配合基本方法

電力設(shè)備的絕緣配合要在技術(shù)上處理好作用電壓、限制過(guò)電壓的措施和絕緣耐受能力三者之間的相互配合關(guān)系。絕緣配合的方法有慣用法、統(tǒng)計(jì)法和簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)法3種[11]。

(1) 慣用法是依據(jù)作用在設(shè)備絕緣上的“最大過(guò)電壓”和設(shè)備的“最低放電電壓”，并考慮適當(dāng)安全裕度的概念進(jìn)行絕緣配合的習(xí)慣方法。首先確定設(shè)備的最大過(guò)電壓，然后根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)乘以一個(gè)考慮各種影響因素和一定裕度的系數(shù)，即所謂配合系數(shù)以補(bǔ)償在估計(jì)最大過(guò)電壓和最低放電電壓時(shí)的誤差，據(jù)此確定絕緣應(yīng)耐受的電壓水平。

(2) 采用慣用法進(jìn)行絕緣配合，對(duì)絕緣要求過(guò)于嚴(yán)苛、經(jīng)濟(jì)性差。因此國(guó)內(nèi)外相繼推薦使用統(tǒng)計(jì)法確定某些自恢復(fù)絕緣的耐壓水平。

設(shè)f0(u)為過(guò)電壓幅值的概率密度函數(shù)，P(u)為放電電壓概率分布函數(shù)，如圖1所示。出現(xiàn)一次過(guò)電壓且絕緣發(fā)生放電的概率為[11]：

(1)

式中：R稱為絕緣故障率，即圖1中陰影線面積。統(tǒng)計(jì)法就是從上述計(jì)算出發(fā)，按照為達(dá)到一定運(yùn)行可靠性而確定的絕緣故障率要求，選擇絕緣尺寸。影響統(tǒng)計(jì)法的隨機(jī)因素較多，按照公式(1)算出的故障率大于實(shí)際情況，因此該方法有待進(jìn)一步完善。

圖1 絕緣故障率估算方法圖

(3) 簡(jiǎn)化統(tǒng)計(jì)法假定過(guò)電壓及絕緣放電概率均服從正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為σ0及σi，則過(guò)電壓概率密度函數(shù)f0(u)及絕緣放電的概率函數(shù)P(u)如下：

(2)

(3)

則絕緣故障率為：

(4)

2 考慮VFTO特性的絕緣配合方法

傳統(tǒng)絕緣配合一般只考慮操作電壓和雷電過(guò)電壓。但隨著電壓等級(jí)提高，系統(tǒng)額定雷電沖擊耐受電壓(Lightning Impulse Withstand Voltage, LIWV)和額定工作電壓之間的比值越來(lái)越小，LIWV和VFTO之間的差異逐漸減小，VFTO引起的絕緣事故率也逐漸增加。圖2給出了不同電壓等級(jí)下GIS和HGIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)中VFTO計(jì)算結(jié)果[12]。圖2中，曲線為額定耐受電壓值，不同類型的點(diǎn)為VFTO計(jì)算值。可見，VFTO的最大計(jì)算值可能達(dá)到雷電沖擊耐受水平。

圖2 額定耐受電壓及計(jì)算VFTO值與額定電壓關(guān)系圖

標(biāo)稱電壓/kVUVFTO/p.u.ULIWV/(kV/p.u.)裕度系數(shù)ULIWV/UVFTO3301.5^2.81175/3.962.64^1.415001.5^2.81675/3.732.49^1.337501.5^2.82100/3.212.14^1.1510001.39^2.092400/2.671.92^1.28

表1為中國(guó)超特高壓設(shè)備的LIWV與系統(tǒng)VFTO間的裕度系數(shù)[13]?？梢姡妷旱燃?jí)提高后，系統(tǒng)的LIWV與系統(tǒng)VFTO之間的裕度系數(shù)呈減小趨勢(shì)，特高壓下，系統(tǒng)面臨VFTO引起的絕緣危害更加嚴(yán)峻。

由于VFTO的形成與GIS結(jié)構(gòu)和行波傳播、疊加有很大關(guān)系，因此不能給出適用于所有變電站的VFTO最大值。對(duì)變電站，尤其是特高壓變電站進(jìn)行精確仿真，是進(jìn)行VFTO下絕緣配合的必要前提。

2.1 中國(guó)和日本的絕緣配合現(xiàn)狀

日本的GIS一部分位于山上，采用緊湊型全GIS以減小占地面積。該方案關(guān)鍵在于抑制各種過(guò)電壓。變電站中采用高性能避雷器及帶有分合閘電阻的隔離開關(guān)和斷路器限制過(guò)電壓幅值，達(dá)到降低絕緣強(qiáng)度的要求。因此，日本的特高壓工程中GIS和變壓器雷電沖擊耐受電壓較低，分別定為2 250 kV和1 950 kV。為此，VFTO幅值需限制到1.3 p.u.以下，經(jīng)試驗(yàn)和計(jì)算，需在隔離開關(guān)處安裝500 Ω分合閘電阻[14]。

為使電網(wǎng)運(yùn)行更安全，中國(guó)絕緣配合更偏嚴(yán)格。一般在最嚴(yán)酷條件(即母線殘余電壓為-1.0 p.u.)下，計(jì)算變電站VFTO幅值，再將計(jì)算值與設(shè)備LIWV比較。同時(shí)，引入綜合絕緣配合系數(shù)。除在半GIS中安裝的空氣絕緣母線管道外，其它設(shè)備的絕緣配合系數(shù)均設(shè)定為1.15。VFTO下的絕緣耐受水平與相應(yīng)設(shè)備LIWV除以絕緣配合系數(shù)相等。若計(jì)算得到的VFTO幅值高于相應(yīng)的LIWV，采取抑制VFTO的措施。綜合各種因素，中國(guó)采用特高壓GIS額定LIWV為2 400 kV，高于日本的2 250 kV。

2.2 考慮VFTO的絕緣配合一般方法

研究分析上述不同情況，宜采用以下一般性的絕緣配合方法。

圖3為基于IEC60071-1中基本絕緣配合方法[12]得到的考慮VFTO特性的絕緣配合流程圖。

(1) VFTO計(jì)算

GIS可看成是由不同形式傳輸線網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)的電路模型。仿真計(jì)算的準(zhǔn)確性取決于單獨(dú)GIS部件模型的準(zhǔn)確性。為了在納秒(ns)時(shí)間量級(jí)獲得復(fù)雜GIS結(jié)構(gòu)的合理仿真結(jié)果，必須對(duì)其內(nèi)部及外部元件建立精確仿真模型。GIS單獨(dú)組件的精確建?？纱_保高精度復(fù)現(xiàn)VFTO波形。圖4為文獻(xiàn)[15]給出的隔離開關(guān)合閘時(shí)負(fù)載側(cè)短母線末端VFTO的計(jì)算和測(cè)量結(jié)果。

圖3 考慮VFTO特性的絕緣配合流程圖

圖4隔離開關(guān)合閘時(shí)負(fù)載側(cè)末端VFTO計(jì)算和測(cè)量值圖

可見，仿真計(jì)算的VFTO主振蕩頻率與實(shí)測(cè)結(jié)果基本相同。實(shí)測(cè)最大VFTO幅值約為2.12 p.u.，仿真最大幅值為2.27 p.u.，仿真計(jì)算精度較高。計(jì)算VFTO幅值時(shí)，必須考慮隔離開關(guān)負(fù)載側(cè)殘余電壓的大小。以往研究表明：99%的殘余電壓都小于0.4 p.u.，相應(yīng)產(chǎn)生的VFTO一般小于1.7 p.u.，最嚴(yán)苛情況下會(huì)達(dá)到2.0 p.u.。殘余電壓分布與開關(guān)操作速度密切相關(guān)，文獻(xiàn)[12]給出了仿真結(jié)果，如圖5所示?？梢?，殘余電壓與隔離開關(guān)速度密切相關(guān)，以往采用-1.0 p.u.殘余電壓的假設(shè)導(dǎo)致絕緣配合過(guò)于嚴(yán)苛。

圖5 隔離開關(guān)速度對(duì)殘余電壓幅值的影響圖

(2) VFTO耐受水平確定

絕緣配合的基礎(chǔ)是計(jì)算所需VFTO耐受電壓水平。VFTO下絕緣耐受強(qiáng)度與雷電沖擊耐受電壓及絕緣配合系數(shù)Kc、安全系數(shù)Ks、波形轉(zhuǎn)換系數(shù)Ktc等相關(guān)。配合系數(shù)Kc與殘余電荷統(tǒng)計(jì)分布、仿真誤差等因素相關(guān)。安全系數(shù)與GIS設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量、組裝和安裝的差異，絕緣老化等因素相關(guān)。波形轉(zhuǎn)換系數(shù)Ktc與絕緣在VFTO下的耐受強(qiáng)度相關(guān)。

在設(shè)計(jì)良好的GIS中進(jìn)行隔離開關(guān)例行操作，不會(huì)出現(xiàn)由VFTO引起的絕緣擊穿事故。但是，絕緣的不規(guī)則如突起物的出現(xiàn)會(huì)降低擊穿電壓。低幅值VFTO下的擊穿概率非常低，隨VFTO振蕩頻率和電場(chǎng)不均勻度的增加，擊穿概率增大。VFTO耐受水平與雷電沖擊耐受水平進(jìn)行對(duì)比是GIS設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。對(duì)于良好絕緣系統(tǒng)而言，VFTO耐受水平較雷電沖擊耐受水平高，而對(duì)于有缺陷的絕緣系統(tǒng)，VFTO擊穿電壓可能低于標(biāo)準(zhǔn)雷電波下?lián)舸╇妷?，波形轉(zhuǎn)換系數(shù)Ktc會(huì)小于1[8]。

此次研究過(guò)程中，兩組病人接受單天200毫克與100毫克劑量的黃體酮治療，并在用藥十天后停止用藥，結(jié)論表明這兩組病人的治療總有效率無(wú)明顯差異，P>0.05，證明兩種用藥方案的療效相似且有效。但低劑量組的病人其用藥后副反應(yīng)的發(fā)病率顯著少于高劑量組病人，P<0.05，提示低劑量用藥的安全程度更高。由此可知，針對(duì)無(wú)排卵型月經(jīng)失調(diào)時(shí)選擇孕激素用藥方案，且孕激素劑量與病人子宮內(nèi)膜厚度呈正相關(guān)關(guān)系，治療子宮內(nèi)膜偏薄的病人時(shí)，可根據(jù)其自身具體病情合理調(diào)節(jié)用藥劑量。使用較低劑量的黃體酮，療效仍令人滿意，且安全程度高，副反應(yīng)發(fā)病率小，推薦臨床大范圍使用。

(3) 依據(jù)絕緣配合采取的措施

若仿真計(jì)算或統(tǒng)計(jì)實(shí)測(cè)得到的VFTO幅值高于設(shè)備絕緣耐受水平值，須采取措施降低設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。如增加LIWV或抑制VFTO幅值。增加LIWV較易實(shí)現(xiàn)，但耗資大。而采用阻尼電阻抑制VFTO，可行性更高。通常，阻尼電阻抑制VFTO的效果取決于電阻阻值。

圖6 VFTO與阻尼電阻值關(guān)系曲線圖

圖6為某8間隔雙母線典型GIS布置下，阻尼電阻隨VFTO幅值變化的計(jì)算結(jié)果[12]。假設(shè)重?fù)舸┌l(fā)生在電源電壓和負(fù)載側(cè)電壓分別為1.0 p.u.和-1.0 p.u.。無(wú)阻尼電阻時(shí)，VFTO幅值高達(dá)2.49 p.u.。該值超過(guò)了按照上述方法計(jì)算得到的絕緣配合幅值。500 Ω阻尼電阻可將VFTO幅值抑制到1.13 p.u.以下。因此，根據(jù)VFTO計(jì)算值和需要的抑制效果選擇阻尼電阻的大小。意大利1 000 kV特高壓工程采用110 Ω阻尼電阻。中國(guó)、日本和韓國(guó)的特高壓和超高壓工程則選取500 Ω的阻尼電阻。

阻尼電阻必須能夠在開關(guān)操作時(shí)耐受過(guò)電壓的作用。電阻兩端的最高過(guò)電壓出現(xiàn)在隔離開關(guān)合閘過(guò)程的第1次預(yù)擊穿后不久。因此，必須驗(yàn)證當(dāng)預(yù)擊穿和重?fù)舸┌l(fā)生在動(dòng)觸頭和阻尼電阻的滅弧電極之間時(shí)，阻尼電阻的電壓耐受特性和能量吸收能力。阻尼電阻閃絡(luò)引起的VFTO幅值大于不帶阻尼電阻的隔離開關(guān)引起的VFTO幅值，應(yīng)加以避免。較高的阻尼電阻值導(dǎo)致電阻兩端壓降增大，可達(dá)2.0 p.u.，如圖7所示[12]。此外，電阻兩端電壓上升較高，該速率取決于試驗(yàn)裝置及電源和負(fù)載側(cè)電容大小。試驗(yàn)中，必須考慮電阻兩端電壓上升速率的大小。

圖7 阻尼電阻兩端壓降圖

阻尼電阻吸收的能量主要取決于負(fù)載側(cè)電容和隔離開關(guān)兩端電壓的大小。需要的能量吸收容量可通過(guò)將分合閘操作過(guò)程中的預(yù)重?fù)舸┑哪芰肯嗉拥玫?。?duì)于一次分合閘操作，500 Ω電阻的典型吸收能量在20～35 kJ之間。阻尼電阻必須能夠在一次分合閘操作中吸收過(guò)電壓產(chǎn)生的能量。

3 考慮VFTO時(shí)的絕緣配合實(shí)例

結(jié)合圖3對(duì)考慮VFTO時(shí)的絕緣配合進(jìn)行實(shí)例說(shuō)明，并確定其中的相關(guān)系數(shù)。

隔離開關(guān)操作產(chǎn)生VFTO過(guò)程中，每次觸頭間隙擊穿后，負(fù)載側(cè)會(huì)形成殘余電壓，影響下次產(chǎn)生的VFTO。分閘末次殘余電壓對(duì)下次合閘首次擊穿初始條件影響較大，故分閘末次殘余電壓需重點(diǎn)關(guān)注。分閘末次殘余電壓由隔離開關(guān)操作時(shí)刻和機(jī)械特性決定的分閘末次擊穿相位決定，受開關(guān)擊穿特性影響，具有一定的隨機(jī)性。文獻(xiàn)[16]在特高壓GIS試驗(yàn)?zāi)妇€段上進(jìn)行了上千次分合閘操作，統(tǒng)計(jì)了快速、慢速開關(guān)分閘末次殘余電壓概率分布，如圖8所示?？梢姡珠l末期出現(xiàn)了-1.0 p.u.的殘余電壓。

當(dāng)殘余電壓分布已知時(shí)，可采用電磁暫態(tài)仿真軟件在已經(jīng)驗(yàn)證的模型上計(jì)算VFTO的最大計(jì)算值，然后依據(jù)圖3 中IEC 60071-1的方法進(jìn)行后續(xù)絕緣配合。當(dāng)殘余電壓分布未知時(shí)，也可通過(guò)實(shí)測(cè)來(lái)確定VFTO幅值的分布規(guī)律。文獻(xiàn)[9]給出了在特高壓GIS設(shè)備試驗(yàn)回路上進(jìn)行450次分合閘操作實(shí)測(cè)得到的VFTO概率分布，如圖9所示?？梢?，快速開關(guān)分合閘產(chǎn)生的最大VFTO幅值為2.23 p.u.。本文中絕緣配合實(shí)例直接采用實(shí)測(cè)的VFTO最大幅值。

圖9 不預(yù)充直流電壓下最大VFTO概率分布圖

由于仿真計(jì)算和實(shí)測(cè)VFTO次數(shù)一般均為幾百次，統(tǒng)計(jì)得到的VFTO最大幅值可能會(huì)小于系統(tǒng)在極端情況下出現(xiàn)的VFTO最大幅值。因此，引入配合系數(shù)Kc，得到配合耐受電壓UcVFTO，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，配和系數(shù)Kc一般取1.05[12]。其中：

UcVFTO=KcUmaxVFTO

(5)

考慮到GIS設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量、組裝和安裝的差異，絕緣老化等因素，引入安全系數(shù)Ks，Ks代表了理想狀況和實(shí)際工況之間的差異因數(shù)。從而，得到了絕緣的必要耐受電壓UsVFTO。其中：

UsVFTO=KsUcVFTO

(6)

如果上述影響Ks的因素不易進(jìn)行單獨(dú)評(píng)價(jià)，由經(jīng)驗(yàn)得到的整體安全系數(shù)可采用1.15[12]。

設(shè)備的額定LIWV各個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)不同。中國(guó)特高壓GIS的LIWV取為2 400 kV，而日本的標(biāo)準(zhǔn)則為2 250 kV。該標(biāo)準(zhǔn)是綜合考慮了各國(guó)GIS雷電沖擊保護(hù)水平、設(shè)備制造及安裝水平、設(shè)備可容忍的年故障率、經(jīng)濟(jì)效益等多方面因素制定的。該LIWV可根據(jù)公式(1)～公式(4) 計(jì)算得到。

(7)

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)傳統(tǒng)絕緣配合方法進(jìn)行系統(tǒng)介紹的基礎(chǔ)上，給出了考慮VFTO特性的GIS絕緣配合方法，并進(jìn)行了實(shí)例說(shuō)明，得到絕緣配合步驟如下：

(1) 仿真計(jì)算最大VFTO幅值和上升時(shí)間，若已知?dú)堄嚯姾煞植继匦裕瑒t使用已知值，否則采用殘余電壓為-1.0 p.u.的最嚴(yán)酷條件計(jì)算。

(2) 結(jié)合生產(chǎn)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，獲得GIS設(shè)備的絕緣配合系數(shù)Kc和安全系數(shù)Ks；進(jìn)行大量絕緣特性試驗(yàn)，獲得VFTO與雷電沖擊的波形轉(zhuǎn)換系數(shù)Ktc，并計(jì)算GIS設(shè)備的VFTO耐受水平。