550 kV GIS隔離開關(guān)操作引起特快速瞬態(tài)過電壓仿真研究

趙 琳，葉麗雅，楊 勇，蔣 鵬

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司培訓(xùn)中心，杭州 310015）

0 引言

GIS（氣體絕緣組合電器）也稱氣體絕緣變電站，具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積少、維護方便、運行可靠等優(yōu)點，在超高壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。運行經(jīng)驗表明，GIS中斷路器和隔離開關(guān)操作時會產(chǎn)生波前極陡、高頻振蕩的VFTO（特快速瞬態(tài)過電壓），其中隔離開關(guān)操作是其產(chǎn)生的主要原因[1-2]。VFTO不僅危及GIS內(nèi)部設(shè)備的絕緣，還可能侵入所連主變壓器繞組內(nèi)部，造成繞組絕緣擊穿[3]。

公開發(fā)表的文獻中關(guān)于GIS中隔離開關(guān)操作引起VFTO的仿真研究，主要是VFTO對避雷器計數(shù)器的影響以及殘余電荷電壓和合閘電阻對VFTO幅值與頻率的抑制作用[4]，隔離開關(guān)不同操作方式對VFTO的影響規(guī)律[5]，VFTO對主變壓器的影響[6]以及VFTO的抑制措施研究[7-8]等。

本文利用電磁暫態(tài)程序建立電路仿真模型，計算分析洪屏抽水蓄能電站550 kV GIS在不同的系統(tǒng)運行方式下投切主變壓器、母線、出線時操作隔離開關(guān)產(chǎn)生的VFTO，并就電纜對于VFTO的抑制情況、VFTO對主變壓器匝間絕緣的影響作相應(yīng)分析，最后以該GIS主變壓器入口處出現(xiàn)最嚴重VFTO的操作方式為模型提出主變壓器入口VFTO的限制措施，期望研究結(jié)論能對GIS操作規(guī)范的優(yōu)化及系統(tǒng)的安全運行提供指導(dǎo)。

1 550 kV GIS仿真模型和參數(shù)

1.1 電氣主接線

洪屏抽水蓄能電站550 kV GIS電氣主接線如圖1所示，接線方式為雙母線單斷路器接線。一期工程分為地上和地下兩部分GIS，地下GIS布置在主變壓器壓器上方，由4套聯(lián)合單元接線GIS組成，地上部分與地下部分通過1 km長的電纜相連；建設(shè)1條76.5 km出線至夢山，建設(shè)4臺變壓器即T1～T4。

1.2 計算模型

在高頻VFTO作用下，斷路器為雙斷口，斷開可視為集中電容，閉合視為母線一部分；隔離開關(guān)不設(shè)分合閘電阻，在開合的過程中，由于觸頭的動作速度相對較慢，當觸頭間的跌落電壓大于觸頭間隙絕緣介質(zhì)的耐受電壓時，產(chǎn)生電弧擊穿。斷口間電弧電阻模型采用雙指數(shù)函數(shù)，近似如式（1）所示：

式中：Ri為絕緣電阻，此處取足夠大值1012Ω；τ1為擊穿時間常數(shù)，取為2 ns；τ2為擊穿時間常數(shù)，取為 1 μs； Rc為電弧穩(wěn)定電阻，由式（2）決定：

式中：I為電流最大峰值；p為氣壓；l為觸頭開距[9]。

金屬氧化物避雷器采用并聯(lián)的非線性電阻和集中電容等效，其額定電壓為420 kV，計算采用的MOV參數(shù)見表1。

圖1 洪屏抽水蓄能電站550 kV GIS主接線

表1 MOV的伏安特性

表2 GIS中主要元件參數(shù)

其他元件，如套管、接地開關(guān)、電壓互感器、絕緣子等均簡化為集中參數(shù)的等值電容。具體的元件參數(shù)統(tǒng)計值見表2。

2 VFTO計算及影響分析

2.1 VFTO計算

本文的VFTO仿真計算主要考慮電站電機以發(fā)電機和電動機這2種系統(tǒng)運行方式。具體又可分為投切主變壓器、母線和出線時操作隔離開關(guān)的3種情況。

實際操作投入主變壓器、母線或者出線時，按照操作順序依次先合閘所連斷路器兩側(cè)的隔離開關(guān)，然后再分別依次合閘斷路器。由于GIS回路檢修時會經(jīng)接地開關(guān)接地，釋放殘余電荷，因而斷路器斷開時與操作隔離開關(guān)之間的那段負荷側(cè)短母線上殘余電荷電壓很小。而切除主變壓器、母線或者出線時，操作順序是先分閘所連斷路器，然后再分閘兩側(cè)的隔離開關(guān)。在隔離開關(guān)的開斷過程中，斷口間發(fā)生重燃，極限情況是最后一次重燃前負荷側(cè)短母線殘留電壓為相電壓負峰值，雖然概率很小，隨機性很強，但比合閘殘壓的影響還是要大，所以合閘隔離開關(guān)產(chǎn)生VFTO較分閘時大為降低，對電站絕緣和主變壓器絕緣均不構(gòu)成威脅。

為了比較簡便的獲得VFTO理論上的最大值，仿真隔離開關(guān)電源側(cè)與負載側(cè)反極性峰峰值放電，這一最嚴重情況下的單次放電，此時隔離開關(guān)電源側(cè)電壓為1.0 p.u.（1.0 p.u.=449 kV），負載側(cè)母線的殘余電壓為-1.0 p.u.，并認為分閘最大VFTO和合閘最大VFTO的計算條件相同。本文以隔離開關(guān)分閘為例，計算時間為10 μs。

由圖1主接線可知，該抽水蓄能電站在投切主變壓器、母線和出線3種系統(tǒng)操作下隔離開關(guān)可分為13種操作方式，如表3所示。通過對這13種工作方式下的VFTO進行計算，得到各節(jié)點的電壓波形。

表3 隔離開關(guān)操作方式

2.2 計算結(jié)果及分析

由上述13種操作方式計算得到的GIS管線各節(jié)點的VFTO幅值如表4所示。

表4 GIS各節(jié)點VFTO幅值p.u.

由表4可知，GIS各點最高的過電壓值發(fā)生在開斷處負載側(cè)短母線，這是因為在高頻VFTO作用下主變壓器繞組的感性阻抗值極大，對VFTO行波可等效為開路，即行波傳遞到主變壓器入口處時可視為發(fā)生全反射，行波幅值加倍后逆向傳遞回GIS本體，使開斷處過電壓激增。主變壓器入口處的VFTO最大值出現(xiàn)在投切母線的操作方式3下，約為1.31 p.u.。

投切出線時產(chǎn)生并傳遞至GIS本體的VFTO幅值很小，這是因為操作出線側(cè)隔離開關(guān)距離GIS本體比較長，VFTO行波振蕩不斷衰減以及沿線電容泄流的影響，幅值進一步降低。另外，投切主變時，方式2下主變T1入口處的VFTO幅值比方式1下小，說明電源支路越多，容量越大，對主變處的VFTO抑制越有幫助。

2.2.1 單次放電VFTO特性

以方式3開斷處單次放電負載側(cè)短母線VFTO波形為例，定義單次放電VFTO波形特性參量。

如圖2所示，從殘余電荷電壓UT開始，圍繞電源側(cè)電壓瞬時值US振蕩，在上升到峰值前，由于斷口放電陡波在空載短母線末端的反射，出現(xiàn)了一個極值點，上升時間Tr為VFTO從第一個極值點ULn的10%至90%所經(jīng)歷的時間，波前陡度為該部分VFTO的上升率，VFTO峰值為ULm。圖3為隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的開斷處負載側(cè)短母線單次放電VFTO頻譜，可以發(fā)現(xiàn)波形中包含非常豐富的頻率成份，這取決于GIS回路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。由式（3）計算可得放電電壓波在長度為3.6 m的空載短母線上的折反射頻率為20.8 MHz。

式中：v為電壓波波速；l為負載短母線長度。

因此該頻譜可以分為3個頻率段：幾MHz為回路基本振蕩頻率、21 MHz為負載測空載短母線上的折反射頻率、幾十MHz及以上的頻率成分為回路波阻抗不連續(xù)處產(chǎn)生的折反射頻率。

2.2.2 主變處VFTO分析

圖4、圖5所示為方式3下主變T1入口處的VFTO波形和頻譜，陡度為1 631 kV/μs，頻率分量主要為1 MHz、3.6 MHz和9.2 MHz。

圖2 單次放電VFTO波形特征參量定義

圖3 單次放電VFTO頻譜

圖4 主變壓器T1入口處VFTO波形

圖5 主變壓器T1入口處VFTO頻譜

由于操作隔離開關(guān)在地上部分，而主變在地下部分，之間還有1 000 m的長電纜連接，相距比較遠，傳遞到主變?nèi)肟谔幍腣FTO幅值比較低，對變壓器主絕緣影響不大。但是當VFTO振蕩波的頻率與繞組自振頻率接近時，可能激起繞組內(nèi)部的電磁振蕩，出現(xiàn)比雷電沖擊全波和截波下匝間過電壓更高的局部共振過電壓[10]。

文獻[11]指出，目前變壓器匝間絕緣強度是按照能夠承受雷電沖擊的耐壓值設(shè)計，對于范圍Ⅱ（Um＞252 kV）內(nèi)的縱絕緣，聯(lián)合耐受電壓的標準雷電沖擊分量等于相應(yīng)的相對地耐受電壓1 550 kV。根據(jù)文獻[12-13]的試驗結(jié)果可知，雷電沖擊電壓作用下變壓器匝間電壓為所加沖擊電壓幅值的0.015倍，則雷電沖擊作用下匝間絕緣的電壓為1 550×0.015=23.25 kV。

而當VFTO振蕩波的頻率與繞組自振頻率接近發(fā)生共振時，匝間電壓可以達到VFTO幅值的25%，選取主變壓器入口出現(xiàn)最大VFTO的情況，此時振蕩幅度達到最高為0.48 p.u.。主變壓器匝間絕緣承受的電壓為 ■ 2×550/■ 3×0.48×25%=53.88 kV，是雷電沖擊電壓作用下匝間電壓的2倍以上。由于變壓器繞組在VFTO作用下的匝間電壓分布極不均勻，與雷電波作用下的匝間電壓分布特點不同[14]，匝間電壓的最大值發(fā)生在前幾餅的屏蔽線和工作線之間，隔離開關(guān)操作可能會造成主變壓器T1進線端匝間絕緣擊穿。因此在變壓器的絕緣設(shè)計中，對于VFTO的影響應(yīng)重點考慮繞組進線端前幾餅的匝間和餅間這些部位的絕緣。同時，通過主變壓器附近并聯(lián)安裝電容等方法來限制高頻振蕩分量的侵入，減少發(fā)生共振的機率。但是，采用這些方法時必須確切了解變壓器的諧振特性[15]。

2.2.3 電纜對VFTO的影響分析

取3種不同的電纜長度50 m、250 m、750 m，仿真分析不同電纜長度下主變壓器入口出現(xiàn)VFTO情況，圖6、圖7分別是不同電纜長度下主變壓器入口VFTO的波形和頻譜：

由圖6、圖7可知，電纜長度為50 m的時候，傳遞到主變壓器的VFTO幅值為1.33 p.u.，頻率分量主要為1.4 MHz和4 MHz，波前陡度為1 740 kV/μs；長度增大到250 m時，主變壓器入口處的VFTO幅值降為1.32 p.u.，頻率分量主要為1 MHz、4 MHz和9 MHz，波前陡度降為1 672 kV/μs；當電纜長度為750 m長時，主變壓器入口處的VFTO幅值降為1.31 p.u.，頻率分量主要為1 MHz、4 MHz和9 MHz，波前陡度降為1 651 kV/μs。

圖6 不同電纜長度下主變壓器入口VFTO波形

圖7 不同電纜長度下主變壓器入口VFTO頻譜

可以看出，當GIS地上和地下部分用一段長電纜連接后，傳播到主變壓器入口處的VFTO幅值和陡度都有一定程度的下降，暫態(tài)過程衰減，高頻振蕩分量明顯減少，但是當電纜長度大于250 m及以上時，暫態(tài)衰減過程減弱，VFTO的幅值、波前陡度和振蕩頻率變化不大，只影響VFTO波傳至主變壓器的時間。

3 主變壓器側(cè)VFTO波前陡度限制措施

由2.3節(jié)可知，該550 kV GIS隔離開關(guān)各種操作中，產(chǎn)生并傳遞到主變壓器處的VFTO幅值并不高，但波前陡度比較大，達到了1 631 kV/μs。目前IEC絕緣配合標準中尚未確定VFTO實驗的典型波形[16]，通常認為VFTO可與雷電沖擊耐受電壓進行比較，變壓器縱絕緣至少應(yīng)該可以承受該標準雷電沖擊電壓波前陡度。從嚴考慮，可以以標準雷電沖擊電壓波前陡度1 291 kV/μs為限制水平來衡量VFTO波前陡度對變壓器縱絕緣的危害性。

由于行波通過串聯(lián)電感或者并聯(lián)電容時，行波波前被拉平，陡度會被削弱，而在主變壓器與GIS母線之間連接架空線，相當于在VFTO入侵主變壓器的路徑上引入了數(shù)值較大的串聯(lián)電感，因此本節(jié)以主變壓器入口處出現(xiàn)最嚴重VFTO的操作方式3為例，定量分析GIS母線與主變壓器經(jīng)架空線連接對限制入侵主變壓器VFTO波前陡度的削弱作用[17]。

仿真計算模型如圖8所示。

圖8 VFTO抑制仿真計算模型

圖9為主變壓器與GIS母線之間架空線長度在0～9 m之間變化時，主變壓器入口的VFTO波形?？梢园l(fā)現(xiàn)，隨著架空線長度越長，相應(yīng)的VFTO波前時間也越長，波頭越來越平緩，因此架空線對VFTO波前陡度具有限制作用。

圖9 不同長度架空線主變壓器入口VFTO波形

圖10為主變壓器入口VFTO波前陡度與不同架空線長度的關(guān)系曲線?？梢钥闯?，隨著架空線長度的不斷增加，VFTO波前陡度不斷下降0～4 m內(nèi)，波前陡度下降很明顯，降幅超過50%，架空線長度超過4 m以后，下降趨于平緩。當架空線長度取3 m時，VFTO波前陡度已從原來的1 631 kV/μs下降為 1 138 kV/μs， 與 1 291 kV/μs的限制水平有11.9%的裕度，滿足變壓器縱絕緣能承受VFTO波前陡度而不受危害的要求?？紤]設(shè)計規(guī)程以及場地條件允許的情況下，架空線路選擇3 m是較為經(jīng)濟且合理的。

圖10 主變壓器入口VFTO波前陡度與架空線長度的關(guān)系

圖11為3 m長架空線下主變壓器入口VFTO頻譜?？梢钥吹?，主變壓器與GIS母線間連接3 m長的架空線以后，主變壓器入口處的VFTO頻率成分中高頻分量進一步減少。

圖11 3 m長架空線下主變壓器入口VFTO頻譜

對于該500 kV抽水蓄能電站，由于場地較為緊張，GIS母線與主變壓器之間通過油氣套管直接相連，操作隔離開關(guān)產(chǎn)生并傳遞到主變壓器的VFTO陡波對于電站的主變壓器縱絕緣具有較大威脅，采取隔離開關(guān)加裝并聯(lián)電阻、主變壓器入口前加裝并聯(lián)電容器或主變壓器入口前加裝串聯(lián)阻波器等措施都不夠經(jīng)濟。在設(shè)計規(guī)程以及場地條件允許的情況下，在GIS母線與主變壓器之間連接一條3 m長的架空線即可滿足限制VFTO波前陡度對主變壓器縱絕緣的危害，同還可以減少VFTO高頻分量。

4 結(jié)論

本文詳細計算了洪屏抽水蓄能電站550 kV GIS在多種典型操作工況下的特快速瞬態(tài)過電壓，并就主變壓器入口處VFTO對主變壓器匝間絕緣的影響、長電纜對VFTO的影響作了分析。針對該GIS主變壓器入口處出現(xiàn)最嚴重VFTO的操作方式3，提出抑制主變壓器入口處VFTO波前陡度的限制措施。通過計算仿真分析，得到了以下結(jié)論：

（1）GIS地上和地下部分通過電纜連接后，VFTO暫態(tài)過程不斷衰減，幾十MHz及以上的高頻振蕩分量明顯減少，當電纜長度大于250 m時，暫態(tài)衰減過程減弱，VFTO的幅值、波前陡度和振蕩頻率變化不大。該電站連接1 km長電纜后，主變壓器入口處VFTO幅值和波前陡度都有降低，幅值對變壓器主絕緣影響不大，但是波前陡度非常大，需要采取一定的措施限制以減少對主變壓器縱絕緣的危害。

（2）主變壓器入口處的VFTO振蕩分量與繞組自振頻率如果接近發(fā)生共振時，激起的局部過電壓可以達到雷電沖擊電壓波作用下匝間過電壓的2倍以上，且匝間電壓的最大值發(fā)生在前幾餅的屏蔽線和工作線之間，因此操作隔離開關(guān)可能會造成主變壓器進線端匝間絕緣擊穿，在主變壓器絕緣設(shè)計中應(yīng)重點關(guān)注這些部位。

（3）主變壓器與GIS母線之間連接架空線對侵入主變壓器入口的VFTO波前陡度有明顯的削弱作用，并且能減少VFTO中的高頻分量。在設(shè)計規(guī)程以及場地條件允許的情況下，在GIS母線與主變壓器之間連接一條3 m長的架空線即可限制VFTO波前陡度對主變壓器縱絕緣的危害。