500 kV超高壓GIS開關(guān)氣室特快速暫態(tài)過電壓與暫態(tài)殼體地電位升高試驗(yàn)研究

馮汝明，車傳強(qiáng)，趙磊，劉濤瑋，白潔，王瓊，王曉東

（1.內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院分公司，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020；3.內(nèi)蒙古超高壓供電公司，呼和浩特 010080）

0 引言

隨著電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，受環(huán)境與占地面積的影響，GIS超高壓變電站日益增多。GIS母線在SF6氣室外，接線結(jié)構(gòu)緊湊，方便安裝與維護(hù)。但氣體絕緣封閉設(shè)備隔離開關(guān)在切合空載短母線時因重燃會在內(nèi)部產(chǎn)生特快速暫態(tài)過電壓（Very Fast Transient Overvoltage，VFTO），電壓幅值、頻率以及陡度都非常高，嚴(yán)重威脅設(shè)備安全，如果內(nèi)部存在金屬異物，會大幅度降低隔離開關(guān)在VFTO作用下的絕緣性能，并且隨著VFTO振蕩頻率和電場不均勻度的增加，擊穿概率增大，VFTO傳播至套管連接處后，還會產(chǎn)生暫態(tài)殼體電壓（Transient Enclosure Voltage，TEV），高幅值電壓會使其與接地線發(fā)生火花放電現(xiàn)象[1-6]。

本文對某500 kV變電站執(zhí)行斷路器熱備用轉(zhuǎn)冷備用，拉開隔離開關(guān)時發(fā)生的母線跳閘事故進(jìn)行了深入分析，并提出防范措施，以預(yù)防故障的再次發(fā)生。

1 故障概況

某500 kV變電站執(zhí)行5063斷路器熱備用轉(zhuǎn)冷備用，拉開5063-2隔離開關(guān)操作時，500 kV 2號母線跳閘，其系統(tǒng)主接線圖見圖1。

圖1 5063-2隔離開關(guān)操作故障前系統(tǒng)主接線圖Fig.1 Main wiring diagram of system before isolation switch 5063-2 operation failure

1.1 故障錄波圖分析

故障錄波圖見圖2，故障時故障相電壓下降，電流明顯增大。故障選相L1相，操作5063-2隔離開關(guān)發(fā)生故障后，最大故障電流約9 kA，其中永賽一線5013斷路器短路電流約4.5 kA，該出線以及相連電廠經(jīng)1號、4號主變壓器通過5032斷路器提供的短路電流約5 kA。故障時L1相電壓前20 ms跌至11 kV以下，20 ms后逐步升高至258 kV，雙套母線保護(hù)動作切除故障，故障相電壓恢復(fù)正常，其他各保護(hù)未啟動，故障時間持續(xù)約40 ms。

圖2 故障錄波圖Fig.2 Fault recording diagram

利用BPA和PSD軟件進(jìn)行接地故障電流核算：5063-2隔離開關(guān)L1相金屬性穩(wěn)態(tài)接地短路時故障電流9.65 kA，其中永賽一線5013斷路器短路電流4.47 kA，賽旗Ⅰ線以及盛樂電廠經(jīng)1號、4號主變壓器通過5032斷路器提供短路電流5.18 kA。

1.2 氣體檢測

故障跳閘后，進(jìn)行了5063斷路器及隔離開關(guān)氣室氣體濕度、分解產(chǎn)物試驗(yàn)，結(jié)果見表1。對比診斷性試驗(yàn)數(shù)據(jù)與交接試驗(yàn)數(shù)據(jù)，5063-2 L1相隔離開關(guān)氣室內(nèi)SO2及HF體積分?jǐn)?shù)明顯增大。另外，5063-2隔離開關(guān)氣室內(nèi)微水含量較其他氣室偏高，且與歷史數(shù)據(jù)比較有較大增加，加之氣體分解產(chǎn)物中HF體積分?jǐn)?shù)較高，疑似內(nèi)部有輕微受潮現(xiàn)象。但運(yùn)行中未發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，密封性未見明顯下降，原因應(yīng)為設(shè)備內(nèi)部絕緣件等部件未干燥徹底，內(nèi)部水分緩慢析出，使氣室內(nèi)部水分增大，導(dǎo)致絕緣性能下降。

表1 氣體分解產(chǎn)物濕度及其各元素體積分?jǐn)?shù)測試結(jié)果Tab.1 Test results of humidity and volume fraction of elements in gaseous decomposition products 10-6

根據(jù)SF6氣體在電弧放電下的分解機(jī)理，隔離開關(guān)氣室因內(nèi)部絕緣缺陷導(dǎo)致導(dǎo)電金屬對導(dǎo)電外殼放電及氣體中的導(dǎo)電顆粒雜質(zhì)引起對地放電，存在高能放電，故障區(qū)域內(nèi)的固體絕緣材料及金屬材料參與反應(yīng)分解，判斷為5063-2 L1相隔離開關(guān)氣室發(fā)生擊穿故障導(dǎo)致2號母線跳閘。

1.3 現(xiàn)場設(shè)備檢查解體分析

對現(xiàn)場一次設(shè)備巡視檢查，斷路器及隔離開關(guān)的各指示正確；線路電容式電壓互感器（Capacitor Voltage Transformer，CVT）及避雷器外觀、油位無異常；避雷器未動作?，F(xiàn)場無異常聲響，無異常氣味。

對開關(guān)設(shè)備解體檢查，見圖3、圖4，發(fā)現(xiàn)放電部位為隔離開關(guān)靜觸頭對金屬外殼放電。隔離開關(guān)靜觸頭燒蝕嚴(yán)重，周圍積累灰白色粉末，大量高溫分解產(chǎn)物滴落在氣室底部，并伴有樹狀的受到電場力的電弧路徑燒蝕痕跡，觀察窗周圍燒蝕較為嚴(yán)重，在殼體內(nèi)壁形成了電擊坑，存在大量飛濺狀金屬顆粒，底部5063-2隔離開關(guān)法蘭和接地排有放電痕跡。

圖3 隔離開關(guān)解體照片F(xiàn)ig.3 Photo of disconnector disassembly

圖4 接地排放電痕跡Fig.4 Ground discharge electrical traces

2 暫態(tài)過電壓分析

實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明：在330 kV以上電壓等級的GIS中，VFTO易引發(fā)設(shè)備絕緣事故。一般情況下，過電壓幅值在2.5（p.u.）左右，有時也可能超過3.0（p.u.），但由此引起的事故概率卻超過了雷電過電壓和開關(guān)操作過電壓的事故概率。

操作隔離開關(guān)時，容易引起觸頭的多次重?fù)舸┖椭厝?，從而產(chǎn)生VFTO。當(dāng)VFTO沿母線傳到GIS與高壓套管處時，容易耦合到殼體與地之間，造成TEV升高[8-13]。

2.1 VFTO產(chǎn)生機(jī)理

隔離開關(guān)開合電容電流系統(tǒng)示意圖見圖5，隔離開關(guān)操作時產(chǎn)生VFTO示意圖見圖6。

圖5 隔離開關(guān)開合電容電流的系統(tǒng)示意圖Fig.5 System diagram of disconnector switching capacitive current

圖6 操作隔離開關(guān)時產(chǎn)生VFTO示意圖Fig.6 VFTO schematic diagram generated when operating disconnector

開斷前，uS（t）與uL（t）相等，即uS=uL；開斷后，uS仍按工頻電源電壓規(guī)律變化，uL則由于GIS內(nèi)絕緣子或母線殘壓較高，衰減很慢，可等效為恒定的直流電壓，其值由熄弧瞬間電壓值uL（=uS）決定。隨后，動靜觸頭間隙距離增大，uB隨之線性增大。當(dāng)觸頭電壓差超過uB時，間隙擊穿，出現(xiàn)第一次重燃，產(chǎn)生高頻率VFTO。由于頻率過高，電流過零時電弧仍不會熄滅，直到約幾十μs高頻振蕩衰減完畢，電弧熄滅，第一次復(fù)燃過程結(jié)束。

2.2 TEV產(chǎn)生機(jī)理

GIS的殼體由接地引線連接地網(wǎng)，GIS出現(xiàn)暫態(tài)過程后，外殼上的幾十MHz高頻感應(yīng)電流沿接地線流入地網(wǎng)，使接地線的壓降增大，電壓值超過空氣的擊穿電壓引起火花放電[14-20]，GIS母線通過高壓套管與架空線相連（見圖7），當(dāng)操作GIS中的隔離開關(guān)時，母線上將產(chǎn)生VFTO（U0）。如圖8所示，VFTO電壓波除在O點(diǎn)發(fā)生反射（U1）以及折射到架空線上（U3），另一部分會折射到殼體與地之間（U2），造成暫TEV升高，對GIS周邊設(shè)備產(chǎn)生危害。

圖7 GIS與架空線連接示意圖Fig.7 Schematic diagram of the connection between GIS and overhead lines

圖8 電壓波在套管O處點(diǎn)折、反射示意圖Fig.8 Schematic diagram of voltage wave folding and reflection at casing O

3 暫態(tài)過電壓建模與計(jì)算

3.1 GIS的暫態(tài)電路模型

為準(zhǔn)確計(jì)算和分析該變電站事故的暫態(tài)過電壓，查閱設(shè)備平面布置圖以及設(shè)備制造商相關(guān)文獻(xiàn)資料，對GIS系統(tǒng)各設(shè)備進(jìn)行等效暫態(tài)模擬。

本文采用分段電弧模型模擬觸頭間隙的復(fù)燃或重?fù)舸┻^程[18-20]，電弧電阻變化曲線如圖9所示。

圖9 電弧電阻變化曲線Fig.9 Curve of arc resistance variation

考慮隔離開關(guān)動靜觸頭較大，并且存在殘余電荷，故燃弧時考慮了動靜觸頭對GIS外殼的電容C，其等效模型如圖10所示，Ra（t）為時變電阻。本文借鑒文獻(xiàn)[19]隔離開關(guān)三維電場分析結(jié)果，利用電場能量法，精確得到電容C為12 pF。

圖10 隔離開關(guān)電弧的等效電路模型Fig.10 Equivalent circuit model of disconnector arc

考慮電磁波的傳播，將變壓器等效為集中電感和對地電容；母線為均勻無損傳輸線；接地開關(guān)、套管等效為集中電容。斷路器為雙斷口斷路器，并且?guī)Ш祥l電阻R=1500Ω。GIS主要部件等效模型取值見表2。

表2 GIS主要部件等效模型取值Tab.2 Equivalent model value of GIS main components

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算時考慮隔離開關(guān)燃弧最嚴(yán)重的情況，斷路器分閘，接地開關(guān)打開，即操作DS 5063-2單進(jìn)單出情況下，隔離開關(guān)短母線處的殘余電荷為-1（p.u.），電源側(cè)為1（p.u.），此時電弧重燃，時間步長取1 ns，計(jì)算時間為10μs，GIS內(nèi)部暫態(tài)電路如圖11所示。

圖11 GIS內(nèi)部暫態(tài)電路Fig.11 Internal transient circuit of GIS

VFTO詳細(xì)計(jì)算結(jié)果如表3所示，圖12為DS 5063-2操作方式下，GIS內(nèi)部產(chǎn)生VFTO幅值較大處的波形與頻譜圖。文獻(xiàn)[20]給出了VFTO與雷電沖擊耐受電壓比較時考慮15%的安全裕度，因此500 kV GIS的雷電沖擊耐受電壓為1550 kV，則VFTO不宜超過1347 kV，標(biāo)幺值為2.183的過電壓是該值的72.8%。雖未超過其絕緣水平，但與允許的VFTO幅值比較接近。

圖12 單進(jìn)單出線方式下DS 5063-2 VFOT波形及其頻譜Fig.12 Waveform and spectrum of DS 5063-2 VFOT under single-in and single-out mode

表3 DS 5063-2操作引起的VETO計(jì)算結(jié)果Tab.3 Results of VFTO when DS 5063-2 is operated

在此次事故中，斷開5063-2隔離開關(guān)時，在觸頭分離過程中有金屬碎屑產(chǎn)生，金屬異物的出現(xiàn)大幅降低了隔離開關(guān)在VFTO作用下的絕緣性能，并且隨VFTO振蕩頻率和電場不均勻度的增加，擊穿概率增大，操作隔離開關(guān)產(chǎn)生的VFTO導(dǎo)致對殼體閃絡(luò)接地，最終發(fā)生擊穿故障。

對于GIS殼體與架空線的連接處可通過理想變壓器模型模擬。利用EMTP對該變電站的外殼進(jìn)行建模，計(jì)算得到殼體在接地點(diǎn)處TEV波形及其頻譜分布如圖13所示。由圖可知，由隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的VFTO引起殼體在接地點(diǎn)處TEV暫態(tài)電壓為0.47（p.u.），即191.76 kV，較高的TEV暫態(tài)過電壓導(dǎo)致接地排放電。

圖13 殼體接地點(diǎn)處的TEV波形及其頻譜Fig.13 TEV waveform and frequency spectrum at shell grounding point

4 故障過程演繹

在拉開5063-2隔離開關(guān)L1相斷開小電容電流的過程中，由于隔離開關(guān)本身分閘速度較慢，發(fā)生了多次電弧的重燃和熄滅。

當(dāng)動靜觸頭間距逐漸增大，由于氣室靜觸頭屏蔽罩上部附著了金屬細(xì)屑，在分閘操作時落在周圍，電場畸變，電弧不均勻度增加，電弧再次重燃。多次電弧重燃產(chǎn)生的金屬蒸氣在熱作用下向氣室上部匯聚，影響動靜觸頭上部空間的自由電荷分布，使得SF6氣體的絕緣強(qiáng)度降低。由于動靜觸頭間擊穿電壓較高，產(chǎn)生VFTO，發(fā)生再燃弧使兩電極間被跨接，造成再燃弧部位的電位分布急劇變化，電場方向由斷口間變?yōu)閷Φ?，伴隨著不斷重燃引起的高幅值快速暫態(tài)過電壓和金屬蒸氣引起的SF6氣體絕緣強(qiáng)度降低，發(fā)生了隔離開關(guān)動觸頭端部上側(cè)面對殼體觀察窗內(nèi)壁上部靠近動觸頭屏蔽側(cè)的擊穿放電。

由于動觸頭屏蔽罩左上部與殼體觀察窗內(nèi)壁上部靠近動觸頭屏蔽側(cè)之間的氣體間隙最小，在動觸頭不斷移動直至縮入動觸頭屏蔽罩內(nèi)的過程中，放電路徑轉(zhuǎn)移到了動觸頭屏蔽罩左上部與殼體觀察窗內(nèi)壁上部靠近動觸頭屏蔽側(cè)之間。故障電流的路徑是靜觸頭到動觸頭，再到殼體觀察窗內(nèi)壁。動觸頭突出的形狀導(dǎo)致弧根固定，靜觸頭表面積大，弧根運(yùn)動，因此靜觸頭表面沒有集中的燒灼點(diǎn)。

5 處理措施及建議

（1）由以上分析可知，設(shè)備觸頭存在設(shè)計(jì)缺陷，在操作隔離開關(guān)時存在電弧無法可靠熄滅的風(fēng)險，因此對原550 kV GIS隔離開關(guān)動靜觸頭設(shè)計(jì)改進(jìn)，改進(jìn)前后對比如圖14所示。隔離開關(guān)觸頭設(shè)計(jì)改進(jìn)說明如表4所示。

表4 觸頭改進(jìn)說明Tab.4 Description of contact improvement

圖14 隔離開關(guān)觸頭改進(jìn)對比圖Fig.14 Comparison diagram of disconnector contact improvement

對改進(jìn)前后的觸頭進(jìn)行電場、電弧計(jì)算，改進(jìn)前斷口距離80 mm，VFTO最大電場值為28.6 kV/mm，新結(jié)構(gòu)的斷口距離為50 mm，VFTO最大電場值為28.5 kV/mm。新結(jié)構(gòu)較好地限制了電弧的飄移，確保動觸頭對靜觸頭的電弧，如圖15所示。

圖15 觸頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后電場Fig.15 Electric field before and after contact structure improvement

原設(shè)計(jì)DS在分閘至80 mm時才能有效切斷重燃弧，設(shè)計(jì)改進(jìn)后DS在分閘至50 mm時完全切斷重燃弧。原設(shè)計(jì)DS在分閘時弧觸頭端部拉弧時，由于端部設(shè)計(jì)空心很容易在動觸頭電弧對靜觸頭時電弧飄移到屏蔽罩上面，從而對殼體閃絡(luò)接地。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)后，DS分閘時電弧僅在動觸頭端部與靜觸頭端部之間，很好地限制了電弧，不會發(fā)生飄移，避免了對殼體閃絡(luò)接地。

（2）設(shè)備生產(chǎn)廠家應(yīng)提供更加翔實(shí)的不同快速暫態(tài)過電壓計(jì)算分析報(bào)告，以及不同操作方式下的VFTO情況，為甲方設(shè)備運(yùn)行方式提供參考。

（3）完成部件更換后，廠家需對更換部件設(shè)備進(jìn)行型式試驗(yàn)并出具試驗(yàn)報(bào)告，現(xiàn)場應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的交接試驗(yàn)。

（4）建議對同廠家同批次產(chǎn)品進(jìn)行全面排查，依據(jù)Q/ND 10501 05—2016《電力設(shè)備帶電檢測技術(shù)規(guī)范》要求，開展氣體濕度、氣體分解產(chǎn)物檢測，密切跟蹤各項(xiàng)氣體分解產(chǎn)物增長情況。

（5）加強(qiáng)反措執(zhí)行力度。GIS中斷路器、隔離開關(guān)和接地開關(guān)應(yīng)在出廠試驗(yàn)中進(jìn)行不小于200次的機(jī)械操作磨合，磨合后檢查觸頭情況，清掃殼體內(nèi)部；252 kV及以上電壓等級設(shè)備應(yīng)進(jìn)行正負(fù)極性各3次雷電沖擊耐壓試驗(yàn)。

（6）強(qiáng)化關(guān)鍵部件質(zhì)量控制。GIS內(nèi)絕緣件應(yīng)逐只進(jìn)行X射線探傷試驗(yàn)、工頻耐壓試驗(yàn)和局部放電試驗(yàn)，局部放電量不大于3 pC，制造廠需提供書面材料。

（7）規(guī)范安裝工藝質(zhì)量。GIS現(xiàn)場安裝時應(yīng)采取防塵棚等有效措施，確保安裝環(huán)境的潔凈度，保證設(shè)備內(nèi)部潔凈無雜質(zhì)，降低運(yùn)行中故障風(fēng)險。

6 結(jié)論

本文針對某變電站GIS中5063-2隔離開關(guān)操作造成的隔離開關(guān)氣室擊穿事故，結(jié)合故障情況，計(jì)算了該變電站GIS內(nèi)部的VFTO以及外部TEV，分析了該站此種操作方式下VFTO對隔離開關(guān)的不利影響，通過計(jì)算分析得到以下結(jié)論。

（1）通過對5063-2隔離開關(guān)內(nèi)部VFTO的計(jì)算，結(jié)果表明VFTO操作隔離開關(guān)的電源側(cè)的過電壓幅值較大，為2.183（p.u.），即980.17 kV，是VFTO允許幅值標(biāo)幺值的72.8%，存在較大的絕緣風(fēng)險，這是由于被開斷的母線長度較短，阻尼作用較弱，并且開斷后有一定的殘壓電荷，VFTO衰減速度較慢，VFTO幅值較高。

（2）在GIS中，VFTO的侵入會使隔離開關(guān)盆式絕緣子沿面閃絡(luò)電壓的下降速度比雷電沖擊電壓下快很多，并且VFTO作用下隔離開關(guān)附近存在金屬異物造成電場畸變，振蕩頻率和電場不均勻度的增加，最終導(dǎo)致?lián)舸┕收稀?/p>

（3）在隔離開關(guān)操作的暫態(tài)過程中，VFTO通過行波耦合傳遞至殼體與地之間，造成TEV升高，達(dá)到0.47（p.u.），即191.76 kV，產(chǎn)生對地火花放電。

（4）通過將隔離開關(guān)動觸頭端部結(jié)構(gòu)由空心改為實(shí)心圓弧狀，靜觸頭改為Z形觸指，VFTO最大電場值為28.5 kV/mm，能夠分閘至50 mm時完全切斷重燃弧，限制了電弧的飄移。