高電壓GIS中VFTO的測量技術(shù)

摘 要：隨著全封閉式氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substations，簡稱GIS）的廣泛應(yīng)用，GIS中的VFTO問題將成為目前GIS安全運(yùn)行中越來越重要的問題。現(xiàn)對VFTO測量技術(shù)研究如下。

關(guān)鍵詞：高電壓GIS VFTO的測量 安全運(yùn)行

中圖分類號：TM201.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0125-01

電能是國家的經(jīng)濟(jì)命脈，關(guān)乎人們的日常生活。近年來，我國電力工業(yè)發(fā)展迅速，電壓等級也得到不斷的提高，使得全封閉式氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substations，簡稱GIS）應(yīng)用越來越廣泛。GIS—?dú)怏w絕緣變電站，與傳統(tǒng)的空氣絕緣變電站（AIS）對比，采用了絕緣性能和滅弧性能較高的六氟化硫（SF6）氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，并所有高壓電器設(shè)備密封在接地金屬筒中（將除變壓器、架空線以外）。目前國外內(nèi)GIS運(yùn)行的電壓等級有126 kV，252 kV，363 kV，550 kV，800 kV等。然而，隨著電網(wǎng)的運(yùn)行、電壓的提高能及GIS的廣泛應(yīng)用，一些問題顯露出來，GIS隔離開關(guān)接地開關(guān)和斷路器在例行操作時(shí)，極易產(chǎn)生頻率極高、波頭極陡的快速暫態(tài)過電壓VFTO（VeryFast Transient Overvoltage），這不僅會在GIS主回路引起對地故障，還會導(dǎo)致相鄰設(shè)備的絕緣損壞。目前，為了解決這種過電壓給設(shè)備運(yùn)行帶來的安全隱患，開始研究既能準(zhǔn)確測量工頻又能準(zhǔn)確測量上百兆赫高頻信號的寬頻帶VFTO測量系統(tǒng)，達(dá)到準(zhǔn)確的得到VFTO的幅值及頻率特性的目的。

1 VFTO的產(chǎn)生與危害

VFTO指波前時(shí)間在3～100 ns范圍內(nèi)的瞬態(tài)過電壓。GIS內(nèi)部的開關(guān)在進(jìn)行關(guān)合和開斷母線電容電流時(shí)，能夠產(chǎn)生多次復(fù)燃，致使觸頭間隙兩端的電壓在瞬間幾納秒內(nèi)突然跌落， 由于GIS結(jié)構(gòu)緊湊，各元件間距較小而且節(jié)點(diǎn)較多，該電壓陡波在GIS內(nèi)產(chǎn)生行波后進(jìn)行反復(fù)的傳播，從而發(fā)生錯綜復(fù)雜的折射、反射和疊加，最后形成的GIS中含有高頻、特高頻分量的VFTO。其中，負(fù)載開關(guān)與斷路器的運(yùn)動速度很快，關(guān)合開斷電流時(shí)發(fā)生復(fù)燃機(jī)率較小，引起的暫態(tài)過電壓對GIS危害也比較小；而隔離開關(guān)動動速度較低，小電容電流關(guān)合開斷時(shí)，會發(fā)生數(shù)十次甚至數(shù)百次的復(fù)燃，電弧的每次重燃都會引起一次高頻振蕩，所以隔離開關(guān)操作是引起GIS內(nèi)部的VFTO的主要原因。VFTO能作用于GIS內(nèi)部導(dǎo)體和殼體之間，危及GIS設(shè)備及與其相連的設(shè)備；傳播到GIS外部引起GIS的殼體電位升高或是形成向外輻射的電磁波，對敏感的二次設(shè)備造成危害。近年來，隨著運(yùn)行電壓及GIS內(nèi)氣壓的提高，由于隔離或接地開關(guān)以及斷路器操作造成的VFTO越來越嚴(yán)重。隔離開關(guān)切合小電容電流時(shí)的重?fù)舸┰斐呻妷嚎焖僮兓瑫贕IS同軸母線中產(chǎn)生VFTO，這類過電壓幅值高（最高達(dá)2.5 p.u.）、上升時(shí)間短（最小達(dá)數(shù)ns），對設(shè)備的危害極大。

2 VFTO測量方法

VFTO的測量難點(diǎn)在在于：脈沖波形很陡、頻帶寬，對測量系統(tǒng)要求較高；加上GIS本身對測量系統(tǒng)要求特殊，既要保證GIS的正常運(yùn)行同時(shí)又不能改變GlS內(nèi)部的電場分布，還要便于安裝和移動。現(xiàn)討論如下。

2.1 內(nèi)部測量方法

對GIS內(nèi)部的VFTO測量，主要通過下面兩種方法獲取過電壓信號：（1）使用內(nèi)置電場探頭獲取過電壓信號，例如將無阻傳感器直接連接到GIS斷路器端蓋上。其中，高壓臂由GIS的高壓母線與電容探頭的上極板構(gòu)成；低壓臂由電容探頭通過絕緣介質(zhì)與GIS管殼構(gòu)成，所測得的陡波前過電壓為安裝傳感器點(diǎn)的電壓值。此種方法的缺點(diǎn)是試驗(yàn)布置程序相對繁瑣，不易測量。（2）使用外置傳感器獲取過電壓信號，如使用微積分測量系統(tǒng)測量VFTO，在盆式絕緣子表面加裝測量電極，再通過微積分電路引出信號。此種方法無需改變GIS的結(jié)構(gòu)，對其內(nèi)部電場分布也不會受到影響；同時(shí)可在多處安裝測量電極，多點(diǎn)測量VFTO。此方法的不足之處是對測量電極有一定的要求，過寬或過窄都不適宜，須有經(jīng)驗(yàn)的人員進(jìn)行測量，與內(nèi)置式傳感器比較，其抗干擾能力較差。

2.2 外部VFTO測試方法

對于外部VFTO的測量，目前，外通常采用以下兩種方法獲取過電壓信號，（1）通過電場探頭。如J Christian等人采用電場傳感器在變壓器的高壓入口處對外部VFT0進(jìn)行測量，經(jīng)過多次的測試，得到幅值1.5～2.5 p.u，頻率在60 MHz內(nèi)，由主變側(cè)DS操作引起的電壓峰值最大，尤其是與之相連的母線處。（2）通過電容分壓器，雖然該類分壓器對穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)波形的響應(yīng)特性都不錯，但是除了考慮交流沖擊和阻抗匹配等問題以外，還需要考慮設(shè)備費(fèi)用的問題。通常是利用已有的電網(wǎng)設(shè)備，在不增加電網(wǎng)一次設(shè)備能夠保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的情況下，實(shí)現(xiàn)對VFTO的測量。對110 kV以上電器設(shè)備中，可埋有測量屏用于監(jiān)測套管，在變壓器套管末屏接上一個低壓電容，形成一個電容分壓器。西北電力試驗(yàn)研究院王森等人采用此方法對西安供電局高新北變電站110 kV的GIS投切空載主變時(shí)的VFTO進(jìn)行了測量，結(jié)果顯示：過電壓幅值達(dá)2～2.5 p.u.頻率達(dá)12.5 MHz。

3 結(jié)論

（1）近年來，隨著我國國家電網(wǎng)1000 kV GlS的投入和運(yùn)行，GIS中的VFTO問題成為GIS安全運(yùn)行的越來越重要的問題，需要適當(dāng)?shù)姆椒ㄈケ苊狻Ｋ裕瑢FTO測量技術(shù)的研究具有非常重要的意義。

（2）高電壓G1S VFTO測量難點(diǎn)在于，其測量系統(tǒng)要求不改變GIS內(nèi)部的電場分布，并且不能影響GIS測試件的絕緣強(qiáng)度。而內(nèi)置傳感器的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾性能好，靈敏度高；不足之處是需要提前安裝，且會改變GIS內(nèi)部電場分布。對于制造安裝的要求較高，建議可將傳感器安裝在GIS艙蓋板里面，使傳感器的平板與外殼的內(nèi)面平齊來降低GIS電場分布的影響；外置傳感器的優(yōu)點(diǎn)是安裝靈活、對系統(tǒng)正常運(yùn)行無影響、安全性較高，不足之處是靈敏度、抗干擾能力較差，建議可采用光纖測量系統(tǒng)來提高絕緣水平和抗電磁感應(yīng)干擾能力。

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