超高壓GIS中快速暫態(tài)過電壓產(chǎn)生機(jī)理及其防治

李亞

【摘 要】本文首先從VFTO產(chǎn)生及其產(chǎn)生機(jī)理等兩個方面介紹了超高壓GIS中的快速暫態(tài)過電壓，隨后對快速暫態(tài)過電壓的危害進(jìn)行了歸納與總結(jié)。進(jìn)而提出了VFTO抑制措施，對于超高壓GIS中的快速暫態(tài)過電壓抑制有很好的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】超高壓;GIS;快速暫態(tài)過電壓;抑制

1 快速暫態(tài)過電壓及形成機(jī)理

1.1 VFTO的產(chǎn)生

在GIS斷路器的作用是用于合閘即正常的合閘以及自動重合閘。在合閘空載線路時，就會產(chǎn)生VFTO中，由于在重合閘以前線路上已經(jīng)存在殘余電荷，因此重合閘的VFTO是合閘過電壓中較嚴(yán)重的情況。過電壓的倍數(shù)會受到殘余電荷的影響。在隔離開關(guān)進(jìn)行操作時所產(chǎn)生的VFTO以及其在GIS母線上往返折射和反射所形成的VFTO具有幅值高和上升對間極短的特點(diǎn)。一般情況下，其幅值為1.5 -2.0pu。最高則可以達(dá)到2.5pu;上升時間為2-20ns;基本振蕩頻率在5-10MHz之間，但其高頻分量則可以達(dá)到100MHz。這種形式的過電壓是VFTO最為主要的形式同時造成的危害也最大。

1.2 VFTO的分類

VFTO按照傳播路徑可以分為內(nèi)部暫態(tài)和外部暫態(tài)兩種類型。其中內(nèi)部暫態(tài)是在GIS內(nèi)部傳播.于GIS內(nèi)部所形成的暫態(tài)過程，其過電壓作用于GIS的殼體和內(nèi)部導(dǎo)體之間，對GIS內(nèi)部絕緣造成極大威脅，主要包括斷路器操作時所引起的瞬態(tài)恢復(fù)過電壓隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的快速暫態(tài)過電壓，外部暫態(tài)是在GIS外部傳播和輻射，由GIS內(nèi)部暫態(tài)過電壓波傳遞到GIS外部所引起的，主要包括了對于GIS外一次設(shè)備造成威脅的暫態(tài)過電壓、使得GIS殼體電位升高的，外殼暫態(tài)過電壓以及對敏感的二次設(shè)備造成損害的向外輻射的電磁波等。

在超高壓網(wǎng)架方面，高壓電纜長度、斷路器斷口的均壓電容、SF6母線的長度及奇波阻抗、套管等效電容變壓器入口電容等都會對VFTO的特性造成影響。其中，高壓電纜長度對于GIS外部暫態(tài)VFTO的幅值影響最大其衰減過程在長電纜線路中會得到加速，陡度也會受到限制，傳遞到主變處的振蕩頻譜也會隨之降低。相比之下，VFTO幅值收到套管等效電容的影響則不大。在電容值增大的過程中VFTO的幅值變化不大只是略有上升。而在高壓電纜長度以及母線殘余電荷等不變的條件下，主變端部的VFTOTO幅值會隨著電壓等級的提高以及主變端口等效電容的增大而略有下降，但GIS內(nèi)部其他節(jié)點(diǎn)的過電壓幅值則基本不受影響。

1.3 VFTO的產(chǎn)生機(jī)理

1）GIS中的絕緣介質(zhì)SF6氣體的電子雪崩臨界值是空氣的3.7倍，為89×104kV/（m.MPa）。當(dāng)電壓上升的速率大于或等于SF6氣體的電子雪崩臨界值時就會出現(xiàn)預(yù)擊穿或者重?fù)舸话鉍IS中的SF6氣體的壓力在0.3-0.4MPa之間，因此其絕緣恢復(fù)強(qiáng)度要比常壓下空氣高出幾十倍，而且有很高的幅值。

2）在稍不均勻的電場下工作是GIS中所有電器元件的前提，在這個不均勻電場中形成的沖擊波，其上升時間Tr可以用式（1）表示。其中，Kt=50kVns/cm，為Toepkler火花常數(shù);△u是擊穿之前的電壓（kV）;s為火花長度（cm）。

T■=■（1）

2 快速暫態(tài)過電壓的危害

實(shí)踐證明，超高壓及特高壓GIS的隔離開關(guān)或斷路器操作所引起的VFTO將會造成GIS內(nèi)部的擊穿和外接設(shè)備的事故嚴(yán)重時會對電力系統(tǒng)造成極大的損失。

2.1 VFTO帶來的殼體暫態(tài)電位（TEV）和暫態(tài)地電位升高（TGPR）

國外曾有調(diào)查表明，有半數(shù)以上的超高壓GIS發(fā)生過TGPR引起的事故。雖然TGPR衰減的速度很快，但在不進(jìn)行限制的情況下仍然會產(chǎn)生火花放電，嚴(yán)重時甚至?xí)袵IS的外殼擊穿進(jìn)而威脅到運(yùn)行人員的人身安全。此外，TEV和TGPR還會對那些與GIS相連的保護(hù)、控制以及信號等二次回路造成干擾損壞。

2.2 VFTO對二次回路的影響一般是通過兩種途徑，其一是經(jīng)過電流和電壓互感器內(nèi)部的雜散電容傳入到與其相連的二次電纜，進(jìn)而影響到一次回路內(nèi)的設(shè)備;其二是經(jīng)過接地網(wǎng)從而進(jìn)入到二次電纜的屏蔽層，進(jìn)而影響到電纜芯線。由此可見，VFTO會使得GIS的二次電纜處于嚴(yán)重的電磁干擾環(huán)境中，極易對GIS的控制與保護(hù)設(shè)備的正常運(yùn)行造成影響。而隨著微機(jī)化、數(shù)字化以及智能化設(shè)備在二次回路中的應(yīng)用，其受到電磁于擾影響的概率大為提高，出現(xiàn)事故的可能性也大大增加了。

2.3 變壓器受到VFTO的影響是最大的，在VFTO以行波方式經(jīng)過母線傳播到套管時，其中一部分將耦臺到架空進(jìn)線上并沿線繼續(xù)傳播，從而對外接設(shè)備的絕緣造成威脅。VFTO陡波的波頭將會造成變壓器繞組上的極不均勻的匝間電壓分布，有根大的危害。其所含的諧波會引起諧振從而產(chǎn)生很高幅值的高頻諧振過電壓，對匝間以及鐵芯與繞組的絕緣造成破壞。例如我國某核電站的超高壓500kVGIS曾兩次發(fā)生VFTO造成主變壓器線餅燒損和絕緣損壞的嚴(yán)重事故，危害極大。

3 VFTO的防治

對于超高壓以及特高壓GIS中的快速暫態(tài)過電壓主要的防治技術(shù)有：

3.1 采用快速動作的隔離開關(guān)

從上文分析的VFTO產(chǎn)生機(jī)理可以看出，縮短隔離開關(guān)的切合時間能夠有效地減小重?fù)舸┑拇螖?shù)、縮短燃弧時間，從而降低VFTO出現(xiàn)的幾率。此外，還能使最高過電壓的倍數(shù)在一定程度上得到降低。

3.2 并聯(lián)合閘電阻

目前抑制操作過電壓比較有敢的辦法就是在隔離開關(guān)斷口上并聯(lián)合閘電阻（約幾百歐）。通過并聯(lián)電阻的阻尼作用可以使行波幅值降低、上升時間減緩。此外，并聯(lián)電阻還可以對電磁振蕩的能量進(jìn)行消耗。以超高壓500kVGIS為例，在隔離開關(guān)并聯(lián)200歐姆的合閘電阻能夠?qū)⑦^電壓的幅值降低至1.5以下;當(dāng)井聯(lián)1000歐姆閘電阻時，幅值降低到1.25左石。

3.3 改變運(yùn)行的操作流程以及簡化系統(tǒng)接線

通過改變運(yùn)行的操作流程以及簡化系統(tǒng)接線也能夠?qū)FTO有一定的抑制效果。因此可以考慮在超高壓及特高壓GIS的設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中有改變操作流程和簡化系統(tǒng)接線的相應(yīng)措施。

3.4 采用氧化鋅避雷器來進(jìn)行保護(hù)

也可以通過采用無間隙氧化鋅避雷器來對VFTO陡波電壓進(jìn)行限制但需要注意的是，單個避雷器的保護(hù)范圍是有限的，因此需要通過計(jì)算以及仿真分析來確定避雷器的安裝個數(shù)以及安裝地點(diǎn)，以保護(hù)整個GIS設(shè)備。

3.5 適當(dāng)增加觸頭間的不對稱度

適當(dāng)增加觸頭間的不對稱度可以有效降低殘余電荷，殘余電荷的降低方面可減少絕緣體表面所分布的不均勻自由導(dǎo)電粒子對絕緣強(qiáng)度的減弱;另一方面可減少重燃過程從而降低過電壓幅值。

3.6 其他防治方法

l）有研究表明，接地開關(guān)動作可以有效將VFTO的峰值限制在20pu左右，因此采用接地開關(guān)泄放殘余電荷也是防治VFTO的措施之一。

2）采用在GIS裝設(shè)電抗器的方式來防治VFTO。

3）為減小VFTO對二次設(shè)備的損害，可以采用屏蔽措施，或者在二次設(shè)備的入口處加裝高頻濾波器。

4 結(jié)論

超高壓及特高壓GIS中的VFTO對于GIS設(shè)備的母線支撐件、套管以及相連的二次回路，特別是主變壓器都能造成極大危害，會引起內(nèi)部的擊穿事故或外接設(shè)備的損壞。而目前針對VFTO的防治措施主要有采用快速動作的隔離開關(guān)、并聯(lián)合閘電阻、改變運(yùn)行的操作流程、簡化系統(tǒng)接線以及加裝氧化鋅避雷器等。這些防治措施能夠有效減緩VFTO波頭的上升速度，降低VFTO出現(xiàn)的概率，從而達(dá)到抑制VFTO的效果。

【參考文獻(xiàn)】

[1]高有華，孫形，申力.GIS中快速暫態(tài)過電壓的研究[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2008，4（1）.

[責(zé)任編輯：楊玉潔]