核電廠GIS中快速暫態過電壓（VFTO）的影響及分析

王濤

摘 要：隨著GIS在核電廠的廣泛應用，快速暫態過電壓（VFTO）的危害引起了普遍的重視。特別是對于330kV以上的GIS，故障率有明顯增加的趨勢。目前國內外對500 kV及以上的VFTO的特性、影響及防護措施做了大量的研究工作，為核電廠GIS中VFTO影響的研究提供了良好的參考和借鑒。但是隨著GIS制造技術的進步，與早期相比，其結構與元件均發生了很大的變化，如GIS的“小型化”和“緊湊型”的出現，導致VFTO特性的改變，因此結合目前核電廠中GIS運行的具體情況，研究GIS中快速暫態過電壓的影響具有非常重要的現實意義。

關鍵詞：GIS VFTO 隔離開關 過電壓

中圖分類號：TM62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）06（b）-0045-03

1992年6月廣核大亞灣核電站對兩臺三相500 kV/900MVA有載聯絡變壓器進行空載試驗時發生事故，導致變壓器絕緣被擊穿、變壓器燒毀。經分析，事故原因是與變壓器高壓側直接相連的500 kV GIS內隔離開關操作時產生了VFTO，致使在合閘瞬間500 kV變壓器高壓繞組的第一段發生了匝間絕緣擊穿。

GIS（Gas Insulated Substation），又稱全封閉組合電器，因其具有結構緊湊、占地少、運行可靠、維護工作少等特點，在核電廠中一致有著廣泛的運用。在目前核電廠運行的GIS設備中，按照電壓等級分主要有220kV和500kV兩種。

VFTO（Very Fast Transient Overvoltage），又稱快速暫態過電壓，經常發生于GIS中的隔離開關、斷路器等開關設備的操作期間。VFTO的振蕩頻率往往高達幾十兆甚至上百兆赫茲，對GIS設備本身以及與GIS相連的設備都有著極大的危害。

研究發現，在300 kV以下電壓等級的GIS中沒有發生過與操作有關的問題，因此電壓等級在300 kV以下的GIS暫沒有必要進行VFTO方面的專門研究。本文重點論述500KV GIS中VFTO的成因及其影響。

1 VFTO的成因及特點

1.1 VFTO的成因

VFTO主要成因是由于GIS中隔離開關、斷路器的分合操作以及帶電線路的對地放電。GIS中的斷路器帶有專門的滅弧室，所以由斷路器的分合引發高幅值VFTO的可能性較小。而GIS中的隔離開關一般僅要求具有切合小電容性電流的能力，且沒有專門的滅弧裝置，所以由隔離開關的操作引發的VFTO在電廠中較為常見且較為嚴重。

以隔離開關合上一段不帶電的GIS回路為例來具體說明VFTO的產生過程。隔離開關閉合時，當觸頭間距離漸漸縮短，電源側電壓達到一定值時，隔離開關觸頭間的氣隙會發生首次擊穿，形成電壓的劇烈振蕩。該電弧在受觸頭運動、GIS內六氟化硫氣體滅弧等因素影響下，很快就熄滅，燃熄弧周期很短。發生首次擊穿后，原本不帶電的GIS回路帶電，使隔離開關觸頭兩側電壓相同，分閘后電源側電壓仍按電網工頻電壓變化，而GIS側電壓則會慢慢衰減。隨著隔離開關閉合時間的推移，觸頭之間的距離越來越小，當兩觸頭間的距離近到一定程度時，由觸頭距離決定的耐壓強度低于當時兩觸頭間的電壓之差（又稱恢復電壓），兩觸頭之間的氣隙被第二次擊穿，形成第二次電壓振蕩，也會出現第二次電弧重燃和熄滅的過程。待第二次擊穿過程結束后，隔離開關觸頭間電壓又重新恢復建立起來。反復如此，直至隔離開關兩觸頭達到緊密結合為止。在這個過程中隨著觸頭間距離越來越短，擊穿電壓也越來越低，由擊穿產生的振蕩電壓也隨之降低。

多次擊穿現象同樣也會發生在隔離開關的分斷過程中，擊穿次數主要取決于觸頭的運動速度和分閘時間。與隔離開關閉合過程不同的是，由于分閘過程期間兩觸頭的距離越來越大，間隙擊穿所需的電壓也越來越高，兩次擊穿間的時間間隔也隨之增長。

根據上述分析可以看出，因GIS隔離開關觸頭的分合速度比較慢（通常只有3～10 cm/s），相對于電力系統頻率來說太低，又沒有專門的滅弧裝置，所以在分合小電容電流的操作時，在觸頭分開或閉合的過程中，隔離開關觸頭間的氣隙不可避免地會發生反復擊穿或者預擊穿的情況，而每一次擊穿和電弧重燃都極有可能引起VFTO。此外，由于GIS的絕緣結構緊湊，相應的線路長度較小，行波時間很短，因此這種VFTO的波形起始部分很陡，頻率很高，達到幾十兆甚至上百兆赫茲，波形初始前沿在3～200 ns時過電壓幅值可能會達到2～3倍額定電壓。

VFTO的行波前沿陡度很大，即使在距離很近的兩個設備上，過電壓幅值也會有明顯的差別，所以避雷器幾乎沒有保護作用。若GIS內存在金屬微粒或受損電極等因素，在操作隔離開關時就有可能引起GIS內的擊穿事故。

同時，因為VFTO的頻率很高，VFTO行波在GIS中傳輸時，電流的集膚效應使得電荷集中在導體的外表面和設備外殼的內表面。當VFTO行波傳輸到GIS與外連線路（架空線或GIL）的連接處時，行波的一部分沿著GIS外殼形成對地的回路，使外殼的對地電位升高；另一部分會沿著套管的傳輸到架空線或GIL上，對與架空線或GIL相連的其他設備（如核電廠主變壓器）造成進一步危害。

1.2 VFTO的特點

經研究，VFTO的典型波形如下圖所示：

從中可以看出VFTO的特點：

（1）行波前沿很陡，其上升時間很短，通常為納秒級，相對于雷電沖擊電壓的波前時間要短很多。這是因為在一般情況下，GIS中的電氣元件均是在稍微不均勻的電場下工作，只有在六氟化硫的間隙出現先導型放電時才會造成擊穿，所以當隔離開關觸頭間隙發生擊穿的時候，電弧的燃熄過程非常迅速，使得產生的電壓波形上升或下降陡度很大。

（2）VFTO的電壓幅值并不高，盡管理論上VFTO的幅值最大可達3倍額定電壓，但實測和模擬試驗均證明VFTO一般不超過2倍額定電壓，最高也不會超過2.5倍的額定電壓。endprint

（3）VFTO波形中部分分量的頻率很高。這是因為GIS中相鄰電氣設備的間距和母線長度相對較小，VFTO行波在GIS中以接近光速的速度傳輸，中間有很多復雜的折射、反射和疊加，所需時間非常短，使得VFTO振蕩頻率很大。

2 VFTO的危害

2.1 對GIS內部的危害

VFTO對GIS的內部絕緣，尤其是盆式絕緣子的危害極大。

雖然目前世界上各個GIS設備制造廠在設計、制造時都能做到讓GIS盆式絕緣子耐受VFTO的能力高于耐受雷電沖擊的能力，但是在GIS運行期間中還是多次發生因VFTO而引發的故障或事故。多年的設備運行經驗表明，GIS中的盆式絕緣子通常是GIS絕緣中最薄弱的環節，其根本原因是因為GIS在部件加工、裝配或者開關操作時產生了導電微粒。導電微粒附著在絕緣子表面時，形成了GIS內部局部電場集中，使得受到VFTO作用的絕緣子表面放電電壓低于雷電作用下的表面放電電壓，從而產生放電，破壞絕緣。研究結果表明，當GIS中的盆式絕緣子表面無導電微粒附著時，VFTO作用下的六氟化硫氣隙擊穿電壓并不比其在雷電作用下的擊穿電壓低。而當絕緣子表面存在導電微粒聚集等原因造成的局部電場集中時，即使在六氟化硫的實際應用氣壓范圍（0.3～0.5 MPa）內，受到VFTO作用的絕緣子表面放電電壓也遠低于雷電作用下的表面放電電壓。

另外，在GIS母線內的導電微粒在交流電壓的作用下會發生跳動，微粒在跳動時一旦與母線導電桿接觸則會吸附在其表面，造成該處的絕緣耐壓強度降低。通過研究發現，導電微粒越長則絕緣破壞程度越大。

2.2 對GIS外部的危害

VFTO對GIS 外部電氣設備如核電廠主變壓器、架空線路絕緣均有較大危害，并會造成二次設備的干擾甚至損壞。

VFTO對核電廠主變壓器最主要的危害是在于其行波前沿極大的陡度對主變壓器首端繞組匝間絕緣的破壞。當VFTO行波通過母線傳播到套管時，VFTO行波一部分會耦合到架空線（或GIL）上，并沿架空線（或GIL）傳播至相連的設備上。當VFTO行波傳輸傳至主變壓器繞組時，因為繞組存在對地雜散電容，VFTO會引起變壓器繞組匝間的電壓分布不均勻，尤其是繞組首端的匝間電壓遠大于其他部分的匝間電壓，極可能造成首端匝間絕緣擊穿。另一方面，VFTO高達數十兆赫茲的行波進入變壓器后可能會引起變壓器內部的電磁振蕩，引起內部過電壓，也會對變壓器繞組的匝間絕緣造成破壞，進而威脅變壓器的安全運行。

此外，VFTO行波一部分會耦合在GIS殼體與地之間，造成GIS裝置危險的暫態地電位升高和殼體暫態電位升高，這兩種暫態電壓的升高會引起與GIS相連的控制、保護和信號傳輸等二次設備的干擾甚至損壞。同時，由于VFTO而產生的外部暫態高頻電磁場會從GIS殼體和架空線（或GIL）向四周輻射，周圍的電子設備都會受到該電磁場的影響。

3 VFTO的影響因素

根據VFTO的成因及特點，我們可以分析影響VFTO的主要因素。

3.1 隔離開關并聯電阻的影響

研究表明，在GIS隔離開關中裝設并聯電阻（又稱分合閘電阻）可以有效的抑制GIS中各節點的VFTO幅值，同時也可以有效的對VFTO高頻分量起到阻尼作用，降低VFTO波形的陡度。如圖3所示。

3.2 剩余電壓對VFTO的影響

剩余電壓與GIS負載側電容性電流大小、隔離開關分合閘速度以及GIS母線上的泄漏相關，其中電容性電流的影響最為顯著。實驗表明，GIS負載側電容電流越大，負載上儲存的殘留電荷就越多，使得剩余電壓越高。特別是當負載側與電源側電壓為反極性時，隔離開關觸頭間隙擊穿前的電壓差很大，使得產生的VFTO幅值很高。

3.3 GIS支路長度對VFTO的影響

目前為止，各種研究還未發現GIS支路的長度對VFTO過電壓幅值的影響有明顯的規律，這主要是因為VFTO行波的最大幅值是行波在GIS支路上折、反射過程中反復疊加而成的，支路長度的變化一定會引起折、反射時間和過程的變化，使得行波的疊加更為復雜，所以支路長度對VFTO過電壓幅值的影響并沒有確定的規律。但是，相對于不同的母線段長度，GIS中支路不同位置的過電壓幅值可能會相差50%以上。甚至在某些情況下，支路長度很小的改變都會引起VFTO過電壓幅值的巨大變化。

3.4 變壓器入口電容對VFTO的影響

核電廠500KV主變壓器的入口電容一般都在4000pF以上，電廠電力系統VFTO的幅值會隨變壓器入口電容的增大而增大。此外，當變壓器入口電容一定時，系統不同節點處VFTO的幅值相差也會較大，在設置保護時應特別注意保護VFTO幅值較高的節點。

3.5 避雷器對VFTO的影響

需要說明的是，目前在GIS上廣泛使用的氧化鋅避雷器對VFTO幾乎沒有多少限制作用。在模擬試驗和計算中，避雷器可以等效于一組并聯在變壓器旁的電容（因避雷器本身具有對地雜散電容）和非線性電阻，由于VFTO的電壓幅值不大而且行波前沿時間很短，使得避雷器中非線性電阻里流過的電流很小，流過避雷器的電流會以電容性電流為主，而電阻性電流很小。一般情況下，避雷器閥片的最大阻性電流不足10A。根據避雷器計數器特性可以知道，在這種情況下避雷器的計數器不會動作。但是，在發生VFTO時避雷器計數器也會動作，其原因主要是因為VFTO在避雷器的等效電容上產生了一連串的數十安培，甚至更大的電容電流，該電流通過避雷器時導致計數器動作。

雖然氧化鋅避雷器對VFTO無明顯的限制作用，但是實踐表明，避雷器對VFTO產生的暫態地電位升高和GIS殼體暫態電位升高均有一定的抑制作用。

4 如何抑制VFTO

針對VFTO的成因和影響因素，可以從GIS設計、制造以及操作等幾個方面對VFTO進行抑制。endprint

4.1 在隔離開關裝設并聯電阻（又稱分合閘電阻）是目前較為常用的抑制VFTO的措施

這是目前各主要GIS制造廠抑制VFTO的通用辦法。其原理是通過機械方法使電阻觸頭在隔離開關合閘操作時先于主觸頭閉合，在隔離開關分閘操作時晚于主觸頭分閘，從而使得分合閘電阻在隔離開關分合閘的整個過程中都是串聯在回路中的，對VFTO起到了較好的抑制作用。實驗表明，通過選用適當的電阻阻值（約幾百歐，需根據具體情況計算得出），可以將VFTO幅值降至1.2倍額定電壓以下。

分合閘電阻安裝位置如圖4。

4.2 通過優化GIS設備的制造工藝和內部結構來防止因導電微粒造成的局部絕緣水平下降

首先，在GIS的結構設計上會考慮即使出現導電微粒，也不會對GIS的絕緣水平造成影響，或者至少將影響降至最低。制造廠在設計GIS外殼尺寸時，考慮到導電微粒在GIS內部的運動特性，在絕緣子附近會設置捕捉微粒的陷阱，使微粒在交流電場作用下的跳動不足以與導電桿接觸。同時在絕緣子內部設置屏蔽，減弱絕緣子附近的電場強度，使得落入陷阱的微粒不容易吸附在絕緣子上。具體結構優化形式見下圖：

其次，從工藝設計上確保不產生導電微粒。如在圖樣上要求零件要去尖角毛刺，并且檢查是否產生二次毛刺；避免使用不適當的材料，如鋁材上加工的螺紋容易產生鋁屑；裝配圖上指出容易產生導電微粒的地方并要求檢查等。

還有，在制造環節盡量減少導電微粒的產生，防止微粒進入GIS內部。如零件端部倒圓角，及時清洗零部件，在滅弧車間裝配，裝配完成后利用超聲波檢測等措施來實施對導電微粒的控制。

此外，設計時應盡量提高隔離開關觸頭的分合速度。這樣可以減少重燃次數、縮短燃弧時間，使出現VFTO的機率減少，同時，也可以在一定程度上降低最高過電壓的倍數。

4.3 通過優化GIS操作來降低出現VFTO的可能性

空載母線越長，其上的殘余電荷越多，剩余電壓就越高，產生VFTO的可能性就越高。所以應規范操作人員的操作方式，不要通過隔離開關操作較長的GIS母線，以降低VFTO出現的概率。

操作人員應定期利用接地開關泄放殘余電荷，降低剩余電壓，也能達到降低VFTO出現可能性的作用。研究表明，利用接地開關泄放殘余電荷，能把VFTO峰值有效地限制在2倍額定電壓以下。

5 結語

VFTO問題的研究已成為近年來國內外高壓電工領域的一個非常重要的課題。1988年國際大電網會議（CIGRE）在全球范圍內進行的GIS用戶調查報告中明確指出：GIS隔離開關操作產生的VFTO的確能造成套管和主變壓器的絕緣擊穿。近年來，國內對于500 KV等級及以上GIS中VFTO的影響和危害也做了較為深入的研究。鑒于500 KV等級的GIS已成為國內核電廠的重要電力設備，這些研究都為研究分析國內核電廠GIS中VFTO對周邊設備的影響奠定了良好的基礎。本文通過對GIS內VFTO的成因以及波形特點分析，提出了幾種常用的抑制VFTO的方法。作為核電廠的運營方，對于VFTO對設備的危害應給予重點關注，在設備采購、安裝、調試以及后續運行中都要時刻注意避免或者降低產生VFTO的概率。

參考文獻

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[4] 王曉林，蕭風良.GIS中的快速暫態過電壓及影響因素分析[J].高壓電器，1989 （5）：20-24.

[5] Boggs S.A. et al. Techniques and instrumentation for measurement of transients in gas-insulated switchgear[J].IEEE，1984， EI-19（2）：87-92.endprint

4.1 在隔離開關裝設并聯電阻（又稱分合閘電阻）是目前較為常用的抑制VFTO的措施

這是目前各主要GIS制造廠抑制VFTO的通用辦法。其原理是通過機械方法使電阻觸頭在隔離開關合閘操作時先于主觸頭閉合，在隔離開關分閘操作時晚于主觸頭分閘，從而使得分合閘電阻在隔離開關分合閘的整個過程中都是串聯在回路中的，對VFTO起到了較好的抑制作用。實驗表明，通過選用適當的電阻阻值（約幾百歐，需根據具體情況計算得出），可以將VFTO幅值降至1.2倍額定電壓以下。

分合閘電阻安裝位置如圖4。

4.2 通過優化GIS設備的制造工藝和內部結構來防止因導電微粒造成的局部絕緣水平下降

首先，在GIS的結構設計上會考慮即使出現導電微粒，也不會對GIS的絕緣水平造成影響，或者至少將影響降至最低。制造廠在設計GIS外殼尺寸時，考慮到導電微粒在GIS內部的運動特性，在絕緣子附近會設置捕捉微粒的陷阱，使微粒在交流電場作用下的跳動不足以與導電桿接觸。同時在絕緣子內部設置屏蔽，減弱絕緣子附近的電場強度，使得落入陷阱的微粒不容易吸附在絕緣子上。具體結構優化形式見下圖：

其次，從工藝設計上確保不產生導電微粒。如在圖樣上要求零件要去尖角毛刺，并且檢查是否產生二次毛刺；避免使用不適當的材料，如鋁材上加工的螺紋容易產生鋁屑；裝配圖上指出容易產生導電微粒的地方并要求檢查等。

還有，在制造環節盡量減少導電微粒的產生，防止微粒進入GIS內部。如零件端部倒圓角，及時清洗零部件，在滅弧車間裝配，裝配完成后利用超聲波檢測等措施來實施對導電微粒的控制。

此外，設計時應盡量提高隔離開關觸頭的分合速度。這樣可以減少重燃次數、縮短燃弧時間，使出現VFTO的機率減少，同時，也可以在一定程度上降低最高過電壓的倍數。

4.3 通過優化GIS操作來降低出現VFTO的可能性

空載母線越長，其上的殘余電荷越多，剩余電壓就越高，產生VFTO的可能性就越高。所以應規范操作人員的操作方式，不要通過隔離開關操作較長的GIS母線，以降低VFTO出現的概率。

操作人員應定期利用接地開關泄放殘余電荷，降低剩余電壓，也能達到降低VFTO出現可能性的作用。研究表明，利用接地開關泄放殘余電荷，能把VFTO峰值有效地限制在2倍額定電壓以下。

5 結語

VFTO問題的研究已成為近年來國內外高壓電工領域的一個非常重要的課題。1988年國際大電網會議（CIGRE）在全球范圍內進行的GIS用戶調查報告中明確指出：GIS隔離開關操作產生的VFTO的確能造成套管和主變壓器的絕緣擊穿。近年來，國內對于500 KV等級及以上GIS中VFTO的影響和危害也做了較為深入的研究。鑒于500 KV等級的GIS已成為國內核電廠的重要電力設備，這些研究都為研究分析國內核電廠GIS中VFTO對周邊設備的影響奠定了良好的基礎。本文通過對GIS內VFTO的成因以及波形特點分析，提出了幾種常用的抑制VFTO的方法。作為核電廠的運營方，對于VFTO對設備的危害應給予重點關注，在設備采購、安裝、調試以及后續運行中都要時刻注意避免或者降低產生VFTO的概率。

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4.1 在隔離開關裝設并聯電阻（又稱分合閘電阻）是目前較為常用的抑制VFTO的措施

這是目前各主要GIS制造廠抑制VFTO的通用辦法。其原理是通過機械方法使電阻觸頭在隔離開關合閘操作時先于主觸頭閉合，在隔離開關分閘操作時晚于主觸頭分閘，從而使得分合閘電阻在隔離開關分合閘的整個過程中都是串聯在回路中的，對VFTO起到了較好的抑制作用。實驗表明，通過選用適當的電阻阻值（約幾百歐，需根據具體情況計算得出），可以將VFTO幅值降至1.2倍額定電壓以下。

分合閘電阻安裝位置如圖4。

4.2 通過優化GIS設備的制造工藝和內部結構來防止因導電微粒造成的局部絕緣水平下降

首先，在GIS的結構設計上會考慮即使出現導電微粒，也不會對GIS的絕緣水平造成影響，或者至少將影響降至最低。制造廠在設計GIS外殼尺寸時，考慮到導電微粒在GIS內部的運動特性，在絕緣子附近會設置捕捉微粒的陷阱，使微粒在交流電場作用下的跳動不足以與導電桿接觸。同時在絕緣子內部設置屏蔽，減弱絕緣子附近的電場強度，使得落入陷阱的微粒不容易吸附在絕緣子上。具體結構優化形式見下圖：

其次，從工藝設計上確保不產生導電微粒。如在圖樣上要求零件要去尖角毛刺，并且檢查是否產生二次毛刺；避免使用不適當的材料，如鋁材上加工的螺紋容易產生鋁屑；裝配圖上指出容易產生導電微粒的地方并要求檢查等。

還有，在制造環節盡量減少導電微粒的產生，防止微粒進入GIS內部。如零件端部倒圓角，及時清洗零部件，在滅弧車間裝配，裝配完成后利用超聲波檢測等措施來實施對導電微粒的控制。

此外，設計時應盡量提高隔離開關觸頭的分合速度。這樣可以減少重燃次數、縮短燃弧時間，使出現VFTO的機率減少，同時，也可以在一定程度上降低最高過電壓的倍數。

4.3 通過優化GIS操作來降低出現VFTO的可能性

空載母線越長，其上的殘余電荷越多，剩余電壓就越高，產生VFTO的可能性就越高。所以應規范操作人員的操作方式，不要通過隔離開關操作較長的GIS母線，以降低VFTO出現的概率。

操作人員應定期利用接地開關泄放殘余電荷，降低剩余電壓，也能達到降低VFTO出現可能性的作用。研究表明，利用接地開關泄放殘余電荷，能把VFTO峰值有效地限制在2倍額定電壓以下。

5 結語

VFTO問題的研究已成為近年來國內外高壓電工領域的一個非常重要的課題。1988年國際大電網會議（CIGRE）在全球范圍內進行的GIS用戶調查報告中明確指出：GIS隔離開關操作產生的VFTO的確能造成套管和主變壓器的絕緣擊穿。近年來，國內對于500 KV等級及以上GIS中VFTO的影響和危害也做了較為深入的研究。鑒于500 KV等級的GIS已成為國內核電廠的重要電力設備，這些研究都為研究分析國內核電廠GIS中VFTO對周邊設備的影響奠定了良好的基礎。本文通過對GIS內VFTO的成因以及波形特點分析，提出了幾種常用的抑制VFTO的方法。作為核電廠的運營方，對于VFTO對設備的危害應給予重點關注，在設備采購、安裝、調試以及后續運行中都要時刻注意避免或者降低產生VFTO的概率。

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