隔離開關多次重燃的VFTO計算模型

萬亦如，杜 鵑，劉 莊

（國網浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

目前，GIS設備已在我國特高壓、超高壓變電站廣泛應用，而分合閘隔離開關是變電站的例行操作，操作的概率和頻率都很大，因此出現特快速暫態過電壓（VFTO，Very Fast Transient Overvoltage）是不可避免的[1]。隔離開關觸頭間隙多次擊穿的過程，涉及觸頭間隙擊穿電壓、等效電容隨觸頭間距的變化特性，以及燃弧電阻的變化，能較好地反映隔離開關操作過程中VFTO的全波形。因此，本文提出隔離開關多次重燃的模型，為仿真計算隔離開關多次重燃下的VFTO提供研究思路。

1 隔離開關多次燃弧模型

隔離開關在每次操作過程中都會發生多次重燃，重燃取決于動靜觸頭兩端電壓差（恢復電壓）和當前動靜觸頭間距下的擊穿電壓。當恢復電壓大于擊穿電壓時，電弧重燃，燃弧電阻快速衰減；當高頻電流衰減完畢后，電弧熄滅，該次重燃結束。當恢復電壓再次大于擊穿電壓時，進入下一次重燃，周而復始，直至隔離開關操作結束。本研究根據上述機理，以平頂山某廠生產的特高壓隔離開關分閘操作為例，建立隔離開關多次燃弧模型。

在整個過程中，動靜觸頭間擊穿電壓隨著兩觸頭間距的變化而變化，是決定過電壓的關鍵；同時，燃弧電阻也是動態變化的，對過電壓有重要影響；動靜觸頭間存在斷口電容，在隔離開關操作過程中隨動靜觸頭間距而變化，會對負荷側殘余電壓產生影響。故本模型重點建立了這3個動態因素的模塊。

1.1 擊穿電壓模型

擊穿電壓隨動靜觸頭間距的增加而提高，總體而言，分閘時擊穿電壓由低變高，合閘時擊穿電壓由高變低。在均勻或稍不均勻的電場中，擊穿電壓與兩電極間距呈線性關系，現有研究一般也按擊穿電壓與動靜觸頭間距呈線性關系來處理。但SF6氣體中，動靜觸頭間的電場并不均勻，采用上述擊穿電壓的處理方法存在較大誤差。

SF6氣體中，不均勻電場間隙的擊穿電壓理論值[2]為：

式中：p為氣壓；S為電極距離；β為間隙利用系數，表征電場不均勻的程度；（E/p）kp=89×10-5p=ET，為均勻電場中擊穿場強的理論值。

圖1為無并聯電阻的特高壓隔離開關內部結構圖，圖2為根據圖1應用ANSOFT軟件計算繪制的隔離開關動靜觸頭間電場圖。由于隔離開關左右對稱，圖中只畫出了右邊部分，將動靜觸頭間電位差10等分，等電位部分顏色相同，兩種顏色分界線即等位線，擊穿一般發生在等位線最密集處，即圖3所示動觸頭與靜觸頭屏蔽罩之間的放大部位。間隙利用系數β可利用圖3計算。

圖1 無并聯電阻的特高壓隔離開關內部結構

圖2 特高壓隔離開關動靜觸頭間的電場分布

U1，U2為兩電極電壓，假設U2=0，ΔU為發生擊穿的兩電極間電壓差。平均場強為：

圖3 放大后的擊穿發生部位

式中：SAA′為A點的放電途徑A-A′。

繪出電位差為0.1ΔU的等位線，最高場強相應的等于：

SA為等位線較密集一端最靠近電極的那根等位線與電極間的放電途徑的距離。也可選擇繪制電位差0.05ΔU或更小的的等位線，則式（3）中的系數0.1也要相應變化。

在所研究的點上，間隙利用系數為：

將上式 βA代入式（1），式（1）中 S 即為 SAA′，得到不均勻電場中SF6氣體間隙的擊穿電壓為：

負極性的擊穿電壓與隔離開關分閘時間的關系曲線如圖4所示，擬合曲線表達式為：

Unp=（1.6×108×t+1.2×107）×t+2.2×105.

圖4 分閘時負極性擊穿電壓與分閘時間的擬合曲線

正極性擊穿電壓略低于負極性擊穿電壓，可見擊穿電壓近似于二次函數。

1.2 燃弧電阻模型

對于燃弧電阻的模型，通常僅考慮靜態電阻，但實際燃弧過程中，電弧并不是固定不變的。本文選用指數衰減形式的燃弧電阻模型，即：r=0.5+1012e-t/10-9，在擊穿的幾個納秒之內，電阻從接近無窮大衰減到0.5Ω。

1.3 斷口電容模型

操作隔離開關過程中，隔離開關斷口的電容隨著觸頭間距的增大而減小，分閘時斷口電容由大變小，合閘時斷口電容由小變大。應用AN SOFT軟件建立特高壓GIS隔離開關模型[3]，模型同圖2，應用ANSOFT的電容計算功能，得出分閘過程中動靜觸頭間的斷口電容與分閘時間的關系如圖5所示，擬合曲線表達式為：

圖5 分閘時間與隔離開關斷口電容的關系曲線

1.4 隔離開關多次燃弧模型

應用電磁暫態分析軟件EMTP構建隔離開關多次燃弧的電路，如圖6所示。左端與右端之間為隔離開關多次燃弧模型，下側Ct支路為動態變化的斷口電容，上側RARC支路為動態變化的燃弧電阻，左端表示系統電源，右端對地電容表示負荷側孤島。

測量左端與右端兩點間電壓差（恢復電壓），通過外部的邏輯判斷模塊與擊穿電壓進行比較，若恢復電壓大于擊穿電壓，邏輯判斷模塊控制燃弧電阻從無限大開始迅速衰減，從而起到接通電路的作用。測量左端與右端間高頻電流衰減完畢后，邏輯判斷模塊控制燃弧電阻又恢復無限大，起到斷開電路的作用，該次重燃結束。邏輯判斷模塊進入下一個比較恢復電壓與擊穿電壓的判斷過程，如此循環，直至分閘過程結束。

圖6 隔離開關多次燃弧的仿真電路

2 仿真結果分析

在系統電源相角為0°時開始分閘，圖7為隔離開關恢復電壓與擊穿電壓的關系，當恢復電壓到達正極性或負極性的擊穿電壓值后，發生擊穿，恢復電壓瞬時降為零，即圖中的垂直線部分。圖8為負荷側末端（End處）VFTO波形，重燃瞬間產生尖峰過電壓，重燃時間極短，電弧熄滅后負荷側等效對地電容上的電壓幾乎不發生改變，因此形成了獨特的“臺階”狀電壓波形。在電壓峰值處，電壓變化速率較慢，重擊穿發生概率較小，但產生過電壓幅值較高；工頻電壓過零時，電壓變化速率較快，重擊穿發生的概率較大，但過電壓幅值并不高。分閘初期，動靜觸頭間距較小，擊穿電壓也較小，因此VFTO值也較小，且擊穿較頻繁；隨著動靜觸頭間距的增大，擊穿電壓相應增大，VFTO值也越來越大，最大的VFTO往往發生在觸頭拉開一定距離以后，該距離已較大但仍不至于大到擊穿電壓超過2 p.u.，最大VFTO幅值在1.95 p.u.左右。

圖7 隔離開關擊穿電壓和恢復電壓波形

圖8 負荷側末端（End）VFTO波形

3 結語

引入間隙利用系數，介紹了隔離開關不均勻電場間隙的擊穿電壓計算方法，計算了隔離開關分閘過程中隔離開關動靜觸頭不同距離下的擊穿電壓、觸頭間的等效電容。進而建立了包含擊穿電壓、燃弧電阻、斷口電容等動態因素模塊的特高壓GIS隔離開關多次重燃模型，有利于更準確地計算多次重燃下的VFTO幅值與波形，為評估VFTO危害性并制定有效的抑制措施提供了可靠依據。

[1]萬亦如，陳光，陳稼苗.交流特高壓GIS變電站的VFTO研究[J].華東電力，2010，38（7）∶1043-1047.

[2]波爾捷夫.高壓SF6開關設備的設計與計算[M].北京：機械工業出版社，1979.

[3]林莘.現代高壓電器技術[M].北京∶機械工業出版社，2002.