考慮VFTO特性的GIS絕緣配合

孫 蕾，張 璐，李 佳

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2.國網陜西省電力公司電力科學研究院,西安 710199)

0 前 言

SF6氣體絕緣開關設備(Gas Insulated Switchgear， GIS)[1-2]中隔離開關的操作常會引起眾多快速暫態現象，尤其是頻率至100 MHz，幅值標幺值高達2.5 p.u.的快速暫態過電壓(Very Fast Transient Overvoltage，VFTO)[3-4]。VFTO具有幅值高、波前陡、振蕩頻率高等特點，嚴重威脅GIS的安全運行。

GIS運輸裝配過程中可能出現電極表面刮傷、導電微粒進入等各類缺陷[5]，這些缺陷嚴重畸變了GIS內部電場，使其在VFTO下擊穿電壓迅速降低。

330 kV及以上電壓等級系統中VFTO引發的絕緣事故多次發生，事故率已超過了雷電和操作過電壓引起的事故率[6]。然而，VFTO下GIS絕緣特性研究還比較缺乏，絕緣配合依據仍是設備的雷電沖擊耐受電壓，存在很大的盲目性。因此，VFTO作用下GIS絕緣配合方法的研究成為當前研究熱點[7-10]，這對GIS設備的安全可靠運行具有重要工程應用價值。

本文提出了考慮VFTO特性的GIS絕緣配合方法，給出了特高壓GIS考慮VFTO特性時的絕緣配合實例，為VFTO下GIS絕緣配合提供借鑒。

1 絕緣配合基本方法

電力設備的絕緣配合要在技術上處理好作用電壓、限制過電壓的措施和絕緣耐受能力三者之間的相互配合關系。絕緣配合的方法有慣用法、統計法和簡化統計法3種[11]。

(1) 慣用法是依據作用在設備絕緣上的“最大過電壓”和設備的“最低放電電壓”，并考慮適當安全裕度的概念進行絕緣配合的習慣方法。首先確定設備的最大過電壓，然后根據運行經驗乘以一個考慮各種影響因素和一定裕度的系數，即所謂配合系數以補償在估計最大過電壓和最低放電電壓時的誤差，據此確定絕緣應耐受的電壓水平。

(2) 采用慣用法進行絕緣配合，對絕緣要求過于嚴苛、經濟性差。因此國內外相繼推薦使用統計法確定某些自恢復絕緣的耐壓水平。

設f0(u)為過電壓幅值的概率密度函數，P(u)為放電電壓概率分布函數，如圖1所示。出現一次過電壓且絕緣發生放電的概率為[11]：

(1)

式中：R稱為絕緣故障率，即圖1中陰影線面積。統計法就是從上述計算出發，按照為達到一定運行可靠性而確定的絕緣故障率要求，選擇絕緣尺寸。影響統計法的隨機因素較多，按照公式(1)算出的故障率大于實際情況，因此該方法有待進一步完善。

圖1 絕緣故障率估算方法圖

(3) 簡化統計法假定過電壓及絕緣放電概率均服從正態分布，標準偏差分別為σ0及σi，則過電壓概率密度函數f0(u)及絕緣放電的概率函數P(u)如下：

(2)

(3)

則絕緣故障率為：

(4)

2 考慮VFTO特性的絕緣配合方法

傳統絕緣配合一般只考慮操作電壓和雷電過電壓。但隨著電壓等級提高，系統額定雷電沖擊耐受電壓(Lightning Impulse Withstand Voltage, LIWV)和額定工作電壓之間的比值越來越小，LIWV和VFTO之間的差異逐漸減小，VFTO引起的絕緣事故率也逐漸增加。圖2給出了不同電壓等級下GIS和HGIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)中VFTO計算結果[12]。圖2中，曲線為額定耐受電壓值，不同類型的點為VFTO計算值。可見，VFTO的最大計算值可能達到雷電沖擊耐受水平。

圖2 額定耐受電壓及計算VFTO值與額定電壓關系圖

標稱電壓/kVUVFTO/p.u.ULIWV/(kV/p.u.)裕度系數ULIWV/UVFTO3301.5^2.81175/3.962.64^1.415001.5^2.81675/3.732.49^1.337501.5^2.82100/3.212.14^1.1510001.39^2.092400/2.671.92^1.28

表1為中國超特高壓設備的LIWV與系統VFTO間的裕度系數[13]。可見，電壓等級提高后，系統的LIWV與系統VFTO之間的裕度系數呈減小趨勢，特高壓下，系統面臨VFTO引起的絕緣危害更加嚴峻。

由于VFTO的形成與GIS結構和行波傳播、疊加有很大關系，因此不能給出適用于所有變電站的VFTO最大值。對變電站，尤其是特高壓變電站進行精確仿真，是進行VFTO下絕緣配合的必要前提。

2.1 中國和日本的絕緣配合現狀

日本的GIS一部分位于山上，采用緊湊型全GIS以減小占地面積。該方案關鍵在于抑制各種過電壓。變電站中采用高性能避雷器及帶有分合閘電阻的隔離開關和斷路器限制過電壓幅值，達到降低絕緣強度的要求。因此，日本的特高壓工程中GIS和變壓器雷電沖擊耐受電壓較低，分別定為2 250 kV和1 950 kV。為此，VFTO幅值需限制到1.3 p.u.以下，經試驗和計算，需在隔離開關處安裝500 Ω分合閘電阻[14]。

為使電網運行更安全，中國絕緣配合更偏嚴格。一般在最嚴酷條件(即母線殘余電壓為-1.0 p.u.)下，計算變電站VFTO幅值，再將計算值與設備LIWV比較。同時，引入綜合絕緣配合系數。除在半GIS中安裝的空氣絕緣母線管道外，其它設備的絕緣配合系數均設定為1.15。VFTO下的絕緣耐受水平與相應設備LIWV除以絕緣配合系數相等。若計算得到的VFTO幅值高于相應的LIWV，采取抑制VFTO的措施。綜合各種因素，中國采用特高壓GIS額定LIWV為2 400 kV，高于日本的2 250 kV。

2.2 考慮VFTO的絕緣配合一般方法

研究分析上述不同情況，宜采用以下一般性的絕緣配合方法。

圖3為基于IEC60071-1中基本絕緣配合方法[12]得到的考慮VFTO特性的絕緣配合流程圖。

(1) VFTO計算

GIS可看成是由不同形式傳輸線網絡連接起來的電路模型。仿真計算的準確性取決于單獨GIS部件模型的準確性。為了在納秒(ns)時間量級獲得復雜GIS結構的合理仿真結果，必須對其內部及外部元件建立精確仿真模型。GIS單獨組件的精確建模可確保高精度復現VFTO波形。圖4為文獻[15]給出的隔離開關合閘時負載側短母線末端VFTO的計算和測量結果。

圖3 考慮VFTO特性的絕緣配合流程圖

圖4隔離開關合閘時負載側末端VFTO計算和測量值圖

可見，仿真計算的VFTO主振蕩頻率與實測結果基本相同。實測最大VFTO幅值約為2.12 p.u.，仿真最大幅值為2.27 p.u.，仿真計算精度較高。計算VFTO幅值時，必須考慮隔離開關負載側殘余電壓的大小。以往研究表明：99%的殘余電壓都小于0.4 p.u.，相應產生的VFTO一般小于1.7 p.u.，最嚴苛情況下會達到2.0 p.u.。殘余電壓分布與開關操作速度密切相關，文獻[12]給出了仿真結果，如圖5所示。可見，殘余電壓與隔離開關速度密切相關，以往采用-1.0 p.u.殘余電壓的假設導致絕緣配合過于嚴苛。

圖5 隔離開關速度對殘余電壓幅值的影響圖

(2) VFTO耐受水平確定

絕緣配合的基礎是計算所需VFTO耐受電壓水平。VFTO下絕緣耐受強度與雷電沖擊耐受電壓及絕緣配合系數Kc、安全系數Ks、波形轉換系數Ktc等相關。配合系數Kc與殘余電荷統計分布、仿真誤差等因素相關。安全系數與GIS設備產品質量、組裝和安裝的差異，絕緣老化等因素相關。波形轉換系數Ktc與絕緣在VFTO下的耐受強度相關。

在設計良好的GIS中進行隔離開關例行操作，不會出現由VFTO引起的絕緣擊穿事故。但是，絕緣的不規則如突起物的出現會降低擊穿電壓。低幅值VFTO下的擊穿概率非常低，隨VFTO振蕩頻率和電場不均勻度的增加，擊穿概率增大。VFTO耐受水平與雷電沖擊耐受水平進行對比是GIS設計的基礎。對于良好絕緣系統而言，VFTO耐受水平較雷電沖擊耐受水平高，而對于有缺陷的絕緣系統，VFTO擊穿電壓可能低于標準雷電波下擊穿電壓，波形轉換系數Ktc會小于1[8]。

此次研究過程中，兩組病人接受單天200毫克與100毫克劑量的黃體酮治療，并在用藥十天后停止用藥，結論表明這兩組病人的治療總有效率無明顯差異，P>0.05，證明兩種用藥方案的療效相似且有效。但低劑量組的病人其用藥后副反應的發病率顯著少于高劑量組病人，P<0.05，提示低劑量用藥的安全程度更高。由此可知，針對無排卵型月經失調時選擇孕激素用藥方案，且孕激素劑量與病人子宮內膜厚度呈正相關關系，治療子宮內膜偏薄的病人時，可根據其自身具體病情合理調節用藥劑量。使用較低劑量的黃體酮，療效仍令人滿意，且安全程度高，副反應發病率小，推薦臨床大范圍使用。

(3) 依據絕緣配合采取的措施

若仿真計算或統計實測得到的VFTO幅值高于設備絕緣耐受水平值，須采取措施降低設備故障風險。如增加LIWV或抑制VFTO幅值。增加LIWV較易實現，但耗資大。而采用阻尼電阻抑制VFTO，可行性更高。通常，阻尼電阻抑制VFTO的效果取決于電阻阻值。

圖6 VFTO與阻尼電阻值關系曲線圖

圖6為某8間隔雙母線典型GIS布置下，阻尼電阻隨VFTO幅值變化的計算結果[12]。假設重擊穿發生在電源電壓和負載側電壓分別為1.0 p.u.和-1.0 p.u.。無阻尼電阻時，VFTO幅值高達2.49 p.u.。該值超過了按照上述方法計算得到的絕緣配合幅值。500 Ω阻尼電阻可將VFTO幅值抑制到1.13 p.u.以下。因此，根據VFTO計算值和需要的抑制效果選擇阻尼電阻的大小。意大利1 000 kV特高壓工程采用110 Ω阻尼電阻。中國、日本和韓國的特高壓和超高壓工程則選取500 Ω的阻尼電阻。

阻尼電阻必須能夠在開關操作時耐受過電壓的作用。電阻兩端的最高過電壓出現在隔離開關合閘過程的第1次預擊穿后不久。因此，必須驗證當預擊穿和重擊穿發生在動觸頭和阻尼電阻的滅弧電極之間時，阻尼電阻的電壓耐受特性和能量吸收能力。阻尼電阻閃絡引起的VFTO幅值大于不帶阻尼電阻的隔離開關引起的VFTO幅值，應加以避免。較高的阻尼電阻值導致電阻兩端壓降增大，可達2.0 p.u.，如圖7所示[12]。此外，電阻兩端電壓上升較高，該速率取決于試驗裝置及電源和負載側電容大小。試驗中，必須考慮電阻兩端電壓上升速率的大小。

圖7 阻尼電阻兩端壓降圖

阻尼電阻吸收的能量主要取決于負載側電容和隔離開關兩端電壓的大小。需要的能量吸收容量可通過將分合閘操作過程中的預重擊穿的能量相加得到。對于一次分合閘操作，500 Ω電阻的典型吸收能量在20～35 kJ之間。阻尼電阻必須能夠在一次分合閘操作中吸收過電壓產生的能量。

3 考慮VFTO時的絕緣配合實例

結合圖3對考慮VFTO時的絕緣配合進行實例說明，并確定其中的相關系數。

隔離開關操作產生VFTO過程中，每次觸頭間隙擊穿后，負載側會形成殘余電壓，影響下次產生的VFTO。分閘末次殘余電壓對下次合閘首次擊穿初始條件影響較大，故分閘末次殘余電壓需重點關注。分閘末次殘余電壓由隔離開關操作時刻和機械特性決定的分閘末次擊穿相位決定，受開關擊穿特性影響，具有一定的隨機性。文獻[16]在特高壓GIS試驗母線段上進行了上千次分合閘操作，統計了快速、慢速開關分閘末次殘余電壓概率分布，如圖8所示。可見，分閘末期出現了-1.0 p.u.的殘余電壓。

當殘余電壓分布已知時，可采用電磁暫態仿真軟件在已經驗證的模型上計算VFTO的最大計算值，然后依據圖3 中IEC 60071-1的方法進行后續絕緣配合。當殘余電壓分布未知時，也可通過實測來確定VFTO幅值的分布規律。文獻[9]給出了在特高壓GIS設備試驗回路上進行450次分合閘操作實測得到的VFTO概率分布，如圖9所示。可見，快速開關分合閘產生的最大VFTO幅值為2.23 p.u.。本文中絕緣配合實例直接采用實測的VFTO最大幅值。

圖9 不預充直流電壓下最大VFTO概率分布圖

由于仿真計算和實測VFTO次數一般均為幾百次，統計得到的VFTO最大幅值可能會小于系統在極端情況下出現的VFTO最大幅值。因此，引入配合系數Kc，得到配合耐受電壓UcVFTO，根據經驗，配和系數Kc一般取1.05[12]。其中：

UcVFTO=KcUmaxVFTO

(5)

考慮到GIS設備產品質量、組裝和安裝的差異，絕緣老化等因素，引入安全系數Ks，Ks代表了理想狀況和實際工況之間的差異因數。從而，得到了絕緣的必要耐受電壓UsVFTO。其中：

UsVFTO=KsUcVFTO

(6)

如果上述影響Ks的因素不易進行單獨評價，由經驗得到的整體安全系數可采用1.15[12]。

設備的額定LIWV各個國家標準不同。中國特高壓GIS的LIWV取為2 400 kV，而日本的標準則為2 250 kV。該標準是綜合考慮了各國GIS雷電沖擊保護水平、設備制造及安裝水平、設備可容忍的年故障率、經濟效益等多方面因素制定的。該LIWV可根據公式(1)～公式(4) 計算得到。

(7)

4 結 語

本文在對傳統絕緣配合方法進行系統介紹的基礎上，給出了考慮VFTO特性的GIS絕緣配合方法，并進行了實例說明，得到絕緣配合步驟如下：

(1) 仿真計算最大VFTO幅值和上升時間，若已知殘余電荷分布特性，則使用已知值，否則采用殘余電壓為-1.0 p.u.的最嚴酷條件計算。

(2) 結合生產運行經驗，獲得GIS設備的絕緣配合系數Kc和安全系數Ks；進行大量絕緣特性試驗，獲得VFTO與雷電沖擊的波形轉換系數Ktc，并計算GIS設備的VFTO耐受水平。