550kV全封閉組合電器快速暫態過電壓影響因素分析

曾春艷 張廣路 張迪

摘要：全封閉組合電器屬于大型變電站設備，其基本結構是將斷路器、隔離開關、接地開關等開關電器以及電壓互感器、電流互感器、避雷器、封閉母線等密封于接地的封閉金屬殼體內，，充入六氟化硫氣體，在減少絕緣距離的同時，減少變電站所占空間和電力設備體積。文章就550kV全封閉組合電器快速暫態過電壓影響因素進行討論，在對相關影響因素加以了解的同時，對相應的控制措施進行深入的探討和描述，希望能夠為相關電氣的安全穩定運行提供支持。

關鍵詞：550V;全封閉;組合電器;快速暫態過電壓;影響因素

在對550kV全封閉組合電器（GIS）的內部隔離開關進行操作的過程中，雖然不會產生太高的快速暫態過電壓（VFTO），但由于其頻率較高，且會在短時間內急速上升，不僅會對GIS當中的設備絕緣造成破壞，還可能會影響到外部電路，從而危及到GIS的關聯設備，造成嚴重的故障問題。因此，為了保證電網的安全運行，還需要相關領域針對GIS的VFTO影響因素及應對措施加強分析與研究。

一、相關影響因素分析

文章主要以某電站中的電力系統為基礎對相關內容進行分析。該電站的VFTO的計算條件如下：在不對隔離開關操作過程中的動態性加以考慮的情況下，僅對電弧重燃進行一次模擬，重燃之前的介質恢復電壓主要取自初始條件。在對VFTO的極限幅值進行計算時，對最嚴重的重燃情況進行考慮，即當電源側電壓達到峰值時，而母線當中的電荷及電壓殘余，屬于反極性的電源電壓峰值。在這種情況下，電源側以及負載側電壓均為1.0pu，其計算時間需要20μs。而因為VFTO一般持續時間相對較短，在進行計算時，可以將電源提供的初始激勵視為恒壓源。

（一）合閘電阻以及殘余電荷電壓的影響

能夠對VFTO頻率以及幅值造成影響的因素相對較多，如合閘電阻以及殘余電荷電壓等。其中，殘余電荷電壓會受到負載側電流、母線電荷泄漏、重燃時刻以及開關速度的影響，其屬于一種隨機量，在極性方面可能是正，也可能是負，而且其值會對重燃后的過電壓造成直接的影響。在開斷之前，存在越高的電容電流，母線當中儲存的電荷也就越多，其泄漏自然也就越慢，所以會產生較高的殘余電荷電壓。而為了了解差異殘壓對于VFTO的影響，文章對避雷器部分的VFTO幅值進行了計算，并對幅值和殘余電荷電壓間的關系進行了了解，可以確定，在殘余電荷電壓不斷下降的情況下，VFTO幅值也會出現隨之下降的情況，所以，如果能夠將母線當中的殘余電荷電壓降低，就能實現VFTO幅值的有效控制。

目前，我國應用的550kVGIS隔離開關并沒有對合閘電阻進行設置，而根據VFTO幅值與合閘電阻阻值間的關系，能夠獲得契合550kV等級的GIS，所以合閘電阻的設置有著非常積極的作用。通過增設隔離開關，能夠對觸頭間重擊穿形成的VFTO產生良好的抑制作用，而且設置越高的合閘電阻值，對VFTO產生的抑制效果也就越好[1]。

當電阻達到500Ω時，在沒設置合閘電阻的情況下，避雷器部分的VFTO幅值要比加設合閘電阻之后高出38%，而通過對電源側變壓器的檢測，可以發現合閘電阻的設置能夠將其出口部分的VFTO幅值降低15%。與此同時，設置合閘電阻能夠使暫態過程快速衰減，在降低VFTO振蕩幅度的同時，使其陡度得到有效的限制，而這對于GIS絕緣的有效保護有著非常積極的作用。

（二）避雷器部分的VFTO

根據實驗分析發現，不同操作方式產生的VFTO幅值也會有所差異，而案例電站避雷器部分的最大VFTO幅值能夠達到2.84pu，其能夠達到雷電沖擊電壓的83%左右，而盡管VFTO幅值為2.84pu，但卻并不會導致避雷器發生動作。在避雷器動作的過程中，高溫閥片上的壓降會在全波整流的情況下為電容器進行充電，而電容器則會向電磁式計數器進行放電，促使其計數動作，而由于計數器閥片在阻值方面相對較小，具有較大的流通量，所以最小動作也會產生100A的沖擊電流。

因為，VFTO施加在避雷器部分的電壓具有較陡的波形，而避雷器閥片為容性，在避雷器當中的等效電容是19pF，而波頭時間是20ns時，從避雷器當中經過的瞬時電流能夠達到500A以上，而這會使避雷器當中的計數器發生動作，所以，還需要相關人員實時關注避雷器動作[2]。

雖然在實際當中避雷器的波阻抗以及GIS各部件的VFTO頻率、幅值都存在一定的差異，但仍然需要根據避雷器部分的VFTO頻率及幅值在對GIS進行絕緣設計。

（三）變壓器部分的VFTO

在操作方式不同的情況下，變壓器出口部分的最大VFTO幅值可達1.7pu，能夠達到雷電沖擊電壓的1/2，而因為變壓器結構較為特殊，在變壓器線圈繞組的首端段數當中，其電壓多以非線性分布為主，在這種情況下，段間梯度百分數最大可以達到雷電沖擊電壓的3倍左右。而從絕對值方面來看，當最大的VFTO峰值達到雷電沖擊電壓的1/2時，段間梯度電壓也會達到3x0.5=1.5倍左右，所以，當VFTO處于較低幅值時，受到匝間過電壓分布不均情況的影響，就會危及變壓器絕緣。

當VFTO幅值達到1.7pu時，其頻率為1MHz，而初始部分VFTO則會表現出1054kV/μs，與雷電沖擊電壓相比，其上升率相對較小。但受到積累效應的影響，也會危及到變壓器的絕緣性能。此外，因為隔離開關的每次操作都會造成數百次的重燃，且VFTO蘊含非常豐富的諧波分量，容易使變壓器繞組出現絕緣老化以及局部諧振的情況。所以，對于隔離開關操作較為頻繁的區域，必須要保持高度的重視[3]。

二、550kV全封閉組合電器VFTO的控制措施

隨著現代社會的發展，我國電網建設的電壓等級逐年增長，而受到GIS結構變化的影響，使得VFTO的幅值不斷提升，相應的絕緣耐受水平也在持續消減。與此同時，由于變壓器出口部分的電容增加，會導致母線當中出現更多的殘余電荷電壓，而這些因素都會對高壓電網的平穩運行造成一定的影響。

而針對高壓GIS系統，應用相應的隔離開關，加設合閘電阻，能夠對VFTO產生良好的限制效果，因此，相關單位在進行高壓電網建設的過程中，還需要針對相關開關設備的設計與生產保持高度的重視，以此來保證合閘電阻的有效應用。

由于高壓GIS系統當中，涉及到較大的電容電流，且母線當中會有較高的電荷電壓殘余，其通常會被隔離開關重燃過程所影響，對重燃時刻進行控制，可以對殘余電壓進行有效的控制。當然，除此之外，還應該將提高殘余電壓泄漏速度作為切入點，降低殘余電荷。與此同時，對于高壓VFTO的控制，還可以從相應的電氣設備入手，從設備制造以及運行等方面加以考慮。例如，對隔離開關的動作速度、分合閘時間、強化避雷器性能等[4]。

結語

綜上所述，針對550kV GIS的VFTO影響因素進行深入的研究，能夠實現VFTO的有效控制，這對于高壓電網的平穩運行有著非常積極的作用，因此，相關單位應該對此類內容進行深入的研究與分析，并結合實際對各種控制措施進行合理的應用，從而將VFTO的影響有效降低。

參考文獻

[1] 林莘， 庚振新， 徐建源，等. 550kV全封閉組合電器快速暫態過電壓影響因素分析[J]. 電網技術， 2019，25（19）：5.

[2] 王琦， 李六零， 邱毓昌. SF6氣體絕緣開關裝置中快速暫態過電壓的影響因素分析[J]. 電力系統裝備， 2018，36（3）：2.

[3] 柳偉青， 楊琴， 鄧傳海，等. 550kV GIS中快速暫態過電壓仿真及防護措施研究[J]. 電氣技術， 2019，14（2）：6.

[4] 孟濤. 分段電弧模型下快速暫態過電壓特性仿真及其影響因素的研究. 沈陽工業大學.2018