550 kV GIS變電站中VFTO仿真計算及抑制措施

賀天任 ，高 宇 ，劉曉航 ，3，張 瑞 ，4

（1.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072；2.深圳供電局有限公司，深圳 518000；3.國網遼寧省電力有限公司，鐵嶺 112000；4.國網山東省電力公司，濟寧 272200）

隨著城市高速發展，工業用地日漸緊缺，以及電力系統額定電壓等級不斷升高，更高電壓等級的氣體絕緣變電站GIS（gas insulated substation）逐漸成為基建主流。在對GIS中的開關裝置進行操作時，產生過電壓及過電流的電磁暫態問題越來越嚴重[1，2]。當隔離開關進行分合空載母線時，容易引起特快速暫態過電壓VFTO（very fast transient overvoltage），其主要成因是隔離開關不像斷路器一樣具有滅弧裝置，本身觸頭的分合速度較慢，所以在觸頭間隙中產生多次重燃[3]。這不僅影響站內一次設備安全運行，還可能導致二次設備受到干擾，嚴重威脅電力系統的可靠運行。因此，深入認識VF-TO的特點并提出合理的抑制措施對保障電力系統運行安全具有重要意義[4-6]。

近年來，國內外科研人員對VFTO進行了大量的研究。劉德東等[3-4]改進了實時動態電弧模型，研究了VFTO的產生過程，發現該模型能較好地模擬電弧電阻的變化；滕輝等[7]建立了基于能量平衡方程的Cassie-Mary電弧模型，通過改進的歐拉算法提高了模型的仿真精度；Rodrigues Filho等[8]統計了VFTO產生過程中的幅值、頻率、包絡線等波形特征，提出在建模時應考慮對比經驗值更大的頻率范圍；詹花茂等[1，9]采用蒙特卡羅方法模擬了隔離開關操作初始相位和擊穿特性的隨機分布對VFTO統計特性的影響，得到了最小電弧電阻與間隙距離和氣壓正相關的規律；舒印彪等[10]通過統計方法發現，開關速度較低的隔離開關在斷開和閉合操作期間產生的VFTO幅度更低；Pathak等[11]認為RC濾波技術對VFTO的抑制作用有限，采用分流電阻器比其他方法效果更好。另外，在GIS母線與主變壓器之間連接架空線[12-13]、加裝由鏤空螺線管及與之并聯的電阻組成的阻尼母線[14-15]、一次系統和二次防護配合[16]等方法都有助于抑制VFTO[17-19]。但是，現階段研究對于主接線形式為3/2接線的變電站涉及較少，對于變壓器入口電容、主變進線支路長度等因素影響VFTO特點的機理尚不清晰，缺乏對超高壓等級GIS中VFTO的有效抑制措施的探討，亟需開展深入系統的研究。

本文選取深圳某550 kV的GIS變電站為研究對象，采用電磁暫態程序EMTP/ATP（electro-magnetic transient program/alternative transient program）研究分析隔離開關切合母線時產生的VFTO特點及變壓器入口電容等參數的影響，比較了阻波器和鐵氧體磁環抑制VFTO的效果，給出了VFTO的有效抑制措施。

1 GIS中的VFTO計算模型及參數設置

在計算VFTO的過程中，建立恰當的GIS等效模型以及選取合適的參數對計算結果正確性有著重要影響。GIS中組件有變壓器、母線、斷路器、隔離開關、接地刀閘、電壓互感器等。在仿真計算中，只需要考慮那些對結果影響較大的因素，而影響較小的因素如接地刀閘、套管和避雷器[20]，可以忽略。GIS母線采用三相分相式，相互獨立參數一致，計算時只選取其中一相進行仿真[21]。

在GIS變電站相同結構間隔內，單變單機供電是產生最嚴重的VFTO的供電方式[22]。本文選取變電站主接線形式為3/2接線，如圖1所示，3臺主變容量分別為250 MV·A。本文針對全站斷路器和隔離開關均處于斷開、操作主變側隔離開關為母線充電的情況進行研究。

圖1 深圳某550 kV GIS變電站電氣主接線圖Fig.1 Main electrical wiring diagram of a 550 kV GIS substation in Shenzhen

計算中，變壓器選取等值入口電容模型，變壓器等效為并聯的電感和對地電容，電容取5 000 pF，電感取100 mH，交流電壓源提供變電器電壓等級的穩定激勵[23，24]。將斷路器的斷開狀態等效視為540 pF的斷口間均壓電容，隔離開關的斷開狀態用動靜觸頭側的對地電容等效模擬[20-21]。燃弧狀態時，隔離開關用對地電容等效兩端動靜觸頭，燃弧電阻采用指數函數形式表示為

式中：Ra為靜態電弧電阻，Ra=0.5 Ω；R0為起弧前隔離開關電阻，R0=1×1012Ω；T為時間常數，T=1 ns[25-26]。GIS內波速設置為296 m/μs，電流在套管內傳播時間要大于步長，步長設置為1×10-9s。GIS內主要組件仿真計算參數如表1所示。

表1 主要組件仿真計算參數Tab.1 Numerical simulation parameters of main components

在ATP-DRAW中搭建仿真模型，如圖2所示。

圖2 單間隔仿真計算模型Fig.2 Numerical simulation model at single interval

3 仿真結果分析

3.1 隔離開關處VFTO的基本特征

GIS內主要設備上的VFTO幅值如表2所示。可見，在操作隔離開關時，變壓器、隔離開關、斷路器、母線端部側產生幅值不同的VFTO。操作隔離開關處的VFTO幅值最大，而母線端部的VFTO幅值最小。隔離開關處VFTO的典型波形為一高頻振蕩的暫態電壓波形，如圖3所示，其最高可達2.16 p.u.，波前時間約為250 ns。該VFTO時域波形對應的頻率分布如圖4所示，可見，過電壓波的能量主要集中在3個頻率段，分別為直流分量0 MHz、15 MHz和25 MHz，說明VFTO暫態波形分布在較寬的頻率范圍。

表2 GIS內主要設備上VFTO的幅值Tab.2 Amplitude of VFTO on main equipment in GIS

圖3 隔離開關處VFTO波形Fig.3 Waveform of VFTO at isolating switch

圖4 隔離開關處VFTO頻率分布Fig.4 Frequency distribution of VFTO at isolating switch

3.2 變壓器入口電容對VFTO的影響

變壓器入口電容與變壓器的電壓等級、容量和結構有關。電壓等級越高，額定容量越大，入口電容也隨之增大，進而影響VFTO的特征。入口電容對各設備處VFTO幅值的影響如圖5所示。

圖5 變壓器入口電容不同時各處元件的VFTO的幅值Fig.5 Amplitude of VFTO of various components when the transformer inlet capacitances are different

隨著入口電容從2 000 pF增大至5 000 pF，各設備處的VFTO幅值均呈現增大趨勢。以隔離開關處的VFTO為例，其幅值從0.861 MV增大至0.972 MV，說明變壓器入口電容越大，越容易形成較大的VFTO。導致這一結果的原因是：在預擊穿階段，入口電容會存儲能量，并在擊穿發生時將能量釋放。入口電容越大，存儲的能量越多，VFTO的幅值也越高。因此，欲降低VFTO的幅值，可減小變壓器的入口電容。

3.3 主變進線支路長度對VFTO的影響

GIS母線及支路均存在電抗，電抗值與支路長度密切相關，因此支路長度也將對VFTO產生影響。本文保持其他支路長度不變，主變進線支路長度在7～19 m范圍內變化，計算分析支路長度對VFTO的波形及幅值的影響。

主變進線支路長度為7 m和19 m時，隔離開關處的VFTO典型波形如圖6和圖7所示。可見，當支路長度較短時，隔離開關處的VFTO波形振蕩劇烈，高頻分量豐富；當支路長度較長時，隔離開關處的VFTO波形振蕩變弱，高頻分量減少。這說明主變進線支路長度對VFTO波形的頻率分量有顯著影響。

圖6 主變進線支路長度為7 m時隔離開關處VFTO波形Fig.6 Waveform of VFTO at isolating switch when the length of transformer incoming branch is 7 m

圖7 主變進線支路長度為19 m時隔離開關處VFTO波形Fig.7 Waveform of VFTO at isolating switch when the length of transformer incoming branch is 19 m

主變進線的支路長度對各設備處VFTO幅值的影響如圖8所示。隨著支路長度的增大，各設備處VFTO幅值的變化規律具有明顯差異。在隔離開關和斷路器處，VFTO的幅值整體呈現增大趨勢；在母線端部位置，VFTO的幅值整體呈現減小趨勢。導致這一現象的原因是，由于VFTO波前時間較短，其在GIS內以行波形式傳播。在波阻抗突變處發生復雜的折射和反射現象，支路長度決定了VFTO在發生折、反射后，與后續產生的VFTO發生疊加，增強或削弱VFTO的幅值。由于VFTO傳播速度極快、波長極短，支路長度小幅改變就會對VFTO的波形產生很大的影響。因此，從VFTO的幅值和頻率兩個方面考慮，選擇合適的支路長度將有助于抑制設備處的VFTO。

圖8 主變進線支路長度不同時各處元件的VFTO的幅值Fig.8 Amplitude of VFTO of various components when the lengths of transformer incoming branches are different

3.4 VFTO的抑制措施分析

3.4.1 采用鐵氧體磁環抑制VFTO

將鐵氧體磁環加裝在隔離開關處，相當于在隔離開關分合觸頭和空載母線之間串聯上等效阻抗，利用鐵氧體磁環的高頻特性，降低VFTO的幅值及頻率。

加裝鐵氧體磁環的單間隔VFTO仿真計算模型如圖9所示，鐵氧體磁環等效電阻取母線的波阻抗，等效電感取值為0.05 mH。

圖9 加裝鐵氧體磁環的單間隔VFTO仿真計算模型Fig.9 Numerical simulation model of VFTO at single interval with ferrite magnetic ring

加裝鐵氧體磁環后，各設備處的VFTO幅值如表3所示，可見，VFTO幅值明顯降低。

表3 加裝鐵氧體磁環前后各處元件VFTO幅值對比Tab.3 Comparison of VFTO amplitudes of various components before and after ferrite magnetic ring is installed MV

以隔離開關處為例，其VFTO幅值從0.972 MV下降至0.777 MV，降低比例為17.3%。該處的VFTO典型波形和頻率分布分別如圖10和圖11所示。可見，VFTO的波形出現明顯衰減振蕩，與未加裝磁環前的波形有顯著區別。此外，VFTO在15 MHz處的幅值也顯著降低，說明磁環在抑制高頻振蕩方面具有較好效果。

圖10 加裝鐵氧體磁環后隔離開關處VFTO波形Fig.10 Waveform of VFTO at isolating switch after ferrite magnetic ring is installed

圖11 加裝鐵氧體磁環后隔離開關處VFTO頻率分布Fig.11 Frequency distribution of VFTO at isolating switch after ferrite magnetic ring is installed

3.4.2 采用阻波器抑制VFTO

本文設計一種新型阻波器，將其置于變壓器處，利用阻波器對高頻電流呈高阻抗對工頻電流只有很小的阻抗的諧振原理，降低VFTO的幅值及頻率。阻波器的電路模型如圖12所示，主線圈等效電感為L；調諧裝置由電感L1和電容C組成；保護裝置等效成電阻R。各元件參數為：L=1 mH，L1=1 mH，C=1 μF ，R=500 Ω 。

圖12 阻波器仿真模型Fig.12 Simulation model of wave trap

搭建的加裝阻波器的單間隔VFTO仿真計算模型如圖13所示。

圖13 加裝阻波器的單間隔VFTO仿真計算模型Fig.13 Numerical simulation model of VFTO at single interval with wave trap

加裝阻波器前后，各設備處的VFTO幅值如表5所示。可見，加裝阻波器能夠大幅降低VFTO的幅值。仍以隔離開關處為例，其VFTO幅值從0.972 MV減小至0.615 MV，降低比例為36.7%。這一抑制效果比前述的加裝鐵氧體磁環更顯著。

表4 加裝阻波器前后各處元件的VFTO的幅值對比Tab.4 Comparison of VFTO amplitudes of various components before and after wave trap is installed MV

圖14和圖15分別顯示了加裝阻波器后，隔離開關處的VFTO波形和頻率分布。對比圖10和圖11可知，加裝阻波器后VFTO的波形振蕩衰減更為劇烈，在5 μs內將至穩態值，說明阻波器起到了較好的阻尼作用。另外，VFTO的高頻分量被顯著削弱，與圖4中結果相比，其在15MHz和25 MHz處的分量幾乎衰減為0，展現了阻波器良好的高頻抑制作用。綜上所述，阻波器對VFTO具有明顯的抑制效果，在降低幅值以及削弱高頻分量方面強于鐵氧體磁環。

圖14 加裝阻波器后隔離開關處VFTO波形Fig.14 Waveform of VFTO at isolating switch after wave trap is installed

圖15 加裝阻波器后隔離開關處VFTO頻率分布Fig.15 Frequency distribution of VFTO at isolating switch after wave trap is installed

4 結論

本文選取深圳某550 kV GIS變電站為研究對象，仿真分析了隔離開關在合空載母線時的VFTO特征及影響因素，探討了抑制VFTO的方法。主要結論如下。

（1）隨著入口電容值的增大，VFTO的幅值增大；隨著主變進線長度延長，VFTO波形中的高頻分量減少，隔離開關和斷路器處的VFTO幅值總體呈增大趨勢。

（2）采用鐵氧體磁環和阻波器均可有效抑制隔離開關處的VFTO。二者相比，阻波器在VFTO幅值和高頻分量上的抑制效果更優。