特高壓GIS中快速暫態過電壓的抑制措施研究

唐 瑭

（國網江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210000）

在我國電力輸送系統中，GIS變電站的應用早已普及。在GIS變電站中進行隔離開關的分合閘操作時，因為觸點動作緩慢，而且隔離開關本身沒有滅故性能，所以觸點接觸的空隙中會出現多次滅弧重燃現象，快速暫態過電壓（VFTO）的產生頻率非常高。在特高壓系統中，發生故障時的損壞概率位于首位的是VFTO，大于雷電沖擊和運行沖擊下的損壞概率之和。在我國眾多電壓等級的電力系統中GIS設備較多，GIS運行設備被廣泛應用于世界聞名的三峽電廠。GIS利用SF6介質將除變壓器和架空線外的其他所有電氣元件封裝在某種金屬的外部，具有小型化、緊湊性且占地面積小等優點，極適合在空間資源稀少的變電站場所使用，有利于環境的保護[1]。

1970年左右出現了特高壓GIS變電站，VFTO的破壞性逐漸顯露，專家們開始將研究重心放在該現象上。經驗數據表明，330kV及以上GIS變電站開合空母線時，因為觸點動作緩慢，隔離開關自身也不具備滅弧能力，發生VFTO的概率更大，破壞性也更強。VFTO的出現，已對電力系統運行的安全性、可靠性造成巨大威脅[2]。

因此該文針對特高壓GIS內部暫態情況，以變電站實際運轉為基礎，把變電站的參數等效為分布電容的參數，對VFTO的危害及其抑制措施進行了詳細描述。

1 GIS中的特快速暫態過電壓

1.1 特快速暫態過電壓綜述

1.1.1 VFTO的產生原因和特點

GIS中會出現VFTO現象，因為技術原因，隔離開關觸頭表面不可能完全光滑，所以會在觸頭周圍產生均勻磁場。階躍電壓波一旦產生，就會導致頻率的急劇增加。該電壓陡波在GIS內部連續折射和反射，最終形成快速較快的瞬態過電壓，簡稱VFTO。

在合閘過程中，操作開關分合時觸頭運動速度較慢，觸點間會發生第一次擊穿。由于觸頭有電流流過，因此會引起火花放電電弧重燃。接下來的擊穿近似于重新啟動操作開關分合過程，導致電壓幅度比首次擊穿還大。在斷開過程中，接觸點緩慢移動，因此2個接觸點間可能會發生類似于雙快門的重復沖擊，導致VFTO值增加[3]。

VFTO具有如下3個特點：1）幅值。一般情況下，大部分VFTO振幅相對較低，通常在2.0p.u.以下，只有個別VFTO振幅會在2.5p.u.以上。即便如此，VFTO也會在某種程度上帶來一些傷害，仍然需要盡可能避免。由于GIS結構非常復雜，不同位置的VFTO幅值也不相同。2）陡度。當隔離開關失靈時，在均勻或稍不均勻的電場中，只需納秒即可形成火花放電，并進一步形成通道。一般來說，根據電場的不均勻性程度，Tr可以為3ns～20ns。3）頻率。VFTO的頻率分為基頻、高頻和特高頻3種。基頻范圍為幾十至幾千赫茲，高頻可達幾十兆赫茲，在VFTO中高頻占大部分。特高頻高達幾百兆赫茲，幅值卻非常低。

1.1.2 VFTO對設備絕緣性能的傷害

VFTO對設備絕緣性能的傷害主要分為2個方面[4]。1）絕緣老化。當操作隔離開關時，會發生電弧重燃，破壞GIS內部電氣設備，使絕緣進一步老化。如果多次發生VFTO，雖然絕緣子能起到保護作用，但不斷的沖擊損傷也必然會造成嚴重事故。2）對二次設備的干擾。在GIS隔離開關運行過程中產生的VFTO的幅度與系統電壓水平增加成正比，尤其是330kV以上的GIS。階躍電壓波在GIS中傳播過程中不僅會影響一次設備，還會影響二次設備的安全。不同電壓等級的系統，VFTO的耐受水平也不同。在同一電壓等級下，雷電沖擊電壓及其相應的特速暫態過電壓耐受水平見表1。

表1 不同電壓等級下設備的雷電沖擊電壓和VFTO耐受水平

1.2 特快速暫態過電壓的抑制措施

隨著時代的發展，對VFTO抑制措施的探索也逐漸走向成熟。目前抑制VFTO的方法有很多，下文將簡單介紹一些理論較成熟、應用較廣泛的方法[5]。1）并聯合閘電阻。經驗表明，并聯合閘電阻時電阻取值500Ω的抑制效果最好。進行隔離開關分合操作時，以500Ω電阻為輔助開關，先閉合輔助開關，借助500Ω電阻的阻尼作用消耗行波能量，再閉合主開關，在隔離開關上選擇合適的合閘電阻，可以降低VFTO的幅值，并加快其衰減速度。由于該方法簡單、有效且制造成本低，因此在實際工程中運用非常廣泛。2）鐵氧體磁環。鐵氧體是一種高頻磁性材料，它能更改一部分電路參數，近乎等效于串入母線的阻抗。鐵氧體磁環串入母線中，能夠大幅增加行波的能量損耗，使電壓波從無衰減的自由震蕩變為衰減的阻尼振蕩，從而達到抑制VFTO的目的。3）簡化布線程序。動態計算光伏電池的最大功率點，并通過雙閉環控制使變流器工作在最大功率點，以達到最優化的目的。如果設計參數時，已考慮簡化布線并替換為更簡單的程序，則該方式實際參考意義不大。4）氧化鋅避雷器。研究表明，氧化鋅避雷器也有明顯的缺陷，由于波頭電壓的陡度很大，帶間隙的碳化硅避雷器不能起到可靠的保護左右，因此只能不間斷養護避雷器，但這會在較大程度上增加人工工作量，是實際生產工作的一大問題。5）安裝阻波器。在二次設備的入口安裝高頻阻波器。

該文選擇了2種措施，即通過安裝并聯合閘電阻和鐵氧體磁環來抑制VFTO。

2 GIS設備的電磁暫態分析模型

2.1 非線性電阻

非線性電阻如公式（1）所示。

式中：A為一個常數，與閥板的材料和尺寸有關，是一個小于1的非線性系數，其尺寸也與閥板的材料有較大關系，在SIC閥板中，該值通常為0.2。

由氧化鋅組成的壓敏電阻一般用于無間隙的金屬氧化物避雷器。它的閥板比SIC閥板小很多，非常接近理想值（α=0）。其在正常工作條件下不需要串聯放電間隙，主要原因是避雷器上流動的電流較小。

無間隙金屬氧化物避雷器在暫態計算中可以使用非線性電阻來模擬；具有間隙的SIC避雷器可以通過串聯電壓控制開關與非線性電阻來進行模擬；超高壓系統的避雷器則需要考慮雷電過電壓對瞬態過程的影響，可以在回路中串聯一定值的電感。

2.2 非線性電感

假設一個鐵磁電感元件，作用電壓、電流和總的磁鏈分別為u、i和w，非線性電感的暫態過程如公式（2）所示。

將公式（2）等值化為積分形式，如公式（3）所示。

按梯形積分公式，如公式（4）所示。

用b（t-Δt）表示磁鏈的歷史記錄，是已知量，如公式（5）所示。

如果將已知磁化特性w=f（i）帶入公式（3），則有公式（6）。

同理，在暫態計算中也能用這種方法計算非線性電感元件。

3 特高壓GIS變電站VFTO抑制方法的仿真研究

GIS斷路器產生的VFTO隨著系統電壓水平增加而增加，尤其是330kV以上的GIS。VFTO可能會損壞GIS外殼和相關設備（例如變壓器）的絕緣，并引起電磁干擾，進而影響二次設備。抑制VFTO可提高電力系統運行的穩定性和可靠性。因此，研究GIS中VFTO的抑制措施具有重要意義。

3.1 并聯合闡電阻的抑制研究

并聯合閘電阻是最常見的VFTO抑制措施，安裝合閘電阻目前已在超、特高壓GIS變電站普及。原理是隔離開關兩側的電阻與合閘電阻的組合，當分合操作開關時，合閘電阻串聯電路，并利用串聯阻尼作用降低VFTO的幅值，將電壓波由無衰減的自由震蕩變為衰減的阻尼振蕩，以此來抑制VFTO。

合閘電阻示意圖如圖1所示。結合相關文獻，當合閘電阻R1的阻值定為500Ω時，可獲得最佳抑制效果。K是主開關，K1是輔助開關。工作原理是先閉合輔助開關K1，3μs后閉合主開關K，利用接入電阻后的阻尼作用增加行波能量的損耗，從而抑制VFTO。

圖1 并聯合閘電阻示意圖

并聯500Ω合閘電阻與無措施的情況下，將重要位置的VFTO幅值進行比較，見表2。

表2 并聯500Ω合閘電阻與無措施GIS重要位置VFTO幅值的對比

由圖1可知，無抑制措施時，原各重要位置VFTO的波形，電壓波可近似等效為自由震蕩。在并聯合閘電阻500Ω后，可以看到VFTO波形變為阻尼振蕩，VFTO隨著時間推移而明顯下降。從表2的數據可以看出，各重要位置的VFTO的幅值出現了較大程度的下降。

3.2 安裝鐵氧體磁環的抑制研究

鐵氧體為非金屬磁性材料，是半導體的一種。鐵氧體磁環可等效為并聯的電阻RD、電感LD，共同對電路產生作用。套上鐵氧體磁環后，能改變隔離開關的局部電路參數，相當于在隔離開關斷口與空載母線間串入了一個高阻值阻抗，可抑制電壓波的傳播，加大行波的損耗，從而抑制VFTO。

安裝鐵氧體磁環的等效電路如圖2所示。

圖2 鐵氧磁環等效電路

圖2中的參數可由相關文獻獲得，根據線路實際情況取值為70Ω，0.05mH。

安裝鐵氧體磁環與無措施情況下，將重要位置的VFTO幅值進行比較，見表3。

表3 安裝鐵氧體磁環與無措施GIS重要位置VFTO幅值的對比

可以看出，安裝鐵氧體磁環后，GIS重要位置VFTO的幅值出現了比較明顯的下降。

從表3的數據可知，各重要位置的VFTO幅值均有下降，采取抑制措施后，最大降幅達到了1.5510MV。在加裝鐵氧體磁環后，各重要位置的VFTO幅值都達到了低于1.200MV=1.2024p.u.的效果，處于設備允許的安全電壓幅值范圍內。因此可以得出鐵氧體磁環對VFTO有較好抑制效果的結論。

3.3 GIS變電站的2種VFTO抑制措施分析

上文在采取多種抑制方法后，在ATP-Draw軟件中模擬了GIS主要設備上的速度較快的瞬態過電壓波形。采取抑制方法前、后VFTO的值見表4，通過表4可知各種抑制方法對VFTO的抑制效果。

表4 采取各種抑制措施后關鍵設備上的VFTO幅值

由表4的數據可以明顯看出，2種措施都有一定程度的抑制效果。各重要位置的VFTO值均有一定下降。采取抑制措施前VFTO幅值的同比下降率見表5。

表5 采取抑制措施前VFTO幅值的同比下降率

由表5可知，加裝合閘電阻在斷路器斷口處的抑制效果最好，可使斷路器端口的VFTO同比下降71.7%。加裝鐵氧體磁環在變壓器側隔離開關處的抑制效果最好，可使變壓器側隔離開關處的VFTO同比下降64.9%。綜合所有重要位置，采取抑制措施前VFTO幅值、合閘電阻的總體性能更優越，2種措施均可有效抑制。但每種方法都有其自身局限性，因此應根據實際工程中的絕緣要求來選擇合適的抑制方法。

4 結論

該文選取了安裝并聯合閘電阻和安裝鐵氧體磁環2種抑制措施，比較了各關鍵設備的仿真結果，并對數據進行了詳細分析，得到的主要結論如下：1）VFTO是一種具有高振幅、高陡度和高頻率的電壓波。GIS隔離開關分合時，觸頭的空隙中滅弧和重燃的過程使產生的階躍電壓波在GIS中不斷發生折射、反射和疊加，進而形成VFTO。長期這樣將會為電氣設備的安全埋下隱患。因此，進行參數設計時，應將VFTO列入考慮范圍。2）通過比較GIS變電站重要位置的VFTO幅值變化和2種抑制措施可以得出，安裝合閘電阻和安裝鐵氧體磁環均能有效抑制VFTO，但綜合各重要位置VFTO幅值數據的變化，合閘電阻的抑制作用更明顯，綜合抑制VFTO的性能也優于鐵氧體磁環。一般來說，安裝并聯合閘電阻的抑制效果優于安裝鐵氧體磁環。