靜電場仿真在550 kV隔離開關(guān)VFTO故障解決中的應(yīng)用

摘要：快速暫態(tài)過電壓（VFTO）一直是高電壓等級氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）運行中不容忽視的問題，尤其是550 kV及以上的設(shè)備。現(xiàn)結(jié)合一起典型的550 kV隔離開關(guān)（DS）產(chǎn)生的VFTO導致接地故障的案例，對故障原因進行了分析推斷；通過靜電場仿真結(jié)果的對比，對設(shè)計進行了改善；新方案通過了開合母線充電電流方式1和方式3的型式試驗，隨后對客戶的設(shè)備進行了升級替換；改善后的設(shè)備帶電運行數(shù)年后的結(jié)果表明，改善效果良好，再沒有出現(xiàn)過VFTO引發(fā)的故障。

關(guān)鍵詞：快速暫態(tài)過電壓（VFTO）；550 kV隔離開關(guān)（DS）；靜電場仿真

中圖分類號：TM864? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）07-0065-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.017

0? ? 引言

快速暫態(tài)過電壓（VFTO）是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）中的隔離開關(guān)（DS）操作時引起的一種過電壓現(xiàn)象。與操作沖擊和雷電沖擊不同，VFTO故障的發(fā)生更為頻繁，不確定性更大，但以往的產(chǎn)品設(shè)計中并未給予足夠的重視，導致運行中故障頻發(fā)。如不徹底解決，其隱患會一直存在，時刻威脅電力系統(tǒng)的安全。

1? ? VFTO的產(chǎn)生與危害

高壓組合電器中的隔離開關(guān)（DS）在開斷、關(guān)合小電容電流的操作過程中，由于動觸頭的分合速度較慢，會產(chǎn)生多次重擊穿或預擊穿。擊穿放電產(chǎn)生的行波在GIS內(nèi)部快速地反射和折射，會引起高頻振蕩，產(chǎn)生VFTO[1]。

VFTO屬于操作過電壓，其波頭很陡，上升時間為2～20 ns，持續(xù)時間為1～2 μs；頻率高達兆赫數(shù)量級，幅值通常不超過2.0 p.u.，極端情況下可達3.0 p.u.[2]。

當VFTO的一部分行波沿著套管傳輸?shù)郊芸站€或氣體絕緣金屬封閉輸電線路（GIL）上時，會危害到相連的其他設(shè)備（如引起套管和變壓器的絕緣擊穿）；另一部分行波傳輸?shù)綒んw上，會造成殼體電位升高，可能對二次設(shè)備和人造成危害。而在隔離開關(guān)內(nèi)部，由于VFTO擊穿產(chǎn)生的電弧可能會發(fā)展成接地故障，因此也危害著GIS設(shè)備本身。可以看出，VFTO的存在，對于與GIS相連的一次、二次設(shè)備以及GIS設(shè)備甚至人身安全都是一種隱患，應(yīng)當給予足夠的重視并減小其危害程度。

2? ? 一例典型的隔離開關(guān)VFTO故障

我司早期生產(chǎn)的550 kV隔離開關(guān)（DS）與接地開關(guān)（ES）為單相型，置于同一氣室，分別由各自的機構(gòu)驅(qū)動，其中DS分合閘速度略低于0.1 m/s。氣室的額定壓力為0.45 MPa（表壓），閉鎖壓力為0.4 MPa（表壓）。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2.1? ? 故障情況概述

某客戶處的550 kV組合電器設(shè)備投入運行半年后，在一次隔離開關(guān)正常操作時出現(xiàn)了母線差動保護及斷路器跳閘的情況。根據(jù)故障錄波器的波形分析及現(xiàn)場檢查，判定為單相接地故障。故障所在相的某一隔離開關(guān)氣室的SF6氣體分解物檢測結(jié)果嚴重超標，具體為SO2：145.4×10-6、CO：156.2×10-6以及H2S：54×10-6。

2.2? ? 故障解體照片

維修人員對該隔離/接地開關(guān)解體后發(fā)現(xiàn)：氣室內(nèi)有大量放電產(chǎn)生的灰白色粉末，如圖2所示；靜側(cè)的不銹鋼材質(zhì)屏蔽罩外表面有斑塊的燒灼痕跡，動觸頭及靜側(cè)弧觸頭已經(jīng)呈發(fā)黑狀，屏蔽罩附近的鑄鋁殼體內(nèi)表面上有規(guī)則走向的若干黑點，如圖3所示；殼體內(nèi)壁拐角處距離導體最近的地方有大面積的嚴重燒灼痕跡，且中間處已有明顯的凹坑，如圖4所示。此外，盆式絕緣子及絕緣拉桿的表面無任何損傷和沿面閃絡(luò)痕跡。

2.3? ? 故障原因分析

DS在分閘或合閘的動作過程中，由于線路側(cè)的充電電壓，斷口間會產(chǎn)生重燃弧現(xiàn)象；隨著斷口距離的變化，靜側(cè)電弧根部的位置也在靜弧觸頭與屏蔽罩之間不斷變化；移動到屏蔽罩上的電弧會產(chǎn)生高電場并且改變電場分布，從而引起電弧的漂移接地[3]，在殼體上形成對地閃絡(luò)。具體如圖5所示。

同樣的故障在其他工程項目中也時有發(fā)生，給客戶造成了諸多不便。公司方面立即給予了高度重視，重新設(shè)計并試驗驗證后進行了產(chǎn)品的替換升級，從而消除隱患并減少客戶的損失。

3? ? DS斷口的電場改善

目前比較常見的VFTO改善方法主要有：1）改進斷口的電場設(shè)計；2）提高動觸頭分合閘速度；3）增加并聯(lián)電阻。

國內(nèi)外的一些研究表明：DS觸頭之間的絕緣性能以及動作速度對VFTO的幅值和重擊穿次數(shù)影響較大，并且動作速度慢可以減小VFTO的幅值，雖然會導致更多的重擊穿次數(shù)[4]。綜合考慮后采用改進斷口電場設(shè)計的方案，主要是由于該產(chǎn)品為多年前的傳統(tǒng)設(shè)計，電場方面的確有一些改進空間，并且成熟的產(chǎn)品在設(shè)計上不適合進行很大的變更。

本次改善設(shè)計的原則是通過動觸頭及靜側(cè)子裝配的重新設(shè)計來改善電場，最大程度地降低VFTO引發(fā)故障的概率。現(xiàn)場更換時只需打開DS殼體，將動觸頭和靜側(cè)子裝配替換掉即可，避免了DS殼體及相鄰氣室的拆裝，很大程度上縮短了工期，減小了風險，同時也很好地控制了成本。改善后的隔離開關(guān)減少了燃弧時間，同時將隔離開關(guān)動作時產(chǎn)生的電弧限定在觸頭中心的引弧區(qū)域，從而防止VFTO導致的絕緣擊穿。

3.1? ? 原設(shè)計與新方案的結(jié)構(gòu)對比

如圖6（a）所示，原設(shè)計采用的是固定的靜弧觸頭，分合閘過程中，靜弧觸頭和靜主觸頭頂部與動觸頭頂部的距離比較接近，而且二者的表面場強也都比較大，很容易形成動觸頭與靜主觸頭之間的燃弧進而漂移到屏蔽罩的外表面。

如圖6（b）所示，新方案采用的是活動的靜弧觸頭，分合閘過程中，主觸頭與靜弧觸頭在一定范圍內(nèi)保證接觸并同時運動，靜主觸頭完全處于屏蔽罩內(nèi)部，整個靜弧觸頭與屏蔽罩的輪廓保持一致，很大程度上改善了電場，并且盡可能地使燃弧發(fā)生在動觸頭的中軸線附近，減小了電弧漂移的概率。

3.2? ? 試驗電壓下燃弧瞬間的電場仿真對比

按照型式試驗方式1的電壓加載要求，動側(cè)加壓349.3 kV，靜側(cè)加壓-494 kV，分別對原設(shè)計和新方案進行靜電場分析，找到導體表面電場強度處于臨界值時的觸頭位置。二維靜電場仿真用于軸對稱模型非常快捷高效，如果需要關(guān)注產(chǎn)生電弧（利用直徑為4 mm的圓柱體模擬）的表面電場，則需要用三維靜電場仿真。具體仿真結(jié)果如表1所示。

對于原設(shè)計，從剛分位置繼續(xù)往上移動100 mm后，動觸頭頂部的最大場強為26.7 kV/mm，略高于臨界場強，可以認為100 mm的范圍內(nèi)具備燃弧的條件。對于新方案，當動觸頭與靜弧觸頭的頂點距離為55 mm時，動觸頭頂部的最大場強為25.9 kV/mm，略低于臨界場強，認為55 mm的范圍內(nèi)具備燃弧的條件。因此在外部條件相同的情況下，相比于原設(shè)計，新方案只是在很小的一段范圍內(nèi)具備產(chǎn)生燃弧的條件。

同時，新方案的模擬電弧表面場強僅為3.0 kV/mm，遠小于原設(shè)計的電弧表面場強8.6 kV/mm。而相同電子束所受的電場力正比于場強，據(jù)此可推斷新方案的電弧會更加持續(xù)穩(wěn)定地在中心軸附近燃燒，不容易向外漂移引發(fā)接地故障。

3.3? ? 燃弧發(fā)展過程的對比

圖7與圖8分別是原設(shè)計和新方案在不同斷口距離時的靜電場分布情況，從中可以大致看出電場的分布情況和電弧的發(fā)展過程：自剛分時刻起，新方案的最大場強一直在觸頭中心附近，整體電場分布比較均勻，并且隨著斷口距離的增大，電場強度迅速下降，很快進入不再起弧的狀態(tài)。而原設(shè)計在剛分后的35 mm內(nèi)，最大場強一直有多處，燃弧可能發(fā)生在動觸頭與靜弧觸頭、靜主觸頭甚至屏蔽罩上，具有很大的不確定性，并且隨著斷口距離的增大，電場強度下降緩慢，燃弧時間過長也使得電弧更加地不可控制。

綜合電場分析結(jié)果可以看出，新方案不但電場分布均勻，最高電場強度低，而且移動相同距離后場強下降得更快，燃弧發(fā)生時也能穩(wěn)定在中心軸附近燃燒，達到了改善觸頭間電場的預期效果。

4? ? 試驗驗證與帶電運行驗證

按照新方案生產(chǎn)的樣機在西高院采用開合母線充電電流試驗的方式1和方式3進行了試驗。其中方式1試驗參數(shù)為電源側(cè)加壓349 kV rms，負載側(cè)加壓DC-494 kV，50次；方式3試驗參數(shù)為電源側(cè)加壓318 kV rms，負載側(cè)不加壓，試驗電流為2 A rms，50次。試驗前后觸頭狀態(tài)如圖9～12所示。

通過照片的對比可以看出，方式1的試驗動觸頭和靜弧觸頭都有了輕微的燒損，而方式3的試驗燒損稍微嚴重一點；靜主觸頭上完全沒有電弧燒過的痕跡。

整個試驗完成后，并未出現(xiàn)機械或者電氣的損壞，機械功能與試驗前的狀態(tài)基本相同，根據(jù)GB 1985—2014《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》6.108判定合格。

試驗通過后對新方案進行了大范圍的應(yīng)用。某客戶的550 kV GIS采用新方案后，正常運行至今已超過四年，其DS帶電分合閘操作上百次，沒有再發(fā)生VFTO故障[5]。

5? ? 總結(jié)和建議

550 kV及以上電壓等級GIS中的VFTO問題應(yīng)該引起特別的重視。生產(chǎn)廠家在進行DS設(shè)計時，應(yīng)盡量改善斷口的電場分布，同時使電弧集中產(chǎn)生在動觸頭與靜弧觸頭的中間部分（中心軸附近），從而減小電弧漂移到殼體上的概率。GIS設(shè)備廠家及客戶需要不斷積累設(shè)計和運維經(jīng)驗，最大程度上減少VFTO隱患，保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

[參考文獻]

[1] 邢連中，錢忠，呂兆俊，等.550 kV GIS隔離開關(guān)對地閃絡(luò)原因分析及技術(shù)改造[J].華東電力，2014，42（6）：1220-1226.

[2] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2015.

[3] 孫偉，王韻，武增堯，等.500 kV GIS中快速暫態(tài)過電壓的測量[J].高壓電器，1998（4）：11-14.

[4] SUN S，TREMOUILLE G，MARQUEZIN G，et al.VFTO simulation and testing for 550 kV and 800 kV GIS disconnectors[R].Paris：CIGRE，2014.

[5] 郭文波，汪文元，李寅偉.550 kV GIS隔離開關(guān)特快速瞬態(tài)過電壓危害分析及其預防措施[J].水電站設(shè)計，2023，39（2）：67-70.

收稿日期：2023-12-07

作者簡介：王超（1982—），男，江蘇揚州人，碩士，工程師，主要從事氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（GIS）的管理、設(shè)計與仿真工作。