750kV GIS中VFTO现场实测波形分析

李云阁，尚勇，施荣，张琳

（1.陕西电力科学研究院，陕西西安710054;2.西北电网有限公司，陕西西安710048）

750kV GIS中VFTO现场实测波形分析

李云阁1，尚勇2，施荣2，张琳2

（1.陕西电力科学研究院，陕西西安710054;2.西北电网有限公司，陕西西安710048）

VFTO（Very Fast Transient Overvoltage）早已成电力工程和技术人员熟悉的现象。当操作GIS(Gas Insulated Switchgear)中的隔离开关时，由于其动触头运动相对缓慢，动、静触头间发生电弧击穿和多次重击穿（重燃），产生波头很陡的过电压，即VFTO[1-8]。由于VFTO频率很高，外壳不再是等电位导体，GIS附近的地电位也升高，地面也不能再被看作是理想导体[3,9]。

VFTO不仅可损坏GIS本身，还危及与其相连的设备，尤其是变压器，有大量文献介绍在VFTO作用下变压器的模型、入口电压，以及内部绕组电压的分布情况[10-14]。

科研工作者长期研究抑制VFTO的方法，普遍采用的方法是在隔离开关断口间装合/分闸电阻[15-16]，近年来开始探索应用铁磁材料[17-18]。

以前对VFTO进行的研究，或在实验室小规模模型上进行测量[3]，或在较低电压等级设备上进行实测，而对于全尺寸、高电压等级下的研究集中在数值模拟方面[7,16,19]。由于在高频下VFTO的数值模拟误差较大，加之在高电压下设备的绝缘裕度相对较低，因此VFTO的很多特性有待于进一步实测确定。

2009年10月13 —15日，在750kV官亭变电站进行了VFTO测量[20-23]，这是在国内首次进行的750kV GIS中VFTO的实测，多家科研单位为此进行了大量准备。在4种运行方式下一共进行了40次隔离开关操作。本文将介绍现场测量方法，分析VFTO的持续时间、残余电荷的电压值、隔离开关触头间的电弧重燃次数、VFTO的频率范围。本文作者在文献[23]中已介绍了VFTO的峰值和上升速度，为了给读者完整的信息，本文将引用其主要数据和结论。

1 运行方式

图1所示为测量VFTO时官亭变电站750kV配电装置的主接线图。750kV采用3/2接线，有1个完整串和2个不完整串。变电站安装1组750kV变压器，3条750kV出线，串、母线地理长度均约为120m。750kV GIS与变压器之间通过一段架空线连接。为测量VFTO而操作的隔离开关分别为75111、75301和75321，其中隔离开关75111装有合/分电阻，而其他2个隔离开关则没有。

2 采样频率和长度

在本次试验中共在10个点进行了VFTO测量，在图1中用箭头指示。与本文讨论有关的测点为点1、3、4、6。

为了方便叙述，文中使用以下变量。

v4：测量点4的电压，即隔离开关75321的电源侧电压。当需要说明采样频率时，加一下标，如v4,1G表示采样频率为1GS/s（S表示采样点数，下文同）。

v6：测量点6的电压，即隔离开关75321的负荷侧电压。同样，其第二下标表示采样频率。

图1 变电站主接线示意图Fig.1 Schematic diagram of the substation

采样频率以及相应的采样长度见表1。当采样频率为50kS/s时，频度太低，不能采集到VFTO波形，因此v6,50k仅仅捕捉到缓慢变化的电压分量，如工频分量。试验中VFTO的采样频率为1GS/s。

表1 采样频率和长度Tab.1 Sampling rate and length

3 测量结果分析

通过分析现场录波图，可以得到大量有关750kV GIS中VFTO的特征参数。

3.1 典型VFTO波形

VFTO分别来自：1）无残余电荷时合隔离开关；2）分隔离开关；3）有残余电荷时合隔离开关。三类波形在官亭现场均实测得到，典型波形如图2所示。图中VFTO以实线表示。测量中没有记录相应的电源电压v，但为了方便比较，在图中以虚线示出。

3.2 VFTO衰减

750 kV隔离开关产生的VFTO约在10μs内衰减为0，而隔离开关触头间SF6重燃时间远大于10μs。因此，当进行VFTO的数值模拟时，无需考虑前后2个VFTO波形的叠加，但第一个VFTO留下的残余电荷形成了第二个VFTO的初始条件。

3.3 残余电荷

无论在开或合隔离开关过程中，当VFTO衰减结束时，隔离开关负荷侧残余电荷电压范围为从0到电源电压峰值之间的任意值。残余电荷的泄放相对缓慢，当下一次重燃发生时，残余电荷电压基本未变。

3.4 重燃

750 kV隔离开关触头间的电弧重燃小于11次，局限在2个工频周波之内，远远小于文献[7-8]中的数据,其原因为750kV隔离开关的合/分速度快，SF6气压也大。

在所有重燃中，发生在合闸开始后、或者分闸结束前的约5次重燃时间间隔长，VFTO峰值大;其他重燃时间间隔短，VFTO峰值小。

3.5 产生最大VFTO峰值的重燃

图2 隔离开关操作时的典型VFTO波形Fig.2 Typical VFTO waveforms due to operation of disconnectors

图2（b）中波形需要深入分析。在合隔离开关之前，其负荷侧有一残荷（前一次分隔离开关时，触头间最后一次重燃熄灭时残余的电荷），残荷电压接近电源电压负幅值-vm；在合隔离开关过程中，触头间SF6间隙在电源电压正幅值vm击穿：这种巧合使得VFTO峰值接近可能的最大值。图2（a）中情况类似，不同之处在于：图2（a）中残余电荷来自于本次操作的前一次重燃，而图2（b）中的残余电荷来自上次操作的最后一次重燃。

基于上述现场实测和分析，当模拟计算最大VFTO峰值时，可考虑以下情况，并只需进行一次模拟：负荷侧的残荷电压为电源电压负幅值，而SF6间隙击穿发生在电源电压为正幅值时，反之亦可。

3.6 VFTO峰值[22]

在现场对隔离开关75111、75302和75321共进行了40次操作，根据波形分析了其幅值，结果见表2。表中同时也罗列了用外推法计算的幅值。

现场实测最大VFTO峰值为2.19pu，接近可能的最大VFTO峰值2.46pu。

在方式1中，对隔离开关75111进行多次分、合操作，没有出现明显的暂态振荡过程，证明合/分闸电阻对VFTO有很好的抑制效果。

3.7 电压上升率[22]

用外推法估算的负荷侧VFTO第一峰电压上升速度见表3。

表3 VFTO第一峰电压上升速度Tab.3 Calculated rise rate of the VFTO first peak pu/μs

目前，我国750kV GIS和变压器的雷电冲击耐受电压分别为2100kV和1950kV，即3.21pu和2.98pu。标准规定的雷电波的波头时间为1.2μs，因此相应的电压上升速度分别为2.68pu/μs和2.48pu/μs。

虽然可能出现的最大VFTO峰值为2.46pu，小于设备的雷电冲击耐受电压。但是，实测的VFTO上升速度达到10.00～12.64pu/μs，远大于雷电冲击耐受电压的上升速度。在如此高的电压峰值和上升速度下，绝缘性能的研究仍不充分，甚至在国内外标准中没有规定标准波形[24-25]。因此，根据方式1下（操作的隔离开关有合分闸电阻）的测量结果以及大量的数字模拟结果，建议在750kV GIS隔离开关中装设适当的合/分闸电阻，以限制VFTO的幅值和陡度。

3.8 VFTO的频率

国内外标准中VFTO的典型波形由2个频率分量构成，分别为0.3MHz

图3 标准中VFTO的典型波形Fig.3 Typical VFTO waveform in standards

表4 VFTO的频率Tab.4 VFTO frequency MHz

4 结论

在变电站操作750kV GIS中隔离开关40次，实测、分析了VFTO波形，可得出以下结论：

1）每个VFTO持续时间小于10μs，远远小于隔离开关触头间SF6间隙重燃的时间间隔。因此，当模拟VFTO时，无需考虑2个VFTO波形的重叠，但是前一次VFTO导致的残余电荷是第二次VFTO的初值。

2）残余电荷电压值可以是从电源电压零值到最大值之间的任意值。

3）在一次隔离开关操作中，重燃次数一般小于11次。

4）最大VFTO峰值实测值为2.19pu，通过外推法计算值为2.46pu。

5）通过外推法计算得VFTO上升速度可达12.64pu/μs，远远大于雷电冲击耐受电压的上升速度。

6）VFTO的频率范围为 2.0～4.4MHz。

7）限制VFTO幅值和陡度的有效措施为在隔离开关中装设合/分闸电阻。

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Analysis of VFTO Waveforms on-Site Measured on 750kV GIS

LI Yun-ge1,SHANG Yong2,SHI Rong2,ZHANG Lin2
（ 1.Shaanxi Electric Power Research Institute,Xi’an 710054,Shaanxi Province,China;2.Northwest China Grid Company Limited,Xi’an 710048,Shaanxi Province,China）

This paper presents the results of VFTO measurement at Guanting substation.By analyzing the oscillograms,characteristics of VFTO are achieved,including times of the arc restrike between the contacts of disconnectors,remnant voltage caused by trapped charge,VFTO′s duration,magnitude,rise rate,and frequency.The possible maximum of the magnitude and rise rate,estimated through an extrapolation method,are 2.46pu and 12.64pu/μs respectively.The research indicates that equipping closing/opening resistors in disconnectors is an effective way to suppress VFTO.

750kV;GIS;disconnectors;VFTO;closing/opening resistors

介绍了在750kV官亭变电站实测VFTO的方法，通过分析现场实测波形，得到了VFTO的持续时间、残余电荷的电压值、隔离开关触头间的电弧重燃次数、VFTO的峰值和上升速度、VFTO的频率范围。用外推法计算了最大VFTO峰值和上升速度，分别为2.46pu和12.64pu/μs。实测结果说明，限制由于隔离开关操作引起的VFTO的有效措施为在隔离开关中装设合/分闸电阻。

750kV;GIS;隔离开关;VFTO;合/分闸电阻

1674-3814（2011）11-0025-05

TM886

A

2011-07-12。

李云阁（1967—），男，博士，高级工程师，研究方向为电力系统过电压、高压设备状态监测；

尚 勇（1973—），男，博士，高级工程师，，从事电力系统规划和运行方面的研究工作；

施 荣（1977—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统优化运行、电压稳定；

张 琳（1980—），女，博士，高级工程师，从事电网系统规划、电网安全稳定方面的研究工作。

（编辑 冯露）