GIS中VFTO对隔离开关气室中盆式绝缘子的影响研究

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(沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870)

1 引言

GIS(Gas-Insulated Switchgear)以占地面积小、安全可靠等系列优点得到相关部门的认可，但GIS中隔离开关操作时会产生幅值较高、频率很大的快速暂态过电压VFTO(Very Fast Transient Over-voltage)，它对GIS的内部及邻近设备都可能造成危害[1-4]。鉴于GIS隔离开关气室中SF6气体的介电常数比绝缘子的低，容易产生沿面放电，另外绝缘介质在交变电场作用下引起损耗，使其发热，有发生热击穿的危险，因此绝缘子是气室中最薄弱的环节之一，故研究GIS中VFTO对隔离开关气室中盆式绝缘子的影响有着重要的实际意义。

结合实际结构，完善隔离开关燃弧状态时的等效电路模型，计算出气室中盆式绝缘子的等效对地电容，仿真计算出气室两端盆式绝缘子处的VFTO波形，并且提取出其包含的频率成份以及所对应的电压信息，分析了在VFTO作用下绝缘子的暂态电场分布，最后针对隔离开关在操作过程中出现故障的情况下，对VFTO使盆式绝缘子产生热量及危害性方面进行了讨论。

2 VFTO的数值计算

图1为某些变电站500kVGIS典型的部分接线图。

图1 500kVGIS部分接线图

针对500kVGIS典型部位结构的特点，给出GIS关键元件的等效模型和参数，如表1所示。表1中元件的模型和参数一部分来自文献[2-7]，另一部分是依据实际结构经过分析计算得出的。

GIS隔离开关气室内部的结构如图2所示，从图中可以看出其等效电路模型不能仅局限于断口部分，还需考虑两侧导体的长度以及两端盆式绝缘子的对地等效电容，隔离开关燃弧状态时的等效电路模型如图3所示。

图2 隔离开关结构示意图

图3 隔离开关燃弧等效电路模型图

当断开图1中CB，对DS1进行操作时，隔离开关气室两端盆式绝缘子处的VFTO波形如图4和图5所示。

图4 左端绝缘子处VFTO波形

表1 GIS关键元件的等效模型及参数

元件名称等效模型参数变压器LT=20mHCT=5000pF隔离开关(闭合)Z=70Ωυ=270m/μs隔离开关(燃弧) R=2ΩL=0.5μHC=20pF 盆式绝缘子C=8.4pF断路器(闭合) Z=70Ωυ=270m/μs 断路器(断开)C1=140pFC2=830pFC3=190pF接地开关C=240pF

图5 右端绝缘子处VFTO波形

对这两处VFTO波形进行快速傅里叶变换，结果如图6和图7所示。

图6 左端绝缘子VFTO波形频谱图

图7 右端绝缘子VFTO波形频谱图

从图4和图5中可以看出左端和右端绝缘子处VFTO的最大值标幺值分别为2.1732p.u和2.5182p.u。从图6和图7中可以看出这两处VFTO波形的频率成份很丰富，并且数值很大，多数集中于2.75～60.65MHz，也有少数超过100MHz。

3 VFTO作用下盆式绝缘子的电场特性

3.1 盆式绝缘子的暂态电场分布

鉴于右端盆式绝缘子处VFTO比左端的最大值高了许多，选择右端盆式绝缘子作为分析的重点，根据实际结构，建立右端盆式绝缘子处的计算结构示意图，如图8所示，计算的场域中主要包括SF6气体和环氧树脂。

电场计算的剖分示意图如图9所示，该处的VFTO波形包含有2.75MHz、14.25MHz、17.25MHz、44.8MHz、60.65MHz和213.95MHz等频率分量，利用这些频率分量作为边界，采用有限元方法计算出各频率分量作用下盆式绝缘子处的电位分布，然后对各分量的响应进行叠加，得出各分量共同作用下整个计算区域的电位分布，如图10所示。

图8 计算结构示意图 图9 电场计算的剖分示意图

图10 各分量共同作用下的电位分布

从各频率分量单独作用下和各分量共同作用下的电位分布图可以看到：(1)它们的共同点是等电位线在盆式绝缘子和SF6气体交接处均发生了弯曲，这是由于SF6气体的介电常数比环氧树脂的小而导致的，同时在气体绝缘设备中沿固体绝缘表面容易发生放电现象[1,4]，因而盆式绝缘子沿面的电场分布要作为重点研究对象；(2)它们的不同点是各个频率分量作用下产生的弯曲度不同，因为在高频电压作用下，绝缘介质中存在松弛极化，造成偶极子动能与电场能之间转化的不平衡导致消耗电场能量而使介质内部发热，引起介质损耗[1,4,9-10]。由此可见，在VFTO作用下松弛极化使盆式绝缘子沿面的电场强度发生了变化，在分析盆式绝缘子的沿面电场强度分布时应予以考虑松弛极化的影响，而当考虑松弛极化时，也应考虑绝缘介质内部的发热情况。

3.2 盆式绝缘子沿面的场强分布

影响电场分布的主要因素是场强的集中度和电场的作用方向，顺着绝缘子表面与垂直于绝缘子表面的放电情况有所不同[1]，所以下面重点分析绝缘子的表面电场强度以及法向和切向电场强度，如图11～图14所示。

图11 VFTO作用下绝缘子上表面的场强分布

图12 VFTO作用下绝缘子上表面法向、切向场强分布

图13 VFTO作用下绝缘子下表面的场强分布

图14 VFTO作用下绝缘子下表面法向、切向场强分布

经过对GIS隔离开关气室中盆式绝缘子在VFTO作用下的电场强度的分析可知，盆式绝缘子上表面的电场强度最大值为7.63kV/mm，下表面的电场强度最大值为6.19kV/mm。为了更具体的分析盆式绝缘子的电场特性，对其上、下表面的切向和法向电场强度作进一步分析可得，盆式绝缘子上表面的切向电场强度最大值4.34kV/mm，下表面的切向电场强度最大值达到5.95kV/mm；上表面的法向电场强度最大值7.31kV/mm，下表面的法向电场强度最大值为3.46 kV/mm。由此可知，GIS隔离开关气室中盆式绝缘子的下表面可能较容易发生电晕放电现象，而上表面则可能容易发生滑闪放电现象[1]。

4 VFTO作用下盆式绝缘子的发热情况

Pa=UIcosφ=UIa=UIrtanδ=U2ωCtanδ=2πfU2Ctanδ

式中：U、I、Ia、Ir、tanδ等分别代表总电压、总电流、有功和无功电流的有效值和介质损耗角的正切值等，在高频电压作用下，绝缘介质中存在松弛极化，其介电常数用复数ε*来表示为[4,9-10]：ε*=ε′-jε″

经过整理得到绝缘子在交变电压作用下的平均发热功率为：

将VFTO波形的频率及相应的电压信息代入上式可分别得到气室右端和左端盆式绝缘子处的平均发热功率分别近似为2024.8kW和783.2kW。经过计算可知，气室两端的盆式绝缘子在VFTO作用下产生了较高的平均发热功率，并且右端盆式绝缘子处的平均发热功率超过左端的2倍，由此可知，在相同情况下，右端绝缘子发生热击穿的可能性高于左端。

在正常情况下，GIS隔离开关完成分、合闸的过程时间比较短[11]，产生的热量也就比较少，但是隔离开关一旦发生动触头在分、合闸操作过程中停止的现象等故障时，隔离开关断口之间就会出现连续放电的现象[12，13]，VFTO波形的连续存在，使绝缘子内部产生大量的热量，随着故障时间的增加，热量上升的速度很快，尤其是右端盆式绝缘子处，所以一旦隔离开关发生上述故障且不能及时排除时，将会在盆式绝缘子处集聚相当大的热量，盆式绝缘子的温度一旦超过热击穿的临界温度，就会发生热击穿现象。

由于在实际运行中绝缘系统内部温度分布很不均匀，各部分的温升并不相同，最热点通常在绝缘内部，在最热点处出现点状热击穿而引起热通道，并使击穿进一步漫延[9，10]，从而破坏盆式绝缘子的机械、物理和化学等性能，更严重的可能会导致整个隔离开关气室的故障，甚至引发整个变电站的事故。

5 结论

(1)考虑GIS隔离开关气室中动、静触头两侧导体的长度，进一步完善隔离开关燃弧状态时的等效电路模型；利用电场能量法计算出气室两端盆式绝缘子的对地等效电容值，为VFTO的计算提供了具体的参数，同时仿真计算出气室两端盆式绝缘子处的VFTO波形，得出气室右端和左端盆式绝缘子处VFTO的最大值标幺值分别为2.5182p.u和2.1732p.u，并且提取出所包含的频率成份。

(2)给出了盆式绝缘子的有限元模型，计算出VFTO作用下盆式绝缘子的暂态电场分布，认为在分析盆式绝缘子的沿面场强分布时应考虑松弛极化的影响，进而应考虑绝缘介质内部的发热情况。

(3)在VFTO作用下，气室右端盆式绝缘子上、下表面的场强最大值分别为7.63kV/mm和6.19kV/mm，上表面的最大切向、法向电场强度为4.34kV/mm和7.31kV/mm，下表面的最大切向、法向电场强度为5.95kV/mm和3.46kV/mm，盆式绝缘子下表面可能容易发生电晕放电现象，上表面容易发生滑闪放电现象。

(4)VFTO使气室中的绝缘子发热，右端盆式绝缘子处的平均发热功率超过左端的2倍，由此可知，当VFTO持续存在时，VFTO使盆式绝缘子中产生的热量就会升高，温度一旦超过热击穿的临界值，右端盆式绝缘子可能会首先发生热击穿现象。

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