隔离开关开合母线充电电流瞬态过电压影响浅析

隋文婧，马一丁

(新东北电气集团高压开关有限公司，辽宁 沈阳 110027)

隔离开关开合母线充电电流瞬态过电压影响浅析

隋文婧，马一丁

(新东北电气集团高压开关有限公司，辽宁 沈阳 110027)

随着产业结构调整步伐的加快，电力设备需求量逐年增加，气体绝缘金属封闭开关设备增量迅猛。隔离开关作为其主要单元，运行的长期性和稳定性尤为关键，其中瞬态过电压对隔离开关的影响得到了越来越多的关注。重点介绍了瞬态过电压的种类，其各自的产生原理、主要特点和典型危害。以800kV GIS隔离开关为典型实例，介绍了为耐受瞬态过电压而进行的特殊设计，并通过试验对该设计结构进行考核，试验结果表明，特殊设计达到了预期的效果。另外还提出了一些其他的预防措施和方法。

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)；隔离开关；快速瞬态过电压(VFTO)；瞬态壳体电压(TEV)

1 引言

随着我国产业结构调整步伐的加快，各行业对电力的需求不断增长，电力设备的需求量也逐年增加。气体绝缘金属封闭开关设备(以下简称GIS)以其占地面积小、集成化程度高、运行稳定可靠、维护简单易学、抗震性能高等优点得到广大用户的青睐。

隔离开关作为GIS的重要组成单元在整套GIS中大量使用，他的稳定可靠对GIS的影响极大。随着电站规模的不断扩大、线路长度的逐渐变长、电网互联的交错复杂，隔离开关的操作越来越频繁，而操作过程中形成的瞬态过电压可能对一次设备、二次设备、电力系统和运行维护人员造成伤害。

2 瞬态过电压的种类

对电气设备和运行维护人员危害最大的瞬态过电压有两种：快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage,以下简称VFTO)和瞬态壳体电压(transient enclosure voltage，以下简称TEV)。

3 快速瞬态过电压(VFTO)

VFTO是断路器、隔离开关或接地开关操作以及发生单相接地故障产生的，其中隔离开关操作是其产生的主要原因。随着电压等级提高，GIS设备的雷电冲击耐受电压与VFTO间的裕度减小，在超高压和特高压系统更为突出。

3.1 产生原理

GIS中隔离开关操作空载短母线时，由于触头运动速度较慢，造成隔离开关断口间隙多次重燃，产生陡变的行波，在GIS波阻抗变化的节点发生多次折反射和叠加，形成VFTO。VFTO的产生原理见图1，图中，US为电源电压值；UI为残余电压值；UP为VFTO幅值。

图1 VFTO的产生原理

3.2 主要特点

(1)VFTO上升时间短，少至数ns，主要频率为几MHz至几十NHz，最高频率可达100MHz。

(2)VFTO幅值的范围一般为1.5～2.8p.u.，理论上计算得到的幅值最大值接近或超过3.0p.u.。

3.3 典型危害

(1)电弧多次复燃，当触头屏蔽设计不良时，可能出现电弧漂移接地(见图2)，形成接地故障；

图2 电弧漂移接地

(2)由于电弧多次复燃，电弧产生的高温和导电粒子使隔离开关触头部位对地绝缘强度下降，在VFTO作用下发生对地闪络，进而引发接地故障；

(3)当GIS的绝缘支撑件表面附有导电粒子或GIS导体表面有尖角、毛刺时，产品耐受VFTO的能力下降；

(4)VFTO传导到变压器，也可能造成其绝缘破坏。

4 瞬态壳体电压(TEV)

TEV是在GIS外壳和地之间出现的陡波前过电压，是由于阶跃电压行波在外壳的各个断点处(即与电缆或架空线的连接处)的折射引起的。该电压对二次设备的影响尤为明显。

4.1 产生原理

GIS母线导体和母线外壳构成传输线①，母线外壳和地面构成传输线②,当内部行波传播到气体和空气套管时(即传播在传输线①上)，一部分电磁场被耦合到GIS外壳和地的传输线②上形成TEV。TEV的产生原理见图3。

图3 TEV的产生原理

TEV的峰值取决于外壳离地面的高度、外壳与接地系统的连接方式及接地系统本身。

4.2 主要特点

(1)TEV的幅值为0.05～0.25p.u.，主要频率为5～10MHz，持续时间达数ms。

(2)TEV在GIS周围二次设备中产生电磁干扰。GIS外壳附近的电场强度一般为10kV/m，磁场强度幅值为数十A/m。

4.3 典型危害

(1)TEV将影响二次设备的绝缘，并对测量控制设备产生电磁干扰，造成二次设备的误动作。

(2)GIS外壳多距离地面较近，人可触及的部位较多，产生的TEV可能危及人身安全。

5 800kVGIS隔离开关设计实例

800kVGIS作为我国西北地区的主干电网，在国家西部大开发战略不断深化的背景下得到了快速的发展。我公司作为国内800kVGIS电气设备三大供应商之一，有义务为西北电网提供安全、可靠、保证长期稳定运行的产品。因此，在产品开发初期我们就注意到了瞬态过电压对隔离开关的影响，除了常规的新产品设计外，我们还从电场结构、动力系统和特殊工艺三大方面加以保证。

5.1 电场结构设计

超高压和特高压GIS中的隔离开关发生对地闪络的主要原因是其额定雷电冲击耐受水平和额定电压之比不够高，耐受不住瞬态过电压。本次在进行静态电场设计时，首先保证了设计场强值满足许用场强值要求，800kV额定绝缘水平见表1。此外，还通过电场进一步优化，降低了产品的最大场强值。即所有部位在各种雷电冲击加压方式情况下，最大值不超过25kV/cm，各部位电场云图见图4。

表1 额定绝缘水平

图4 隔离开关屏蔽罩电场分布云图

为了防止电弧漂移接地，本次设计的屏蔽罩特殊加大了头部尺寸。为保证电场结构安全，隔离开关罐体也由原来的直筒结构改为类似的“扁球形”结构以配合加大的屏蔽罩头部结构。

5.2 动力系统设计

隔离开关发生对地闪络的另一原因是断口发生多次重燃，触头部位对地绝缘强度下降。为减少重燃次数，将隔离开关分合闸速度由一般的0.1m/s提高到0.25m/s，并对本体结构刚度重新进行设计，这样重燃次数可以减少50%以上。

图书的形态从长形式演变成长形式与网形式的结合，使传统的长形式图书在保持自身特有优势的基础上又兼具了网形式的功能，延伸了图书的产业链，图书的商业价值与阅读价值均得到了较好体现。

为了提高分合闸速度，对隔离开关的动力系统进行了重新设计。第一，提高电机的额定功率和额定转速增加了动力输出；第二，设计了全新的传动环节，通过更改齿轮的齿形和模数达到了高速、稳定传动的目的；第三，通过提高输出级齿轮传动比和更改齿轮材料、模数的方法，达到最终提高分合闸速度的目的。

5.3 特殊工艺设计

隔离开关断口发生多次重燃，导致触头部位对地绝缘强度下降的原因除了速度问题还有工艺问题。隔离开关的触头一般为纯铝或纯铜结构，正常高电压等级可以满足要求，本产品为了减少断口多次重燃对触头的烧损，触头头部采用了断路器中引弧触头增加铜钨结构的烧结工艺，提高了触头的耐烧蚀程度，减少了分解物的产生。动静侧引弧触头见图5。

图5 动静侧引弧触头

6 隔离开关开合母线充电电流试验

为了证明新研制的800kVGIS隔离开关能够满足瞬态过电压的使用工况，我公司于2014年初在西安高压电器研究院进行了开合母线充电电流的其中两个方式试验：试验方式(1)为非常短的母线(管)段的开合；试验方式(2)为在180°失步条件下对断路器并联电容器的开合。

6.1 试验依据

本次试验依据的标准为GB 1985-2004 高压交流隔离开关和接地开关。其中试验回路原理图见图6，图中，DT为被试隔离开关；DA为辅助隔离开关；CP为断路器并联电容器或等效电容器。

试验实施过程如下：方式(1)在DT开始合闸操作之前，先合DA，DA负载侧施加规定的直流电压数值，保持1min后分开DA，然后进行DT合闸-分闸操作；方式(2)直接在回路中串联800kVGIS断路器。试验参数见表2，表中：Ur——额定电压。

图6 试验回路原理图

表2 关合和开断试验的试验电压

按照GB 1985-2004的要求，在每个试验方式的整个试验系列中隔离开关不应检修和调整。我公司产品在本次试验中进行了加严考核，试验方式(1)和试验方式(2)连续进行，中间未进行检修和调整，各进行了50次的合闸-分闸操作。

为了全面反应GIS开关设备在试验中各个位置的TEV分布情况，特设置了多处TEV测量点。

6.3 试验结果

按照试验方式(1)进行操作的合闸过电压典型示波图见图7(a)，过电压为2.1倍的p.u.；按照试验方式2进行操作的合闸过电压典型示波图见图7(b)，过电压为2.6倍的p.u.；TVE的测量极值出现在控制柜的外壳上，发生在试验方式(2)的过程中，典型示波图见图7(c)，最大值为25.27kV。

7 结论

通过隔离开关开合母线充电电流试验方式1和试验方式2的考核，证明800kVGIS隔离开关在耐受瞬态过电压方面的能力是经得起试验验证的。VFTO的最大值为2.6倍的p.u.，在理论计算的范围内；TVE的最大值为25.27kV，实际工程中是可以控制的。

试验后动静侧引弧触头的烧损情况见图8。

图7 典型示波图

图8 动静侧引弧触头烧损情况

从试验结果来看，800kVGIS隔离开关有针对性的特殊设计起到了良好的效果。触头的重燃次数已大量减少；触头的烧损程度已相当轻微；试验过程中也未发生电弧漂移接地的情况。

从测试结果来看，TEV峰值在控制柜外壳处最大。为了提高控制设备的抗干扰能力，在提高其自身抗干扰能力的同时还应该选取距离隔离开关以及断路器较远的位置安装控制柜；同时控制柜的接地最好能够与开关设备共用一个底架，并确保底架的良好接地。

[1] GB 1985-2004.高压交流隔离开关和接地开关[S].

[2] 邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3] 黎斌.SF6高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4] 陈维江，颜湘莲，王绍武，等.气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压研究的新进展[J].中国电机工程学报，2011,31(31):1-11

[5] 林莘.现代高压电器技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

Analysis of Transient Overvoltage Influence of Disconnector Switching Bus-charging Current

SUIWen-jing,MAYi-ding

(New Northeast Electric Group High Voltage Switchgear Co.Ltd.，Shenyang 110027,China)

The quickening pace of industrial structure adjustment, the demand of electric power equipment increases year by year, gas insulated metal enclosed switchgear increment rapid. Disconnector as the main unit, it is important to run long-term and stability, in which the transient overvoltage effect on disconnector got more and more attention. This paper mainly introduces the types of transient overvoltage, their respective principles, main characteristics and typical hazards. In a 800 kV GIS disconnector as a typical example, this paper introduces the transient overvoltage for tolerance of special design, and through the test to examine the structure of the design, the test results show that the special design achieved the expected result. Also put forward some prevention measures and methods of the other.

gas insulated metal enclosed switchgear(GIS);disconnector;fast transient overvoltage(VFTO);transient enclosure voltage(TEV)

1004-289X(2015)03-0001-04

TM56

B

2014-11-24

隋文婧(1982-)，女，学士学位，现从事高压开关设备的开发与设计工作； 马一丁(1984-)，男，硕士学位，现从事高压开关设备的开发与设计工作。