550kV GIS 中快速暂态过电压仿真及防护措施研究

柳伟青　杨　琴　邓传海　肖阶平　王　涵

（1. 东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林　132012；2. 东北电力大学信息工程学院，吉林 吉林　132012）



550kV GIS 中快速暂态过电压仿真及防护措施研究

柳伟青1杨琴2邓传海1肖阶平1王涵1

（1. 东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林132012；2. 东北电力大学信息工程学院，吉林 吉林132012）

摘要目前，随着全封闭组合电器（GIS）的广泛应用于电力系统，尤其是在超、特高压系统中，由隔离开关操作引起的特快速暂态过电压（VFTO）对设备造成的危害得到普遍关注。首先利用电磁暂态仿真软件（ATP-EMTP）仿真计算550kV GIS中在操作母线侧隔离开关的操作方式下一些主要节点的VFTO波形和幅值。然后提出并分析抑制GIS系统中VFTO的措施，分别是附加合闸电阻、加装避雷器、利用接地开关泄放残余电荷、主变高压侧加装并联耦合电容器的方法，为超、特高压GIS设备的设计及生产提供依据。

关键词：全封闭组合电器；快速暂态过电压；仿真；隔离开关；防护措施

在电网系统中随着电压等级的不断升高，由于GIS具有占地面积少和空间体积小、可靠性高、维修周期长、运行费用低、有利于环境保护等优点，在电力系统中得到广泛应用。研究表明，隔离开关（DS）没有灭弧装置，对于330kV及以上电压等级的GIS中隔离开关的操作会产生VFTO，其主要特点是幅值一般不超过2.5p.u.（标幺值），最高可达到3.0p.u.，频率可达到几十甚至上百MHz，且波形陡度比较大，上升时间ns级[1-3]，这不但对主回路本体设备容易引起对地故障，而且造成相邻设备（如变压器等）的绝缘损坏，甚至二次设备也产生严重的影响[4-8]。

以往对VFTO的研究方法主要是理论分析、实验室模拟实验、计算机的数值模拟仿真以及现场实测实验。完全利用实测试验固然是最可靠的，但不现实，也没有必要让电力系统承担如此大的风险。因此最安全可靠的办法就是利用计算机数值模拟进行分析隔离开关操作对VFTO幅值、振荡频率、波头陡度的影响[9]。在此基础上研究采取一定的防护手段尽量抑制VFTO的办法。

EMTP是用数值计算的方法来模拟电力系统的电磁暂态现象，随着500kV输变电系统的建设，EMTP程序由于具有成本低、使用方便、仿真准确的优点，可模拟多种在现场和实验室无法做的试验，其在电力工业领域的应用越来越广泛[10]。利用EMTP计算VFTO，采用集中或分布式的电感或电容来模拟各电气设备，真实可靠、计算精度较高，为科研、设计和运行提供可靠的数值依据。

本文以某550kV系统为例，选取操作母线侧隔离开关的操作方式利用EMTP软件进行仿真计算产生的VFTO，重点考察变压器出口及关键设备处VFTO的幅值大小，提出抑制VFTO的一些措施。

1　模型的建立及仿真计算

1.1550kV GIS系统

某550kV GIS电气主接线图如图1所示。被研究的高压变电装置采用GIS结构，电气主接线为3/2断路器接线形式，出线三回，三组变压器。其中每条线路出口各布置一台避雷器以及一组接地开关，母线上各装设一组电压互感器。

图1　550kV GIS电气主接线示意图

1.2元件模型及参数的选取

本文采用传统的GIS元件电路模型，用单相电路进行模拟仿真。

在变压器模型的选取方面，文献[1]指出，当试验时间为2～30μs时，变压器波过程基本测不出励磁电流，计算可采用等效电感和入口电容等效变压器。

GIS母线、电缆和架空线路均采用无损均匀传输线模型，气体绝缘变电站GIS内同轴母线外壳与电缆内导体和屏蔽导体的波阻抗由式（1）决定[11]：

式中，R1为屏蔽导体的内半径，R2为内导体的半径。经计算本系统中GIS母线波阻抗为63Ω，架空线路波阻抗为165Ω。

在文献[12-14]中表明，燃弧状态的隔离开关可用指数函数表示的时变电阻模型、分段电弧模型、动态电弧模型来进行模拟。稳态燃弧阶段弧阻基本为恒定，在0.5～5Ω之间取值时，对仿真影响不大。本文为了研究方便，同时不失一般性，选取燃弧状态为稳态值2Ω。

在目前运行的550kV系统中，母线侧为420kV避雷器，线路侧为444kV避雷器。420kV避雷器电气特性见表1[15]。

表1　550kV变电站MOA电气特性

将GIS设备中各元件和设备的模型及参数用表2等效。

表2　550kV GIS中各元件和设备的模型及参数

1.3仿真计算分析

GIS中CB有专门的灭弧装置，分闸时一般不会产生重燃，而DS操作时可能会发生重燃，以及在管母中多次折、反射后会产生VFTO。通过以往经验可知，在单机、单变、单回线的运行工况方式最为严重。因此本文给出了一种运行方式为：#1主变运行，经#2母线直接向线路2L送电。此时断路器在断开状态、母线已工作，合母线侧隔离开关DS31，由此确定系统的计算模型。根据元件参数设定仿真步长为10−9s和计算时间为20μs。同时考虑重燃最严重的情形，即电源侧电压为1.0p.u.，负载侧电压为−1.0p.u.（对于500kV系统中，1p.u.=550×= 449kV）。

参照文献[16]，在上述操作方式下建立的EMTP仿真模型如图2所示。

图2　550kV系统仿真模型图

通过计算得到的各测试点电压幅值见表3，其仿真波形如图3至图5所示。

表3　各测试点VFTO的幅值

图3　操作的隔离开关处的VFTO波形

图4　母线末端处的VFTO波形

图5　主变出口处的VFTO波形

被操作的隔离开关DS31与断路器CB31之间的短线上容易产生比较大的VFTO，经计算其幅值为1.656p.u.（743.544kV）。在主变出口处VFTO的幅值较小为1.307p.u.（586.843kV），对主绝缘影响不大，但是由于主变结构的特殊性及累积效应，同时上升陂度大、振荡频率分量高，过电压对主变的危害也很大。在母线末端部由于波在传播过程中多次折、反射造成VFTO幅值最高，可达到2.038p.u. （915.065kV），其频率包含了各个分量（几百kHz至十几MHz），电压波形由各个频率叠加而成。

2　相关的防护措施

从上述仿真得到的几个关键测试点VFTO的波形发现幅值都不超过2.5p.u.，但从图中可看到陂前陡度及振荡频率很高，需要采取防护措施进行抑制。

2.1加装分合闸电阻

工作原理[17]为：分合闸电阻装在静触头处，当动触头闭合时，分合闸电阻被旁路；当触头击穿或重燃时，动触头与分合闸电阻都同时接入电路；当动触头完全断开后电弧熄灭，分合闸电阻不接入电路。本文计算在隔离开关上装设不同阻值的分合闸电阻时，产生的过电压幅值见表4。

表4　不同阻值的合闸电阻产生的VFTO的幅值

通过仿真计算，发现三种位置处产生的VFTO的幅值都与合闸电阻的阻值成线性反比关系。以主变出口处为例，当并联400Ω分合闸电阻时，可以使变压器入口处过电压幅值降到1.042p.u.（467.858kV）。

由此可见，在隔离开关上操作的过程中先串入合适的分合闸电阻，阻尼作用使行波上升时间下降，VFTO由无衰减的自由振荡变为有规律的振荡，对VFTO的抑制效果明显。然而由于GIS紧凑使得隔离开关结构复杂，增加了技术和工艺上的难度，削弱了系统的可靠性从而增加了故障概率。

2.2加装避雷器

在目前应用中，国内大多数为线路上安装避雷器对雷击过电压进行抑制。对于GIS系统，可以试着考虑在主变出口处、母线处安装避雷器抑制VFTO[18]。由于VFTO的波头很陡，带间隙的碳化硅避雷器不可能可靠的保护，所以本文考虑在靠近主变侧距变压器5～10m处和距母线首段10～15m处上分别加装一组无间隙氧化锌避雷器。避雷器用表1的非线性伏安特性的电阻来模拟，经计算各测试点过电压幅值见表5。

表5　各测试点VFTO的幅值

与前面未加防护措施的结果相比较可知，由于避雷器的非线性电阻特征，两种位置加装避雷器都可对VFTO有一定的衰减作用，也会降低电压幅值的振荡幅度。在主变侧加装避雷器对主变出口处抑制VFTO的效果较为明显，而在母线上加装避雷器对操作的隔离开关处起到抑制VFTO的作用。

加装避雷器对VFTO的保护距离有限，需要几个避雷器才能保护整个GIS。因此，在主变侧、母线侧以及出线处同时加装避雷器时，对VFTO的抑制效果更为明显，其各测试点过电压幅值如表6所示，电压波形如图6所示。

表6　各测试点VFTO的幅值

图6　加装多组避雷器时主变出口处的VFTO的波形

由表6和图6可以看出，在多位置处安装多组避雷器后对GIS内各设备上的VFTO幅值有较好的限制效果，在主变出口处使VFTO最大值降低了15%，并加速了VFTO的衰减。不足的是对VFTO的抑制程度有限，而且其对频率和陡度基本无影响。同时也增加了投资。

2.3利用接地开关泄放残余电荷

当隔离开关对空母线断开后，母线上的残余电荷衰减得很慢，会影响VFTO的幅值。本文选取被切合母线上不同的残留电荷水平，计算操作隔离开关时GIS设备中各主要节点VFTO的幅值，计算结果见表7。

根据分析可知，操作开关处、母线末端处、主变出口处的VFTO幅值与残余电荷电压间呈近似线性正比关系，即母线上残余电荷电压越高，隔离开关操作产生的VFTO越大。因此，在母线及线路停电后及时利用接地开关来泄放残余电荷完尽后，仿真计算可得接地开关动作能将母线上、操作的隔离开关处、主变的出口处的VFTO幅值分别抑制在1.53p.u.、1.33p.u.、1.17p.u.左右，效果比较明显。

表7　不同的残余电荷在各测试点产生的VFTO的幅值

2.4主变高压侧加装并联电容器

在主变高压侧并接电容器，等于增大主变的入口电容值，有效地降低传向变压器的VFTO的波前陡度，减少对主变绕组的危害。本文初步计算不同的并联电容值，其各测试点电压幅值如表8所示。

表8　不同电容值的并联电容器产生的VFTO的幅值

由表8可知，主变的入口电容对VFTO的幅值有一定的影响。当加装不同的并联电容器，其对各设备处VFTO的影响是不同的。在离主变很近的位置，其测试点幅值与并联电容值成近似线性反比关系，有效降低进入主变的电压振荡幅度和波前陡度。而对于GIS设备中其他测试点幅值与并联电容值成近似线性正比关系。而不同的电容值对于操作隔离开关处电压幅值影响不大。从表8中可知，当主变的入口电容小于5000pF，在主变入口靠近主变很近的地方VFTO的幅值减小较快，入口电容小于5000pF其幅值减小较慢，而其他设备测试点则增加幅度不大。所以，由资料可知入口电容等值与电压等级、容量和结构有关[19]，在与GIS系统相连的变压器设计方面，可合理的设计变压器的绕组和匝间结构，使入口电容尽量接近5000pF。但是由于主变的入口电容和等效电感，以及其他设备的电容值有可能产生串联谐振[20]，因此在设计的时候要多加考虑。

3　结论

本文选取了550kV GIS系统，计算了操作的母线侧隔离开关处、母线末端处、主变出口处的VFTO，并提出了几种抑制措施。主要结论如下：

1）当550kV GIS系统内不采取任何的抑制VFTO的措施，由隔离开关产生的VFTO最大幅值可能并不是很大，但由于变压器的累积效应和特殊结构，会对变压器绝缘造成影响，长期也会有损其他GIS设备的绝缘，使母线老化和危害相连二次设备。

2）在隔离开关上断口处串入400Ω的分合闸电阻，阻尼作用使各位置处电压降低到1.1p.u.附近，对VFTO的抑制效果明显。但是大大增加了GIS的复杂程度及投资成本。

3）在不同位置处安装多组避雷器后对VFTO幅值有一定的限制效果，但不足的是抑制程度有限，而且其对频率和陡度基本无影响。

4）在母线及线路停电后及时利用接地开关来泄放残余电荷能有效的抑制操作产生的VFTO幅值。

5）合理的设计变压器的绕组和匝间结构，使入口等效电容尽量接近5000pF，也可抑制隔离开关操作产生的VFTO。但要考虑是否会产生谐振现象。

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柳伟青（1986-），男，硕士研究生，主要研究方向为过电压特性分析及防护。

The Simulation and Protective Measures Study by Simulation on VFTO in GIS

Liu Weiqing1Yang Qin2Deng Chuanhai1Xiao Jieping1Wang Han1
(1. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin132012; 2. School of Information Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin132012)

Abstract At present, with the wide application of Gas Insulated Switchgear(GIS) in power system, especially in Super Voltage and UHV systems, the damage of equipment caused by Very Fast Transient Over-voltage(VFTO) for disconnector operation get widespread attention. First, obtain the VFTO waveform and amplitude of some main node under Bus-side disconnector operation in a 550kV GIS by using the electromagnetic transient simulation software(ATP-EMTP). Furthermore, the measure to restrain the VFTO in GIS system is propsed by adding closing resistance, loading metal oxide arrester, using grounding switch to release residual charge, paralleling coupling capacitor in high voltage side of main transformer; the method provide a reference to design and product Super Voltage or UHV GIS equipment.

Keywords：gas Insulated Switchgear；very fast transient overvoltage；simulation；disconnector；protective measures

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