特高压GIS隔离开关VFTO模拟发生及测量设备的研究

王天正++晋涛++俞华++李杰

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.097

摘 要：该文分析了目前国内外特高压装置中气体绝缘开关设备在例行操作过程中存在的快速暂态过压VFTO对设备的危害，开展了试验研究不同结构变压器与GIS连接下的VFTO特性以及GIS设备VFTO的现场测量。通过分析计算现场试验装置关键技术指标、现场试验中产生干扰的原因以及经过模拟和测量GIS设备中产生的VFTO，提出了试验设备优化组合方案，完善了测量设备各方面的能力和效用，为设备的维护和寿命周期的管理提供了可靠的基础。

关键词：特高压装置 GIS设备 快速暂态 过压 VFTO 现场测量

中图分类号：TM86 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0097-04

特高压一次设备在安装后因安装工艺及环境温度湿度的影响，在设备内部可能存在潜伏性的绝缘缺陷，若将原有的缺陷设备投入电力系统运行，将导致一次设备投运时或者运行一段时间后发生事故，如设备损坏、线路跳闸等[1-2]；同时，一次设备运行一段时间后，受电压、电流、温湿度、绝缘老化等因素影响，在设备中也可能产生潜伏性绝缘缺陷，影响设备安全运行。因此，新安装及运行一段时间检修后的一次设备在投运前必须进行现场高压试验，以诊断设备在运输、安装过程中是否受到损坏，安装质量是否符合要求，并检验新安装及运行一段时间的一次设备是否满足安全运行的技术要求。

目前，特高压系统中大量采用气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear，GIS）[3]，运行经验表明，GIS隔离开关接地开关和断路器在例行操作时会产生频率极高、波头极陡的快速暂态过电压VFTO（Very Fast front Transient Overvoltage，快速暂态过电压），不仅会引起GIS主回路对地故障，而且还会造成相邻设备（如变压器等）的绝缘损坏[4]，其对设备的危害成为了不可忽视的问题，如何开展试验研究不同结构变压器与GIS连接下的VFTO特性研究和研究GIS设备VFTO的现场测量、分析技术成为亟待解决的问题。特高压试验设备运输不便，应扩展现场试验诊断设备的使用范围，然而对于不同的设备，如何选取现场试验技术指标才能对被试品进行有效诊断以及诊断方案的制定都有待进一步研究。

该文通过分析计算现场试验装置关键技术指标，开展了高抗现场局部放電及交流耐压试验实用化研究，进一步提升设备局部放电现场诊断定位能力，开发实用的检测技术将有助于特高压交直流主设备现场综合诊断的正确性，保证特高压设备的健康水平；同时可减少试验时间、提高特高压设备的利用率。通过分析现场试验中产生干扰的原因和开发抗干扰抑制措施，可提高现场试验的灵敏度和正确率，将有助于提高发现设备潜在隐患的概率。通过模拟和测量GIS设备中产生的VFTO，研究分析VFTO产生的机理，开发VFTO的现场测量、抑制措施，保证特高压诊断试验和主设备的安全可靠性。通过带电检测技术手段，提出试验设备优化组合方案及关键技术指标，建立设备交接时的关键数据指纹信息系统，确立特高压设备投运前状态信息指纹特征健康档案，为投运后设备的运维和全寿命周期管理提供可靠的基础数据。

1 特高压装置性能测试

1.1 特高压交直流工程现场诊断试验能力提升研究

在研究过程中，依电抗器配置参数，分析计算现场试验装置关键技术指标，开展高抗现场局部放电及交流耐压试验实用化研究，此外，还研究小信号局放甄别技术，提升设备局部放电现场诊断定位能力，进一步开展检测和诊断技术研究，研究设备故障发生机理，掌握关联参数的变化规律与设备故障之间的关系，开发适用检测技术，提高检测和诊断有效性。

1.2 现场屏蔽接地及抗干扰技术研究

在现场屏蔽接地及抗干扰中，进行了电源系统干扰信号产生的原因研究分析，试验回路的抗干扰措施研究分析以及空间干扰及屏蔽措施研究。

1.3 气体绝缘金属封闭开关设备的特快速瞬态过电压测量研究

在设计中，开展了不同结构模拟变压器与GIS连接下的VFTO特性试验研究以及开展GIS设备VFTO现场测试技术与分析研究，其中发现不同连接方式波阻抗影响非常大，其对电压也有一定要求，包括波头时间、波长、振荡等。在测量装置上，需考虑到外接-分布参数影响以及方波响应等。

1.4 现场诊断试验能力拓展研究

在现有试验能力的基础上，扩大试验设备使用能力，覆盖面包含换流变压器、环流阀、直流穿墙套管、干式平波电抗器、直流滤波器、中性母线冲击电容器和交流滤波器、直流断路器、直流隔离开关、接地开关和旁路开关、直流避雷器等主要设备，提出试验设备优化组合方案及关键技术指标。

开展特殊试验过程中设备的诊断技术研究，重点以带电检测技术为手段，建立设备交接时的关键数据指纹信息系统，确立特高压设备投运前状态信息指纹特征健康档案，为投运后设备的运维提供可靠的基础数据。优化试验设备体积，改良设备宽度和高度，保障试验设备运输安全。

2 特高压装置的研究设计

通过研究国内外特高压GIS隔离开关VFTO的发生测量设备现状及技术理论，对遍地作业现场安全行为进行调研及相关技术、理论及规范调研，制出了以下装置。

2.1 800 kV/400 kV模拟运行加压装置

经过数学建模及模拟运行，最终线圈铁芯结构设计定稿为400 kV双绕组串联结构变压器（图1）。其结构为金属封闭GIS结构、绝缘考核800 kV/min、工作制为电压下连续运行。

2.2 GIS电气分部参数模拟装置

500～1 000 kV过度气室对接装置系统操作控制、测量、保护。

目前，已完成主要保护功能测试包括过压保护、过流保护、放电保护、超温预警、试验变压器过热保护。

（1）过压保护。

当试品电压超过设定的保护电压时（在试品加压前由试验人员设定），系统将自动切断输出，并提示过压保护。

（2）过流保护。

当调压器输出电流或者试验变压器输入电流超过设定的保护电流时（保护电流在产品出厂前设定），系统自动将输出电压降低到0并提示过流保护，防止系统以及试品因过流而损坏。

（3）放电保护。

当试品出现闪络或击穿放电时，系统迅速停止输出并提示放电保护。

（4）超温预警。

当试验变压器的低压绕组温度超过预警设定值时，系统会使用黄色指示灯指示温度超过预警温度。

（5）试验变压器过热保护。

当试验变压器的低压绕组温度达到试验变压器允许的最高运行温度时，系统会使用红色指示灯指示试验变压器的温度达到允许的最高运行温度，并立即自动使系统输出电压降低到0输出。

2.3 滤波箱设计

滤波箱内包括以下几个部分：滤波器、补偿电抗器、快速保护装置（图4）。

设计中，滤波器是采用PI型滤波器，用于增强系统对供电电源中存在的谐波分量的抗干扰能力。补偿电抗器是用于补償用于测试的容性负载，它是测试系统的一部分并且必须被一直连接到自耦调压器的输出与试验变压器进行并联，以保持自耦调压器的电流输出不超过其最大极限。快速保护装置用于保护试验变压器在试品出现闪络等情况时不受过电压的损害，同时也防止试品遭受恢复过电压的损害。此外，需要依据被试品的电容量大小来选择使用补偿电抗器的抽头。

3 结语

特高压交直流主设备现场诊断关键技术（包括特高压交直流工程现场诊断试验能力提升、现场屏蔽接地及抗干扰技术、气体绝缘金属封闭开关设备的VFTO测量、现场诊断试验能力拓展）着重解决目前特高压设备试验诊断工作中存在的主要问题，为特高压设备现场诊断提供相关试验技术指标、有效规范现场试验过程、缩短现场试验诊断时间、减少试验风险和成本、提高现场试验诊断工作的准确性，从而为特高压交直流设备的安全可靠运行提供保障。

参考文献

[1] 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.

[2] 李文艺，赵文强.1100kVGIS中隔离开关操作时产生VFTO的研究[J].电气制造，2008（20）：42-46.

[3] Povh D，Schimitt H.Modeling and analysis guidelines for very fast transient[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1996，11（4）：231-238.

[4] 万亦如，陈光，陈稼苗，等.交流特高压GIS变电站的VFTO研究[J].华东电力，2010，38（7）：43-47.