特高压GIS中快速暂态过电压的抑制措施研究

唐 瑭

（国网江苏省电力工程咨询有限公司，江苏 南京 210000）

在我国电力输送系统中，GIS变电站的应用早已普及。在GIS变电站中进行隔离开关的分合闸操作时，因为触点动作缓慢，而且隔离开关本身没有灭故性能，所以触点接触的空隙中会出现多次灭弧重燃现象，快速暂态过电压（VFTO）的产生频率非常高。在特高压系统中，发生故障时的损坏概率位于首位的是VFTO，大于雷电冲击和运行冲击下的损坏概率之和。在我国众多电压等级的电力系统中GIS设备较多，GIS运行设备被广泛应用于世界闻名的三峡电厂。GIS利用SF6介质将除变压器和架空线外的其他所有电气元件封装在某种金属的外部，具有小型化、紧凑性且占地面积小等优点，极适合在空间资源稀少的变电站场所使用，有利于环境的保护[1]。

1970年左右出现了特高压GIS变电站，VFTO的破坏性逐渐显露，专家们开始将研究重心放在该现象上。经验数据表明，330kV及以上GIS变电站开合空母线时，因为触点动作缓慢，隔离开关自身也不具备灭弧能力，发生VFTO的概率更大，破坏性也更强。VFTO的出现，已对电力系统运行的安全性、可靠性造成巨大威胁[2]。

因此该文针对特高压GIS内部暂态情况，以变电站实际运转为基础，把变电站的参数等效为分布电容的参数，对VFTO的危害及其抑制措施进行了详细描述。

1 GIS中的特快速暂态过电压

1.1 特快速暂态过电压综述

1.1.1 VFTO的产生原因和特点

GIS中会出现VFTO现象，因为技术原因，隔离开关触头表面不可能完全光滑，所以会在触头周围产生均匀磁场。阶跃电压波一旦产生，就会导致频率的急剧增加。该电压陡波在GIS内部连续折射和反射，最终形成快速较快的瞬态过电压，简称VFTO。

在合闸过程中，操作开关分合时触头运动速度较慢，触点间会发生第一次击穿。由于触头有电流流过，因此会引起火花放电电弧重燃。接下来的击穿近似于重新启动操作开关分合过程，导致电压幅度比首次击穿还大。在断开过程中，接触点缓慢移动，因此2个接触点间可能会发生类似于双快门的重复冲击，导致VFTO值增加[3]。

VFTO具有如下3个特点：1）幅值。一般情况下，大部分VFTO振幅相对较低，通常在2.0p.u.以下，只有个别VFTO振幅会在2.5p.u.以上。即便如此，VFTO也会在某种程度上带来一些伤害，仍然需要尽可能避免。由于GIS结构非常复杂，不同位置的VFTO幅值也不相同。2）陡度。当隔离开关失灵时，在均匀或稍不均匀的电场中，只需纳秒即可形成火花放电，并进一步形成通道。一般来说，根据电场的不均匀性程度，Tr可以为3ns～20ns。3）频率。VFTO的频率分为基频、高频和特高频3种。基频范围为几十至几千赫兹，高频可达几十兆赫兹，在VFTO中高频占大部分。特高频高达几百兆赫兹，幅值却非常低。

1.1.2 VFTO对设备绝缘性能的伤害

VFTO对设备绝缘性能的伤害主要分为2个方面[4]。1）绝缘老化。当操作隔离开关时，会发生电弧重燃，破坏GIS内部电气设备，使绝缘进一步老化。如果多次发生VFTO，虽然绝缘子能起到保护作用，但不断的冲击损伤也必然会造成严重事故。2）对二次设备的干扰。在GIS隔离开关运行过程中产生的VFTO的幅度与系统电压水平增加成正比，尤其是330kV以上的GIS。阶跃电压波在GIS中传播过程中不仅会影响一次设备，还会影响二次设备的安全。不同电压等级的系统，VFTO的耐受水平也不同。在同一电压等级下，雷电冲击电压及其相应的特速暂态过电压耐受水平见表1。

表1 不同电压等级下设备的雷电冲击电压和VFTO耐受水平

1.2 特快速暂态过电压的抑制措施

随着时代的发展，对VFTO抑制措施的探索也逐渐走向成熟。目前抑制VFTO的方法有很多，下文将简单介绍一些理论较成熟、应用较广泛的方法[5]。1）并联合闸电阻。经验表明，并联合闸电阻时电阻取值500Ω的抑制效果最好。进行隔离开关分合操作时，以500Ω电阻为辅助开关，先闭合辅助开关，借助500Ω电阻的阻尼作用消耗行波能量，再闭合主开关，在隔离开关上选择合适的合闸电阻，可以降低VFTO的幅值，并加快其衰减速度。由于该方法简单、有效且制造成本低，因此在实际工程中运用非常广泛。2）铁氧体磁环。铁氧体是一种高频磁性材料，它能更改一部分电路参数，近乎等效于串入母线的阻抗。铁氧体磁环串入母线中，能够大幅增加行波的能量损耗，使电压波从无衰减的自由震荡变为衰减的阻尼振荡，从而达到抑制VFTO的目的。3）简化布线程序。动态计算光伏电池的最大功率点，并通过双闭环控制使变流器工作在最大功率点，以达到最优化的目的。如果设计参数时，已考虑简化布线并替换为更简单的程序，则该方式实际参考意义不大。4）氧化锌避雷器。研究表明，氧化锌避雷器也有明显的缺陷，由于波头电压的陡度很大，带间隙的碳化硅避雷器不能起到可靠的保护左右，因此只能不间断养护避雷器，但这会在较大程度上增加人工工作量，是实际生产工作的一大问题。5）安装阻波器。在二次设备的入口安装高频阻波器。

该文选择了2种措施，即通过安装并联合闸电阻和铁氧体磁环来抑制VFTO。

2 GIS设备的电磁暂态分析模型

2.1 非线性电阻

非线性电阻如公式（1）所示。

式中：A为一个常数，与阀板的材料和尺寸有关，是一个小于1的非线性系数，其尺寸也与阀板的材料有较大关系，在SIC阀板中，该值通常为0.2。

由氧化锌组成的压敏电阻一般用于无间隙的金属氧化物避雷器。它的阀板比SIC阀板小很多，非常接近理想值（α=0）。其在正常工作条件下不需要串联放电间隙，主要原因是避雷器上流动的电流较小。

无间隙金属氧化物避雷器在暂态计算中可以使用非线性电阻来模拟；具有间隙的SIC避雷器可以通过串联电压控制开关与非线性电阻来进行模拟；超高压系统的避雷器则需要考虑雷电过电压对瞬态过程的影响，可以在回路中串联一定值的电感。

2.2 非线性电感

假设一个铁磁电感元件，作用电压、电流和总的磁链分别为u、i和w，非线性电感的暂态过程如公式（2）所示。

将公式（2）等值化为积分形式，如公式（3）所示。

按梯形积分公式，如公式（4）所示。

用b（t-Δt）表示磁链的历史记录，是已知量，如公式（5）所示。

如果将已知磁化特性w=f（i）带入公式（3），则有公式（6）。

同理，在暂态计算中也能用这种方法计算非线性电感元件。

3 特高压GIS变电站VFTO抑制方法的仿真研究

GIS断路器产生的VFTO随着系统电压水平增加而增加，尤其是330kV以上的GIS。VFTO可能会损坏GIS外壳和相关设备（例如变压器）的绝缘，并引起电磁干扰，进而影响二次设备。抑制VFTO可提高电力系统运行的稳定性和可靠性。因此，研究GIS中VFTO的抑制措施具有重要意义。

3.1 并联合阐电阻的抑制研究

并联合闸电阻是最常见的VFTO抑制措施，安装合闸电阻目前已在超、特高压GIS变电站普及。原理是隔离开关两侧的电阻与合闸电阻的组合，当分合操作开关时，合闸电阻串联电路，并利用串联阻尼作用降低VFTO的幅值，将电压波由无衰减的自由震荡变为衰减的阻尼振荡，以此来抑制VFTO。

合闸电阻示意图如图1所示。结合相关文献，当合闸电阻R1的阻值定为500Ω时，可获得最佳抑制效果。K是主开关，K1是辅助开关。工作原理是先闭合辅助开关K1，3μs后闭合主开关K，利用接入电阻后的阻尼作用增加行波能量的损耗，从而抑制VFTO。

图1 并联合闸电阻示意图

并联500Ω合闸电阻与无措施的情况下，将重要位置的VFTO幅值进行比较，见表2。

表2 并联500Ω合闸电阻与无措施GIS重要位置VFTO幅值的对比

由图1可知，无抑制措施时，原各重要位置VFTO的波形，电压波可近似等效为自由震荡。在并联合闸电阻500Ω后，可以看到VFTO波形变为阻尼振荡，VFTO随着时间推移而明显下降。从表2的数据可以看出，各重要位置的VFTO的幅值出现了较大程度的下降。

3.2 安装铁氧体磁环的抑制研究

铁氧体为非金属磁性材料，是半导体的一种。铁氧体磁环可等效为并联的电阻RD、电感LD，共同对电路产生作用。套上铁氧体磁环后，能改变隔离开关的局部电路参数，相当于在隔离开关断口与空载母线间串入了一个高阻值阻抗，可抑制电压波的传播，加大行波的损耗，从而抑制VFTO。

安装铁氧体磁环的等效电路如图2所示。

图2 铁氧磁环等效电路

图2中的参数可由相关文献获得，根据线路实际情况取值为70Ω，0.05mH。

安装铁氧体磁环与无措施情况下，将重要位置的VFTO幅值进行比较，见表3。

表3 安装铁氧体磁环与无措施GIS重要位置VFTO幅值的对比

可以看出，安装铁氧体磁环后，GIS重要位置VFTO的幅值出现了比较明显的下降。

从表3的数据可知，各重要位置的VFTO幅值均有下降，采取抑制措施后，最大降幅达到了1.5510MV。在加装铁氧体磁环后，各重要位置的VFTO幅值都达到了低于1.200MV=1.2024p.u.的效果，处于设备允许的安全电压幅值范围内。因此可以得出铁氧体磁环对VFTO有较好抑制效果的结论。

3.3 GIS变电站的2种VFTO抑制措施分析

上文在采取多种抑制方法后，在ATP-Draw软件中模拟了GIS主要设备上的速度较快的瞬态过电压波形。采取抑制方法前、后VFTO的值见表4，通过表4可知各种抑制方法对VFTO的抑制效果。

表4 采取各种抑制措施后关键设备上的VFTO幅值

由表4的数据可以明显看出，2种措施都有一定程度的抑制效果。各重要位置的VFTO值均有一定下降。采取抑制措施前VFTO幅值的同比下降率见表5。

表5 采取抑制措施前VFTO幅值的同比下降率

由表5可知，加装合闸电阻在断路器断口处的抑制效果最好，可使断路器端口的VFTO同比下降71.7%。加装铁氧体磁环在变压器侧隔离开关处的抑制效果最好，可使变压器侧隔离开关处的VFTO同比下降64.9%。综合所有重要位置，采取抑制措施前VFTO幅值、合闸电阻的总体性能更优越，2种措施均可有效抑制。但每种方法都有其自身局限性，因此应根据实际工程中的绝缘要求来选择合适的抑制方法。

4 结论

该文选取了安装并联合闸电阻和安装铁氧体磁环2种抑制措施，比较了各关键设备的仿真结果，并对数据进行了详细分析，得到的主要结论如下：1）VFTO是一种具有高振幅、高陡度和高频率的电压波。GIS隔离开关分合时，触头的空隙中灭弧和重燃的过程使产生的阶跃电压波在GIS中不断发生折射、反射和叠加，进而形成VFTO。长期这样将会为电气设备的安全埋下隐患。因此，进行参数设计时，应将VFTO列入考虑范围。2）通过比较GIS变电站重要位置的VFTO幅值变化和2种抑制措施可以得出，安装合闸电阻和安装铁氧体磁环均能有效抑制VFTO，但综合各重要位置VFTO幅值数据的变化，合闸电阻的抑制作用更明显，综合抑制VFTO的性能也优于铁氧体磁环。一般来说，安装并联合闸电阻的抑制效果优于安装铁氧体磁环。