静电场仿真在550 kV隔离开关VFTO故障解决中的应用

摘要：快速暂态过电压（VFTO）一直是高电压等级气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）运行中不容忽视的问题，尤其是550 kV及以上的设备。现结合一起典型的550 kV隔离开关（DS）产生的VFTO导致接地故障的案例，对故障原因进行了分析推断；通过静电场仿真结果的对比，对设计进行了改善；新方案通过了开合母线充电电流方式1和方式3的型式试验，随后对客户的设备进行了升级替换；改善后的设备带电运行数年后的结果表明，改善效果良好，再没有出现过VFTO引发的故障。

关键词：快速暂态过电压（VFTO）；550 kV隔离开关（DS）；静电场仿真

中图分类号：TM864    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）07-0065-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.07.017

0    引言

快速暂态过电压（VFTO）是气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）中的隔离开关（DS）操作时引起的一种过电压现象。与操作冲击和雷电冲击不同，VFTO故障的发生更为频繁，不确定性更大，但以往的产品设计中并未给予足够的重视，导致运行中故障频发。如不彻底解决，其隐患会一直存在，时刻威胁电力系统的安全。

1    VFTO的产生与危害

高压组合电器中的隔离开关（DS）在开断、关合小电容电流的操作过程中，由于动触头的分合速度较慢，会产生多次重击穿或预击穿。击穿放电产生的行波在GIS内部快速地反射和折射，会引起高频振荡，产生VFTO[1]。

VFTO属于操作过电压，其波头很陡，上升时间为2～20 ns，持续时间为1～2 μs；频率高达兆赫数量级，幅值通常不超过2.0 p.u.，极端情况下可达3.0 p.u.[2]。

当VFTO的一部分行波沿着套管传输到架空线或气体绝缘金属封闭输电线路（GIL）上时，会危害到相连的其他设备（如引起套管和变压器的绝缘击穿）；另一部分行波传输到壳体上，会造成壳体电位升高，可能对二次设备和人造成危害。而在隔离开关内部，由于VFTO击穿产生的电弧可能会发展成接地故障，因此也危害着GIS设备本身。可以看出，VFTO的存在，对于与GIS相连的一次、二次设备以及GIS设备甚至人身安全都是一种隐患，应当给予足够的重视并减小其危害程度。

2    一例典型的隔离开关VFTO故障

我司早期生产的550 kV隔离开关（DS）与接地开关（ES）为单相型，置于同一气室，分别由各自的机构驱动，其中DS分合闸速度略低于0.1 m/s。气室的额定压力为0.45 MPa（表压），闭锁压力为0.4 MPa（表压）。其结构简图如图1所示。

2.1    故障情况概述

某客户处的550 kV组合电器設备投入运行半年后，在一次隔离开关正常操作时出现了母线差动保护及断路器跳闸的情况。根据故障录波器的波形分析及现场检查，判定为单相接地故障。故障所在相的某一隔离开关气室的SF6气体分解物检测结果严重超标，具体为SO2：145.4×10-6、CO：156.2×10-6以及H2S：54×10-6。

2.2    故障解体照片

维修人员对该隔离/接地开关解体后发现：气室内有大量放电产生的灰白色粉末，如图2所示；静侧的不锈钢材质屏蔽罩外表面有斑块的烧灼痕迹，动触头及静侧弧触头已经呈发黑状，屏蔽罩附近的铸铝壳体内表面上有规则走向的若干黑点，如图3所示；壳体内壁拐角处距离导体最近的地方有大面积的严重烧灼痕迹，且中间处已有明显的凹坑，如图4所示。此外，盆式绝缘子及绝缘拉杆的表面无任何损伤和沿面闪络痕迹。

2.3    故障原因分析

DS在分闸或合闸的动作过程中，由于线路侧的充电电压，断口间会产生重燃弧现象；随着断口距离的变化，静侧电弧根部的位置也在静弧触头与屏蔽罩之间不断变化；移动到屏蔽罩上的电弧会产生高电场并且改变电场分布，从而引起电弧的漂移接地[3]，在壳体上形成对地闪络。具体如图5所示。

同样的故障在其他工程项目中也时有发生，给客户造成了诸多不便。公司方面立即给予了高度重视，重新设计并试验验证后进行了产品的替换升级，从而消除隐患并减少客户的损失。

3    DS断口的电场改善

目前比较常见的VFTO改善方法主要有：1）改进断口的电场设计；2）提高动触头分合闸速度；3）增加并联电阻。

国内外的一些研究表明：DS触头之间的绝缘性能以及动作速度对VFTO的幅值和重击穿次数影响较大，并且动作速度慢可以减小VFTO的幅值，虽然会导致更多的重击穿次数[4]。综合考虑后采用改进断口电场设计的方案，主要是由于该产品为多年前的传统设计，电场方面的确有一些改进空间，并且成熟的产品在设计上不适合进行很大的变更。

本次改善设计的原则是通过动触头及静侧子装配的重新设计来改善电场，最大程度地降低VFTO引发故障的概率。现场更换时只需打开DS壳体，将动触头和静侧子装配替换掉即可，避免了DS壳体及相邻气室的拆装，很大程度上缩短了工期，减小了风险，同时也很好地控制了成本。改善后的隔离开关减少了燃弧时间，同时将隔离开关动作时产生的电弧限定在触头中心的引弧区域，从而防止VFTO导致的绝缘击穿。

3.1    原设计与新方案的结构对比

如图6（a）所示，原设计采用的是固定的静弧触头，分合闸过程中，静弧触头和静主触头顶部与动触头顶部的距离比较接近，而且二者的表面场强也都比较大，很容易形成动触头与静主触头之间的燃弧进而漂移到屏蔽罩的外表面。

如图6（b）所示，新方案采用的是活动的静弧触头，分合闸过程中，主触头与静弧触头在一定范围内保证接触并同时运动，静主触头完全处于屏蔽罩内部，整个静弧触头与屏蔽罩的轮廓保持一致，很大程度上改善了电场，并且尽可能地使燃弧发生在动触头的中轴线附近，减小了电弧漂移的概率。

3.2    试验电压下燃弧瞬间的电场仿真对比

按照型式试验方式1的电压加载要求，动侧加压349.3 kV，静侧加压-494 kV，分别对原设计和新方案进行静电场分析，找到导体表面电场强度处于临界值时的触头位置。二维静电场仿真用于轴对称模型非常快捷高效，如果需要关注产生电弧（利用直径为4 mm的圆柱体模拟）的表面电场，则需要用三维静电场仿真。具体仿真结果如表1所示。

对于原设计，从刚分位置继续往上移动100 mm后，动触头顶部的最大场强为26.7 kV/mm，略高于临界场强，可以认为100 mm的范围内具备燃弧的条件。对于新方案，当动触头与静弧触头的顶点距离为55 mm时，动触头顶部的最大场强为25.9 kV/mm，略低于临界场强，认为55 mm的范围内具备燃弧的条件。因此在外部条件相同的情况下，相比于原设计，新方案只是在很小的一段范围内具备产生燃弧的条件。

同时，新方案的模拟电弧表面场强仅为3.0 kV/mm，远小于原设计的电弧表面场强8.6 kV/mm。而相同电子束所受的电场力正比于场强，据此可推断新方案的电弧会更加持续稳定地在中心轴附近燃烧，不容易向外漂移引发接地故障。

3.3    燃弧发展过程的对比

图7与图8分别是原设计和新方案在不同断口距离时的静电场分布情况，从中可以大致看出电场的分布情况和电弧的发展过程：自刚分时刻起，新方案的最大场强一直在触头中心附近，整体电场分布比较均匀，并且随着断口距离的增大，电场强度迅速下降，很快进入不再起弧的状态。而原设计在刚分后的35 mm内，最大场强一直有多处，燃弧可能发生在动触头与静弧触头、静主触头甚至屏蔽罩上，具有很大的不确定性，并且随着断口距离的增大，电场强度下降缓慢，燃弧时间过长也使得电弧更加地不可控制。

综合电场分析结果可以看出，新方案不但电场分布均匀，最高电场强度低，而且移动相同距离后场强下降得更快，燃弧发生时也能稳定在中心轴附近燃烧，达到了改善触头间电场的预期效果。

4    试验验证与带电运行验证

按照新方案生产的样机在西高院采用开合母线充电电流试验的方式1和方式3进行了试验。其中方式1试验参数为电源侧加压349 kV rms，负载侧加压DC-494 kV，50次；方式3试验参数为电源侧加压318 kV rms，负载侧不加压，试验电流为2 A rms，50次。试验前后触头状态如图9～12所示。

通过照片的对比可以看出，方式1的试验动触头和静弧触头都有了轻微的烧损，而方式3的试验烧损稍微严重一点；静主触头上完全没有电弧烧过的痕迹。

整个试验完成后，并未出现机械或者电气的损坏，机械功能与试验前的状态基本相同，根据GB 1985—2014《高压交流隔离开关和接地开关》6.108判定合格。

试验通过后对新方案进行了大范围的应用。某客户的550 kV GIS采用新方案后，正常运行至今已超过四年，其DS带电分合闸操作上百次，没有再发生VFTO故障[5]。

5    总结和建议

550 kV及以上电压等级GIS中的VFTO问题应该引起特别的重视。生产厂家在进行DS设计时，应尽量改善断口的电场分布，同时使电弧集中产生在动触头与静弧触头的中间部分（中心轴附近），从而减小电弧漂移到壳体上的概率。GIS设备厂家及客户需要不断积累设计和运维经验，最大程度上减少VFTO隐患，保障电网的安全稳定运行。

[参考文献]

[1] 邢连中，钱忠，吕兆俊，等.550 kV GIS隔离开关对地闪络原因分析及技术改造[J].华东电力，2014，42（6）：1220-1226.

[2] 黎斌.SF6高压电器设计[M].4版.北京：机械工业出版社，2015.

[3] 孙伟，王韵，武增尧，等.500 kV GIS中快速暂态过电压的测量[J].高压电器，1998（4）：11-14.

[4] SUN S，TREMOUILLE G，MARQUEZIN G，et al.VFTO simulation and testing for 550 kV and 800 kV GIS disconnectors[R].Paris：CIGRE，2014.

[5] 郭文波，汪文元，李寅偉.550 kV GIS隔离开关特快速瞬态过电压危害分析及其预防措施[J].水电站设计，2023，39（2）：67-70.

收稿日期：2023-12-07

作者简介：王超（1982—），男，江苏扬州人，硕士，工程师，主要从事气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的管理、设计与仿真工作。