GIS中陡波前过电压特性及影响因素的研究

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摘要：文章简要介绍了快速暂态现象的特点和分类，国内外gis中VFTO的危害实例及其造成损害的原因，并以拉西瓦750kV水电站为例，通过对其GIS一次系统波过程的建模及计算探讨了陡波前过电压的特性，同时分析了GIS中VFTO的影响因素及抑制措施。

关键词：GIS；VFTO；陡波前过电压；特快速暂态

中图分类号：TM864 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）30-0130-02

GIS即全封闭式气体绝缘变电站，是Gas Insulated Switchgear的简称，该变电站的主要原理是在接地的密封金属壳内安置高压变电器，然后利用高压气体作为变电站的主要绝缘介质。它与传统的户外变电站和常规的空气绝缘变电站（AIS）相比具有显著的优点，如占地面积小、布局灵活、便于扩展、可靠性高、安全性高、绝缘老化速度慢、维护工作量小、触头电磨损小、不受或较少受环境气象条件影响、对大气过电压的保护性能好等，因而，在近20年间，被广泛地应用于大型水电站、火电站等城市电网建设中，如我国位于黄河上游的西电东送工程的拉西瓦水电站、兰州东变电站等。

一、GIS快速暂态现象

GIS快速暂态现象主要分为内部暂态和外部暂态两种。内部暂态也可称为内部VFTO，是GIS内部的暂态过程，对GIS内部的设备构成一定的威胁。外部暂态即外部过电压，其可对GIS外部邻近的一次设备造成影响，也可能会形成向外辐射的电磁波对敏感的二次设备构成威胁，另一部分则作用于壳体和地之间，使GIS的壳体电位升高，又称为暂态外壳电位升（TEPR）。

VFTO即特快速暂态过电压，是Very Fast Transient Overvoltage的简称，其是一个陡波头、高频率的陡波过电压，该电压是GIS内部因接地开关操作、隔离开关操作、断路器操作、带电线路对地闪络或雷电波入侵等因素而产生一个电压陡波，该电压陡波的上升速度特快，常见的是几到几十纳秒，随后，该电压陡波将会沿着GIS管道进行传播，而当其遇到波阻抗时就会发生改变进而发生的反射或折射多次叠加在一起形成的。GIS快速暂态现象的特点有：（1）波头极陡；（2）上升时间极短，一般为2～20ns；（3）持续时间极短，一般为几毫秒；（4）发生频率高，每次操作都有数十到数百次不同幅值的暂态发生，且频率在几到几十，甚至上百MHz；（5）幅值不高，一般不超过2p・u，但最高可达2.5p・u。

VFTO造成损害的原因主要是：（1）老化效应；（2）VFTO在变压器内部造成极不均匀的匝间电位分布和谐振过电压。经相关报告证明，VFTO在全球性GIS用户中确实存在，其引起的事故大多都是导致GIS内部的击穿和外接设备的事故等。如1992年广东大亚湾核电工程，在对GIS进行切合空载变压器例行操作时，因VFTO引起3×350MVA主变压器一相主绝缘被击穿等。

二、GIS中陡波前过电压的特性

拉西瓦水电站是我国“十二五”期间的重点工程，位于青海省贵南县和贵德县的交界处，是黄河流域规模最大、发电量最大和经济效益最好的水电站，其总装机容量是6×700MW，该水电站采用了全封闭式组合电器（GIS），且变压器直接连着GIS，并通过SF6气体绝缘输电线（GIL）送至出线平台。该水电站的接线方式灵活，运行方式也比较多。

（一）各元件的计算模型

1．母线的传输线模型。无损均匀传输线模型是GIS和GIL母线采用的主要模型方式，其中气体绝缘变电站内同轴母线导体与外壳的波阻抗分别如式

（1）和式（2）所示。内导体的波阻抗Z1=601n…（1）；外壳的波阻抗Z2=601n…（2），其中，r1是指屏蔽导体的内半径，r2是指内导体半径，r3是指屏蔽导体的外半径，g为屏蔽导体的高度。

2．隔离开关的电弧模型。隔离开关的电弧是因其在开合动作时，其中的触头动作速度相对较慢，当触头间绝缘介质的耐受电压被触头间的跌落电压超过时产生的。电弧电阻的指数函数如式（3）所示。R(n)=Rs+R0e-1/T…（3）。其中Rs=0.5Ω，R0=1012Ω，T=1ns。

3．变压器等值入口电容Ci。Ci=K…（4），其中Ci的单位是pF，S指的是变压器三相电容；n对于500kV和220kV等级及以上的电压等级有不同的值，分别为4和3；而式中的K对于不同等级的电压也有不同的数值，其中110kV、500kV和750kV的数值分别是540、940和800。本文中拉西瓦变电站的三相容量为3×260MVA，因其电压等级为800kV，所以其中的K=800，n=4。因此，Ci=4228pF。

（二）波过程的仿真计算

本文以静态电弧电阻（R=2Ω）为对象，电压采用标么值，则1p・u=800×=653kV

结合根据之前给定的各种元件模型及建设方给出的线路长度参数建立的计算模型，当计算时间为20μS，计算步长为1ns时，我们可以从该指中明白计算步长的选择与计算时间和计算结果之间的相互关系。当计算步长超过模型中最短传输线上传输的时间时，即步长过大，则不能得到正确的结果；而当步长过小时，将大大增加计算总时间，且对计算结果影响很小，不能带来更加精确的结果。因而，计算步长应选模型中波在最短传输线上传播时间的1/2为宜。另外，主变中VFTO的上升时间较长，这主要是由于GIS的整体结构比较大及主变与GIS之间相连着一段较长的GIL，以致隔离开关操作产生的电压陡波传导主变处时波形渐趋于平缓这两个因素所导致的。同时，主变中VFTO上升时间及主要振荡频率都受到了线路的长度的影响。

三、GIS中VFTO的影响因素及抑制措施

本节以隔离开关例行操作引起的VFTO为讨论对象探讨了残留电荷、隔离开关并联电阻和变压器等值入口电容对GIS中VFTO的影响。

（一）残留电荷

GIS中操作隔离开关开断空载母线M1时，可能会有残余电荷留在开断的空载线段上并引起能对重燃过程产生VFTO幅值的残压，母线上的残留电荷电压衰减很慢，通常为几小时甚至几天。最为严重的情况是电源侧为1p.u.，而母线侧的残留电荷为-1p.u.，作隔离开关断口上恢复电压将达到2p.u.。此时，可通过隔离开关断口的不均匀度或安装高速接地开关于隔离开关处来减少线路的残留电荷水平，降低

VFTO幅值。

（二）隔离开关并联电阻

经多年研究试验发现，将一个合闸开关并联电阻安装在隔离开关的触头旁可以有效地将隔离开关操作产生过电压的水平抑制住。含并联电阻的隔离开关工作原理是，并联电阻在触头闭合时将不接入电路；而在触头击穿或重燃时，动触头与并联电阻间将形成一个燃弧通道，电阻接入电路；在触头完全断开时，电弧将熄灭，并联电阻也不接入电路。

（三）变压器等值入口

隔离开关操作产生的过电压将受变压器等值入口电容不同的影响，变压器等值入口电容若增大，VFTO的幅值将减少，相反若等值入口电容减少，幅值将升高。因而，我们可以采取像纠结式绕组变压器类的等值电容较大结构的变压器来降低主变处的VFTO。

四、结论

综上所述，随着电力行业的迅猛发展，GIS在大型变电站中的应用越来越多，但同时出现的问题也逐渐显现出来。本文结合各种元件的计算模型，根据相关实验计算可知变中VFTO的上升时间较长与GIS的整体结构比较大及主变与GIS之间相连着一段较长的GIL，以致隔离开关操作产生的电压陡波传导主变处时波形渐趋于平缓这两个因素有关。

参考文献

[1] 邱毓昌．GIS装置及其绝缘技术[M].北京：水利电力出版社，1994．

[2] 罗学琛．SF6气体绝缘全封闭组合电器（GIS）[M].北京：中国电力出版社，1999．

[3] 鲁铁成，李思南，冯伊平，等．GIS中快速暂态过电压的仿真计算[J].高电压技术，2002，（11）．

[4] 王森，郭小川，王莉英，等．GIS切投主变陡波前过电压的研究[J].西北电力技术，2003，（4）．

作者简介：饶海伟（1969-），男，浙江丽水人，丽水电业局电力工程师，研究方向：电气试验。