GIS设备的VFTO对二次设备危害的预防

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摘要：gis变电站具有占地面积小、受环境影响小、可靠性高、维护周期长、安装迅速等特点，近年来得到了广泛的应用，随着其的广泛应用，由GIS内隔离开关和断路器引起的快速暂态过电压引起的绝缘事故也越来越多，由于快速暂态过电压幅值、频率、陡度高等特点，引发的事故也更严重，在超高压GIS中由于电压的升高，VFTO的幅值也随之升高，严重威胁到一次设备及二次设备的安全运行。本文初步分析了当隔离开关操作时所产生TEM对二次设备的影响及采取相应的防范措施。

关键词：GIS；快速暂态过电压；二次设备、隔离开关

中图分类号：C35文献标识码： A

引言

我国1000kV交流特高压系统GIS（HGIS）变电站项目的确定是国际上唯一进入实际项目投运并将在未来成为主要输电干网的国家，虽然美国、日本、前苏联、意大利和加拿大都曾相继开展了特高压输电技术的研究工作，但因为经济发展的原因并没有实现特高压电网安全运行，无论从理论分析计算还是实际运行都缺少参考数据和经验。在国内虽然已有了对500kV系统GIS中vfto的研究结果和一定的运行经验，由于在理论分析方法上的单一化，对于由于电压等级的升高而带来的一些可能问题尚无研究结论，如相比较500kV而言，1000kV电压等级下的GIS内VFTO的频率分布特性是否一样、波形与过电压倍数是否有变化、GIS内部结构参数对VFTO的特性有哪些具体影响等，不能完全照搬500kV等级的运行经验，但有些宝贵经验还是可以参考的。因此，研究500kV等级下的VFTO特性对1000kV特高压交流输电示范工程具有知道意义和参考价值。

1VFTO目前研究现状

1、300kV以下GIS设备不必研究VFTO

GIS的设备会受到操作引起的VFTO的作用，运行经验表明，在电压等级为300kV以下的GIS中，没有发生过与操作有关的问题，因此，电压等级在300kV以下的GIS不必对VFTO进行专门研究。而在420kV及以上等级的GIS中，VFTO曾多次引起故障和其他问题，造成损失。从上世纪70年代中期开始，国际上着手对VFTO进行研究，到80年代末，已发表了不少成熟的观点。除VFTO的起因，特性和传播机理外，研究主要集中在VFTO的模拟技术，测量技术，对各种设备的影响和实验方法的方面。

2、300kV以上GIS设备需研究VFTO

随着GIS运行电压和SF6气压的提高，因隔离开关，断路器的例行操作和接地故障等引起的快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage,简称VFTO）日益明显和严重，致使在300kV及以上等级的GIS中多次引起故障或其他问题，造成损失。现场运行经验也表明快速暂态过电压已对300kV以上的GIS设备构成威胁；另外，变电站中的一次和二次设备都处在一个特殊的电磁环境中，电磁干扰通过各种形式传导和辐射，随时会危及设备的安全。特别是电力电子技术在变电站控制，测量，监控和微机继电保护等中的应用，电磁兼容问题就越显得突出和重要了，必须引起人们的足够重视。

3、目前VFTO研究手段主流为计算机模拟

国内特别是西安交通大学在VFTO方面的研究做了许多工作。对VFTO的研究方法不外乎理论分析、实验室模拟实验、计算机数值计算和现场实测等。国内外对VFTO的研究除现场实测外，主要是计算机的数值模拟计算，也有使用物理模型进行实验室模拟实验的。由于利用计算机数值模拟计算的好处多，如灵活，成本低，节省时间，计算结果与实测结果的吻合性好，准确度令人满意等，所以，在快速暂态现象的研究中，计算机模拟已成为使用范围广，功能强大的一种方法。计算机模拟主要是依靠计算机的数值模拟计算，分析各种运行方式下的操作对VFTO幅值，振荡频率，波头陡度的影响，以便将有害的操作方式分离出来，指导正常的例行操作。当然现场实测是最可靠的，但由于安全，测量设备精度等方面的原因，所以计算机模拟被广泛应用。目前，国际上广泛使用EMTP软件，其特点是用电流源和电阻替换电力传输网络组件，建立其等价网络的节点方程。对于集中的参数元件，用近似的梯形公式来处理；分布参数用Bergeron法则来处理。对于输电线路中的诸多元件，如母线、隔离开关、断路器、接地开关、支撑绝缘子、避雷器、、电流互感器、电压互感器、变压器以及套管等元件均等效为波阻抗、集中电容和电感等，通过求解电路方程，获得沿线路传输的暂态电压特性。只要对变电站进行准确建模，输入初始条件，就能模拟出真实的变电站产生VFTO的情形。

4、VFTO用计算模拟存在的问题

由于VFTO的产生是由于GIS本体的特定结构以及开关的特定操作方式下(主要是隔离开关DS)而产生的，而目前对特高压GIS内部的复杂电磁暂态过程尚缺乏在关键理论和计算方法上的深入研究，在此条件下集中等效参数（如等效电感、等效电容、波阻抗等）难以准确获得，存在较大的取值偏差，曾导致过对同一线路、采用同样的计算方法所得的计算结果却不同。特别是对于VFTO中50MHz频率以上的特快速瞬变过程，由于它是在GIS内部空间瞬变形成的，而只是通过将GIS内部元件进行集中参数等效并计算是不能准确表述这一现象的。特高压输电工程中的一些实际运行参数在试验设计阶段尚未得到准确确定，如GIS隔离开关操作过电压的倍数、最大过电压产生的方式以及具置、VFTO的幅频特性、隔离开关投切电阻的容量等都有待于进一步深入研究。此外，对变电站的电磁兼容问题，国际上的研究成果还比较少。而电压等级越高电磁兼容问题就越显得突出，所以，对变电站的电磁兼容问题也应深入研究。

5、VFTO对二次设备的影响

当VFTO在线路上传播遇到互感器时，会通过一次侧和二次侧的分布电容，而容性地耦合到二次电缆芯线上，以传导的方式对二次设备造成干扰。经计算得出，VFTO的频率越高，对二次设备的危害就越大。因此，应该在二次设备的入口处采取高频滤波措施，或者采取屏蔽措施等来减少对二次设备的伤害。VFTO除了以传导的方式对二次设备造成影响外，它还会与暂态过电流相互作用，产生高频暂态电磁场。高频暂态电磁场会穿过GIS外壳，对二次设备造成危害；它还会耦合到架空线上，形成辐射干扰,安装在变电站内的通信调度自动化系统大多采用交流电源或直流电源为其设备供电，在其整流环节，一般有较大容量的滤波电容，对瞬态过电压冲击有一定的吸收作用，因此必须对这些调度自动化设备的供电回路进行过电压保护。变电站二次系统VFTO防护问题是近年来提出的一个新课题，以上仅是结合本单位相关变电站施工现场实际情况对防护技术措施的初步探讨，还需在不断吸取实际运行经验进行总结分析和不断完善，希望在今后新建变电站或者对老旧变电站进行综合自动化改造时，加强对二次过电压防护系统的同时规划和设计，确保设备和电网的安全稳定运行。

6、结 论

GIS变电站的瞬间电磁骚扰归根结底是由于GIS内开关操作引起的电弧重燃而产生的，GIS结构复杂，影响VFTO的因素很多，但其本质是一个电磁交换的过程，如果能抑制VFTO，则可减少辐射骚扰，目前，由于GIS设备绝缘等级高，VFTO对其一次设备的绝缘不构成普遍威胁，仍需留有足够的绝缘裕度，但对于二次设备产生的破坏需要引起重视。目前现有的标准考虑了操作过电压和雷电过电压以避雷器保护作用，但尚未考虑快速过电压的影响。300kV及以上等级的GIS设备中的VFTO的幅值倍数相对较高，所以在一定条件下，VFTO会引起330kV以上GIS设备事故。对于防止VFTO对二次设备影响采取以下几种方法进行抑制：

1、提高触头分合闸速度。可以减少重燃次数、缩短燃弧时间，使出现快速暂态过程的几率减少，可以在一定程度上降低过电压幅值。

2、在触头之间装设分合闸电阻，可以加快VFTO的衰减速度，减少对设备的损害。

3、采用GIS装设电抗器的方法来限制VFTO。

4、采用接地开关泄放残余电荷。接地开关动作能把VFTO峰值有效抑制在2p.u左右。

5、在线路的首端和末端装设金属氧化物避雷器，当出现较高的过电压时，避雷器动作，将过电压值限制在允许的范围内。

6、在二次设备入口处安装高频滤波器，或采用屏蔽措施，以减小VFTO对二次设备的危害，通过实验可知在电缆单端接地和双端接地两种接地方式下，在二次电缆末端加载磁环，均可以使骚扰电压幅值降低，上升速率变小。随着磁环长度的增加，对二次电缆上VFTO的抑制效果增强。

7、二次设备采取屏蔽措施时采取双层屏蔽措施，对屏蔽层进行精良的设计，可屏蔽掉绝大部分电磁。

运维检修工作人员在运行中注意的防护措施

1、尽量减少对GIS开关的操作，特别是小电容负载情况下的操作。

2、制定相应的防护措施：采用隔离带；采取预警措施；地面表层设绝缘走道等。

参考文献

[1] 黄绍平，李永坚，秦祖泽．成套电器技术[M]．北京：机械工业出版社，2005．

[2] 林莘.现代高压电器技术[M]. 北京：机械工业出版社，2002.

[3] 李景禄.电力系统电磁兼容技术[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[4] 李思南．500kV系统操作过电压计算分析研究[D]．武汉：武汉大学，2002．

作者简介：

于金（1984-），男，学士，主要从事电力系统自动化工作。