李云閣，尚勇，施榮，張琳

（1.陜西電力科學(xué)研究院，陜西西安710054;2.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安710048）

750kV GIS中VFTO現(xiàn)場實(shí)測波形分析

李云閣1，尚勇2，施榮2，張琳2

（1.陜西電力科學(xué)研究院，陜西西安710054;2.西北電網(wǎng)有限公司，陜西西安710048）

VFTO（Very Fast Transient Overvoltage）早已成電力工程和技術(shù)人員熟悉的現(xiàn)象。當(dāng)操作GIS(Gas Insulated Switchgear)中的隔離開關(guān)時，由于其動觸頭運(yùn)動相對緩慢，動、靜觸頭間發(fā)生電弧擊穿和多次重?fù)舸ㄖ厝迹?，產(chǎn)生波頭很陡的過電壓，即VFTO[1-8]。由于VFTO頻率很高，外殼不再是等電位導(dǎo)體，GIS附近的地電位也升高，地面也不能再被看作是理想導(dǎo)體[3,9]。

VFTO不僅可損壞GIS本身，還危及與其相連的設(shè)備，尤其是變壓器，有大量文獻(xiàn)介紹在VFTO作用下變壓器的模型、入口電壓，以及內(nèi)部繞組電壓的分布情況[10-14]。

科研工作者長期研究抑制VFTO的方法，普遍采用的方法是在隔離開關(guān)斷口間裝合/分閘電阻[15-16]，近年來開始探索應(yīng)用鐵磁材料[17-18]。

以前對VFTO進(jìn)行的研究，或在實(shí)驗(yàn)室小規(guī)模模型上進(jìn)行測量[3]，或在較低電壓等級設(shè)備上進(jìn)行實(shí)測，而對于全尺寸、高電壓等級下的研究集中在數(shù)值模擬方面[7,16,19]。由于在高頻下VFTO的數(shù)值模擬誤差較大，加之在高電壓下設(shè)備的絕緣裕度相對較低，因此VFTO的很多特性有待于進(jìn)一步實(shí)測確定。

2009年10月13 —15日，在750kV官亭變電站進(jìn)行了VFTO測量[20-23]，這是在國內(nèi)首次進(jìn)行的750kV GIS中VFTO的實(shí)測，多家科研單位為此進(jìn)行了大量準(zhǔn)備。在4種運(yùn)行方式下一共進(jìn)行了40次隔離開關(guān)操作。本文將介紹現(xiàn)場測量方法，分析VFTO的持續(xù)時間、殘余電荷的電壓值、隔離開關(guān)觸頭間的電弧重燃次數(shù)、VFTO的頻率范圍。本文作者在文獻(xiàn)[23]中已介紹了VFTO的峰值和上升速度，為了給讀者完整的信息，本文將引用其主要數(shù)據(jù)和結(jié)論。

1 運(yùn)行方式

圖1所示為測量VFTO時官亭變電站750kV配電裝置的主接線圖。750kV采用3/2接線，有1個完整串和2個不完整串。變電站安裝1組750kV變壓器，3條750kV出線，串、母線地理長度均約為120m。750kV GIS與變壓器之間通過一段架空線連接。為測量VFTO而操作的隔離開關(guān)分別為75111、75301和75321，其中隔離開關(guān)75111裝有合/分電阻，而其他2個隔離開關(guān)則沒有。

2 采樣頻率和長度

在本次試驗(yàn)中共在10個點(diǎn)進(jìn)行了VFTO測量，在圖1中用箭頭指示。與本文討論有關(guān)的測點(diǎn)為點(diǎn)1、3、4、6。

為了方便敘述，文中使用以下變量。

v4：測量點(diǎn)4的電壓，即隔離開關(guān)75321的電源側(cè)電壓。當(dāng)需要說明采樣頻率時，加一下標(biāo)，如v4,1G表示采樣頻率為1GS/s（S表示采樣點(diǎn)數(shù)，下文同）。

v6：測量點(diǎn)6的電壓，即隔離開關(guān)75321的負(fù)荷側(cè)電壓。同樣，其第二下標(biāo)表示采樣頻率。

圖1 變電站主接線示意圖Fig.1 Schematic diagram of the substation

采樣頻率以及相應(yīng)的采樣長度見表1。當(dāng)采樣頻率為50kS/s時，頻度太低，不能采集到VFTO波形，因此v6,50k僅僅捕捉到緩慢變化的電壓分量，如工頻分量。試驗(yàn)中VFTO的采樣頻率為1GS/s。

表1 采樣頻率和長度Tab.1 Sampling rate and length

3 測量結(jié)果分析

通過分析現(xiàn)場錄波圖，可以得到大量有關(guān)750kV GIS中VFTO的特征參數(shù)。

3.1 典型VFTO波形

VFTO分別來自：1）無殘余電荷時合隔離開關(guān)；2）分隔離開關(guān)；3）有殘余電荷時合隔離開關(guān)。三類波形在官亭現(xiàn)場均實(shí)測得到，典型波形如圖2所示。圖中VFTO以實(shí)線表示。測量中沒有記錄相應(yīng)的電源電壓v，但為了方便比較，在圖中以虛線示出。

3.2 VFTO衰減

750 kV隔離開關(guān)產(chǎn)生的VFTO約在10μs內(nèi)衰減為0，而隔離開關(guān)觸頭間SF6重燃時間遠(yuǎn)大于10μs。因此，當(dāng)進(jìn)行VFTO的數(shù)值模擬時，無需考慮前后2個VFTO波形的疊加，但第一個VFTO留下的殘余電荷形成了第二個VFTO的初始條件。

3.3 殘余電荷

無論在開或合隔離開關(guān)過程中，當(dāng)VFTO衰減結(jié)束時，隔離開關(guān)負(fù)荷側(cè)殘余電荷電壓范圍為從0到電源電壓峰值之間的任意值。殘余電荷的泄放相對緩慢，當(dāng)下一次重燃發(fā)生時，殘余電荷電壓基本未變。

3.4 重燃

750 kV隔離開關(guān)觸頭間的電弧重燃小于11次，局限在2個工頻周波之內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于文獻(xiàn)[7-8]中的數(shù)據(jù),其原因?yàn)?50kV隔離開關(guān)的合/分速度快，SF6氣壓也大。

在所有重燃中，發(fā)生在合閘開始后、或者分閘結(jié)束前的約5次重燃時間間隔長，VFTO峰值大;其他重燃時間間隔短，VFTO峰值小。

3.5 產(chǎn)生最大VFTO峰值的重燃

圖2 隔離開關(guān)操作時的典型VFTO波形Fig.2 Typical VFTO waveforms due to operation of disconnectors

圖2（b）中波形需要深入分析。在合隔離開關(guān)之前，其負(fù)荷側(cè)有一殘荷（前一次分隔離開關(guān)時，觸頭間最后一次重燃熄滅時殘余的電荷），殘荷電壓接近電源電壓負(fù)幅值-vm；在合隔離開關(guān)過程中，觸頭間SF6間隙在電源電壓正幅值vm擊穿：這種巧合使得VFTO峰值接近可能的最大值。圖2（a）中情況類似，不同之處在于：圖2（a）中殘余電荷來自于本次操作的前一次重燃，而圖2（b）中的殘余電荷來自上次操作的最后一次重燃。

基于上述現(xiàn)場實(shí)測和分析，當(dāng)模擬計算最大VFTO峰值時，可考慮以下情況，并只需進(jìn)行一次模擬：負(fù)荷側(cè)的殘荷電壓為電源電壓負(fù)幅值，而SF6間隙擊穿發(fā)生在電源電壓為正幅值時，反之亦可。

3.6 VFTO峰值[22]

在現(xiàn)場對隔離開關(guān)75111、75302和75321共進(jìn)行了40次操作，根據(jù)波形分析了其幅值，結(jié)果見表2。表中同時也羅列了用外推法計算的幅值。

現(xiàn)場實(shí)測最大VFTO峰值為2.19pu，接近可能的最大VFTO峰值2.46pu。

在方式1中，對隔離開關(guān)75111進(jìn)行多次分、合操作，沒有出現(xiàn)明顯的暫態(tài)振蕩過程，證明合/分閘電阻對VFTO有很好的抑制效果。

3.7 電壓上升率[22]

用外推法估算的負(fù)荷側(cè)VFTO第一峰電壓上升速度見表3。

表3 VFTO第一峰電壓上升速度Tab.3 Calculated rise rate of the VFTO first peak pu/μs

目前，我國750kV GIS和變壓器的雷電沖擊耐受電壓分別為2100kV和1950kV，即3.21pu和2.98pu。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雷電波的波頭時間為1.2μs，因此相應(yīng)的電壓上升速度分別為2.68pu/μs和2.48pu/μs。

雖然可能出現(xiàn)的最大VFTO峰值為2.46pu，小于設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓。但是，實(shí)測的VFTO上升速度達(dá)到10.00～12.64pu/μs，遠(yuǎn)大于雷電沖擊耐受電壓的上升速度。在如此高的電壓峰值和上升速度下，絕緣性能的研究仍不充分，甚至在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中沒有規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)波形[24-25]。因此，根據(jù)方式1下（操作的隔離開關(guān)有合分閘電阻）的測量結(jié)果以及大量的數(shù)字模擬結(jié)果，建議在750kV GIS隔離開關(guān)中裝設(shè)適當(dāng)?shù)暮?分閘電阻，以限制VFTO的幅值和陡度。

3.8 VFTO的頻率

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中VFTO的典型波形由2個頻率分量構(gòu)成，分別為0.3MHz

圖3 標(biāo)準(zhǔn)中VFTO的典型波形Fig.3 Typical VFTO waveform in standards

表4 VFTO的頻率Tab.4 VFTO frequency MHz

4 結(jié)論

在變電站操作750kV GIS中隔離開關(guān)40次，實(shí)測、分析了VFTO波形，可得出以下結(jié)論：

1）每個VFTO持續(xù)時間小于10μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于隔離開關(guān)觸頭間SF6間隙重燃的時間間隔。因此，當(dāng)模擬VFTO時，無需考慮2個VFTO波形的重疊，但是前一次VFTO導(dǎo)致的殘余電荷是第二次VFTO的初值。

2）殘余電荷電壓值可以是從電源電壓零值到最大值之間的任意值。

3）在一次隔離開關(guān)操作中，重燃次數(shù)一般小于11次。

4）最大VFTO峰值實(shí)測值為2.19pu，通過外推法計算值為2.46pu。

5）通過外推法計算得VFTO上升速度可達(dá)12.64pu/μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷電沖擊耐受電壓的上升速度。

6）VFTO的頻率范圍為 2.0～4.4MHz。

7）限制VFTO幅值和陡度的有效措施為在隔離開關(guān)中裝設(shè)合/分閘電阻。

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Analysis of VFTO Waveforms on-Site Measured on 750kV GIS

LI Yun-ge1,SHANG Yong2,SHI Rong2,ZHANG Lin2
（ 1.Shaanxi Electric Power Research Institute,Xi’an 710054,Shaanxi Province,China;2.Northwest China Grid Company Limited,Xi’an 710048,Shaanxi Province,China）

This paper presents the results of VFTO measurement at Guanting substation.By analyzing the oscillograms,characteristics of VFTO are achieved,including times of the arc restrike between the contacts of disconnectors,remnant voltage caused by trapped charge,VFTO′s duration,magnitude,rise rate,and frequency.The possible maximum of the magnitude and rise rate,estimated through an extrapolation method,are 2.46pu and 12.64pu/μs respectively.The research indicates that equipping closing/opening resistors in disconnectors is an effective way to suppress VFTO.

750kV;GIS;disconnectors;VFTO;closing/opening resistors

介紹了在750kV官亭變電站實(shí)測VFTO的方法，通過分析現(xiàn)場實(shí)測波形，得到了VFTO的持續(xù)時間、殘余電荷的電壓值、隔離開關(guān)觸頭間的電弧重燃次數(shù)、VFTO的峰值和上升速度、VFTO的頻率范圍。用外推法計算了最大VFTO峰值和上升速度，分別為2.46pu和12.64pu/μs。實(shí)測結(jié)果說明，限制由于隔離開關(guān)操作引起的VFTO的有效措施為在隔離開關(guān)中裝設(shè)合/分閘電阻。

750kV;GIS;隔離開關(guān);VFTO;合/分閘電阻

1674-3814（2011）11-0025-05

TM886

A

2011-07-12。

李云閣（1967—），男，博士，高級工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)過電壓、高壓設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測；

尚 勇（1973—），男，博士，高級工程師，，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行方面的研究工作；

施 榮（1977—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、電壓穩(wěn)定；

張 琳（1980—），女，博士，高級工程師，從事電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃、電網(wǎng)安全穩(wěn)定方面的研究工作。

（編輯 馮露）