楊拯，溫才權，劉煒，全杰雄，閆茂華，張志源，劉洪順

(1. 中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司梧州局，廣西 梧州543002；2. 山東大學電氣工程學院，山東省特高壓輸變電技術與裝備重點實驗室，濟南250061)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas-insulated switchgear, GIS)隔離開關帶電操作時，觸頭間隙電壓快速跌落，伴隨著SF6氣體的多次擊穿放電，會在觸頭間產生數(shù)兆到數(shù)十兆赫茲的特快速暫態(tài)現(xiàn)象(very fast transient, VFT)[1 - 4]。VFT以行波的形式傳播，在GIS中經多次折反射，形成上升時間短、幅值大的特快速暫態(tài)過電壓(very fast transient over-voltage, VFTO)[5 - 9]。由于互感器與高壓母線間存在分布電容，VFTO會通過分布電容侵入互感器的二次側，再經電纜以傳導的形式進入控制小室內，對二次設備形成干擾，威脅整個系統(tǒng)的安全運行[10 - 15]。因此，研究VFTO對二次設備的騷擾有著重要的理論和實際意義。

目前學者們對于VFTO及二次電纜開展了大量的理論研究和推導計算。華北電力大學張重遠等人對GIS變電站中隔離開關產生的VFTO和暫態(tài)地電位升高(temporary ground potential rise, TGPR)的機理進行了介紹，并提出了一種計算VFTO對二次電纜造成干擾電壓的計算方法和思路[16]。張衛(wèi)東等設計了一套VFTO騷擾測量系統(tǒng)，并在特高壓GIS試驗平臺上對騷擾電壓進行了實測，測量了屏蔽層在4種不同接地方式下的騷擾電壓[17]。吳恒天等針對252 kV GIS變電站設計了模擬試驗平臺，獲得了模擬傳感器端口和匯控柜端口處的騷擾電壓，并與IEC標準進行了對比分析[18]。譚錦鵬等對串補隔離開關操作引起的VFTO進行了分析和計算，并對VFTO通過CVT對串補采樣模塊造成的干擾進行了測量和故障分析[19]。上述文獻針對VFTO對二次設備的干擾進行了理論推導、實際測量、實驗室模擬，然而并未對騷擾電壓進行大量的建模和仿真研究，對于二次設備的抗干擾措施也并未進行相應的計算和仿真。

本文基于電磁暫態(tài)仿真軟件建立了某500 kV變電站隔離開關操作時的等效仿真模型，通過研究電容式電壓互感器(capacitive voltage transformer, CVT)和二次電纜的結構，研究了VFTO通過傳導方式對二次設備造成的干擾。最后，在仿真的基礎上，分析了各種參數(shù)對VFTO造成的傳導干擾的影響，并提出了一套抗干擾的防護措施。

1 傳導騷擾的計算及CVT模型

在變電站中，一次設備的信息以及相關的操作、控制信號都需經二次電纜連接到控制保護小室的二次設備。VFTO在高壓母線上傳播時，高頻的暫態(tài)電壓將通過母線與互感設備間的分布電容，以及互感設備的一、二次側間的分布電容傳導到二次電纜和二次設備上，嚴重時威脅二次設備絕緣。本文以VFTO通過電容耦合式電壓互感器對二次設備造成的干擾進行研究。

圖1為高壓母線上的VFTO經CVT對二次電纜造成干擾的示意圖。高壓母線上的暫態(tài)過電壓UB經過分壓電容C3、C4的分壓，再經過一二次側間的分布電容傳導到連接在CVT二次側的二次電纜上。此外，一部分暫態(tài)過電壓UB經過互感器的接地引線電感和接地阻抗傳導到接地網上，在地網上形成局部地電位升，對連接在接地網上的二次設備造成干擾。圖2為VFTO經CVT對二次電纜和二次設備造成干擾的等效電路模型。

圖1 VFTO通過CVT傳導示意圖Fig.1 Schematic diagram of VFTO conduction through CVT

圖2 VFTO通過CVT傳導的等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram OF VFTO conduction through CVT

圖2中，C3、C4為分壓電容，UB為電容式電壓互感器引線處的暫態(tài)電位，LG為互感器接地電感，ZG為等效接地阻抗，C2為二次繞組與電纜屏蔽層之間的分布電容，Z0為二次電纜的波阻抗，二次電纜的末端負載阻抗為ZL。C3、C4、C2、LG分別為0.001 67 μF、0.08 μF、500 pF和1 μH。ZL等效為大電阻5 kΩ，二次電纜Z0等效波阻抗為25 Ω，接地等效阻抗ZG取0.2 Ω。根據(jù)電路理論，則干擾源UG可表示為：

(1)

其中輸入阻抗為：

(2)

式中：Γ為傳播常數(shù)；l為二次電纜的長度；ρ2為反射系數(shù)。

假設線路無損，傳播常數(shù)為：

(3)

式中L0和C0分別為電纜單位長度的電感和電容。

ρ1和ρ2為反射系數(shù)，具體計算如式(4)—(5)所示。

(4)

(5)

等效阻抗為：

(6)

基于均勻傳輸線理論，二次電纜處的干擾電壓為：

(7)

式中ω為角頻率。根據(jù)式(7)即可求出產生VFTO時，在二次設備的干擾電壓。

2 VFTO對二次電纜騷擾電壓的建模

GIS變電站內設備眾多，不僅包括變壓器、避雷器等設備，還包括互感器、高壓母線、套管、斷路器和隔離開關等開關設備[20 - 25]。為了仿真的準確性，需對這些電氣設備建立準確可靠的仿真模型。除變壓器外，其他設備密封在GIS金屬外殼內，內部充有SF6絕緣氣體。當隔離開關分合閘操作時，由于觸頭運動速度較慢，斷口間會產生反復多次重擊穿和預擊穿，擊穿的脈沖波沿著導線向兩側傳播，波在GIS波阻抗不連續(xù)處發(fā)生反射，這些正向、反向波疊加在一起，就形成了VFTO。在本文的仿真中，變壓器等效為入口電容；隔離開關燃弧時等效為時變電阻，合閘時或分閘時等效為數(shù)值不同的集中對地電容；GIS母線等效為波阻抗；斷路器合閘時等效為線路的一部分，分閘時等效為串聯(lián)電容；避雷器、電流互感器、套管均可等效為集中對地電容。各電器的等效模型如表1所示。

表1 各電器元件等效模型Tab.1 Equivalent models of electrical elements

圖3為500 kV GIS變電站的結構布置圖，結合圖2的CVT等效模型和表1中給出的各種電氣元件的等效模型，可以建立用于研究VFTO對二次電纜騷擾電壓的等效電路圖如圖4所示。

圖3 某500 kV GIS變電站結構布置圖Fig.3 Layout of a 500 kV GIS substation structure

3 模型仿真結果分析

通過建立VFTO對二次電纜和二次設備的騷擾仿真模型，可對各種情況下的騷擾電壓開展研究。本文中GIS母線和外殼的參數(shù)如下：母線內徑為50 mm，外徑為90 mm，材料為銅；GIS外殼的內徑為406.4 mm，外徑為422.4 mm，材料為鋁合金。二次控制電纜型號為KVVP2-22，芯線外徑為3.38 m，

圖4 VFTO對二次電纜騷擾電壓的仿真模型Fig.4 Simulation model of secondary cable disturbance voltage by VFTO

纜芯和金屬鎧甲均為銅材料，纜芯與屏蔽層之間采用絕緣層填充，絕緣層材料采用標準聚氯乙烯。

閉合隔離開關DS3，可以得到各器件處的VFTO及其經CVT對二次電纜產生的騷擾電壓波形，各處的過電壓如表2所示。騷擾電壓最大值出現(xiàn)在隔離開關DS3附近，為931 kV(2.07 p.u.)，對其進行傅里葉分析，可以發(fā)現(xiàn)其基波幅值最大，為450 kV，主要的諧波分量有0.85、1.15、1.65、2.25、4.9、9.75、12.5、23.75 MHz，其波形如圖5所示。VFTO進入CVT二次側電纜末端的傳導干擾電壓如圖6所示，干擾電壓最高達6 003 V。通過對比其他文獻中的測量和仿真結果[15,21]，可以發(fā)現(xiàn)實測波形及仿真結果在幅值、頻率上與本文結果基本吻合，因此本文的仿真模型是準確的，仿真結果是可靠的。

表2 各電氣元件處VFTO的幅值 Tab.2 Amplitude of VFTO at each electrical componentkV

圖5 隔離開關DS3處的VFTO波形Fig.5 The VFTO waveform at disconnector DS3

圖6 二次電纜末端的騷擾電壓波形Fig.6 The interference voltage waveform on secondary cable

如圖6所示，初始1.4 μs內電弧還未完全燃燒，電弧電阻仍很大，相當于開路，騷擾電壓沒有形成傳導的通路，且CVT經分壓電容C4接地，故在0～1.4 μs電壓為0。二次電纜末端的騷擾電壓諧波分量頻率主要集中在0～50 MHz，主要的諧波頻率為1.7、3.3、6.15、8.7、9.75、12.55、18.05、24.45、30.25、41.8 MHz，與隔離開關處VFTO相比，二次電纜末端的VFTO含有的諧波成分更復雜，且主要諧波分量的頻率更高。

過大的騷擾電壓會對二次設備造成嚴重干擾，騷擾電壓幅值與一次VFTO的大小密切相關。因此，對于VFTO對二次電纜和二次設備的騷擾電壓的抑制和防護可以分別從降低一次側VFTO的幅值和在二次側開展相關防護措施來進行研究和仿真分析。

4 二次電纜干擾防護措施分析

對于一次側VFTO的防護，可以通過采用螺旋管阻尼母線來降低高壓母線上的VFTO。對于二次側騷擾電壓的抑制，本節(jié)分別從二次電纜屏蔽層接地方式、二次電纜長度進行研究，并對采用多股導線和加裝濾波設備兩種措施開展了仿真分析和研究。

4.1 螺旋管阻尼母線對VFTO的影響

GIS隔離開關操作時產生的大部分過電壓來自輸電導線，過電壓以流動波的形式存在，其傳播可等效為電磁場，在線路的周圍不同方向進行電磁能的傳播或存儲。為簡化計算，一般以線路上電流、電壓波代替其周圍空間的電磁場波過程。

螺旋管阻尼母線為螺紋狀的中心鏤空的線圈結構，內部裝有無感阻尼電阻和環(huán)氧支撐件。由于這樣的結構，其電感量大于正常母線，可以改變線路的波阻抗。阻尼電阻會增加傳輸時的有功功率，從而抑制行波，降低過電壓的幅值和頻率。其抑制原理與磁環(huán)類似，但由于導體不導磁，因此不會出現(xiàn)磁飽和而降低防范作用。采用螺旋管阻尼母線既能抑制過電壓，又能達到正常母線的傳導作用。阻尼母線可等效為“電阻+電感+氣隙”的并聯(lián)結構，多股母線可等效為多個這種結構的串聯(lián)，其等效電路如圖7所示。

圖7 螺旋管阻尼母線的分布參數(shù)等效電路Fig.7 Distributed parameter equivalent circuit of spiral tube damping busbar

圖7中：Ln為單匝單阻尼母線的電感；Rn為無感電阻；LRn為阻尼母線每匝的殘余電感；gn為間隙；rn為電弧通道電阻。用螺旋管阻尼母線代替原輸電導線，進行相應的仿真分析，采用螺旋管阻尼母線后，二次電纜末端的騷擾電壓如表3所示。

本文中抑制效果α的表達式如式(8)所示。

表3 采用阻尼母線后二次電纜末端騷擾電壓Tab.3 Interference voltage at end of the secondary cable with damping busbar

(8)

式中：U1、U2分別為初始騷擾電壓值和采用防護措施后的騷擾電壓值。

采用阻尼母線后，各個位置的VFTO幅值均有降低，其中在隔離開關DS3處VFTO的幅值降低了15.6%，而在二次電纜末端，對騷擾電壓的抑制效果最為顯著，過電壓幅值降低了48.3%。對其進行傅里葉分析，發(fā)現(xiàn)其主要諧波成份與不采用阻尼母線時基本保持一致，但相應諧波分量對應的幅值也隨騷擾電壓的幅值而大大降低，抑制效果基本與對二次電纜末端騷擾電壓的抑制效果保持一致。螺旋管阻尼母線對于VFTO對二次電纜末端造成的騷擾電壓的幅值抑制效果非常明顯，VFTO經過時，無感電阻Rn會吸收過電壓的能量，增加相應的有功功率，且由于螺旋管的結構，阻尼母線的電感高于普通母線，增加了暫態(tài)電壓波的頻率，同時也降低了無感電阻Rn兩端的電壓，使得過電壓波流經時產生損耗，進而達到降低二次電纜末端過電壓的目的。

4.2 不同長度電纜對二次電纜末端電壓的影響

二次電纜的長度決定了其對地雜散電容分布的不同。本節(jié)對不同長度的二次電纜進行仿真，研究二次電纜長度與騷擾電壓間的關系，仿真結果如圖8所示。由圖8可知，二次電纜末端的騷擾電壓隨著電纜長度的增加而降低，在0～100 m時增加電纜長度對于減小騷擾電壓效果顯著；而當電纜長度大于100 m后，雖然增加電纜長度依然能降低騷擾電壓，但其抑制效果大大降低。因此在工程實際中，當二次電纜長度在100 m以內時，適當延長其長度對降低騷擾電壓有積極作用，而當電纜長度超過100 m時，增加電纜長度來抑制騷擾電壓的性價比明顯降低，應考慮采用其他騷擾抑制措施。

圖8 二次電纜長度對騷擾電壓的影響Fig.8 Effect of secondary cable length on interference voltage

4.3 二次電纜屏蔽層接地方式對騷擾電壓的影響

本文采用KVVP2-22型二次電纜，二次電纜的一般結構如圖9所示，由纜心、屏蔽層、金屬護套3根同心導體以及它們間的絕緣層構成。屏蔽層和金屬護套可以起到一定的電磁屏蔽和接地保護的作用。對于二次電纜的抗干擾，屏蔽層一般有兩端接地和一端接地兩種做法，下文分別對這兩種屏蔽方法進行仿真分析。

圖9 二次電纜結構示意圖Fig.9 Structure diagram circuit of secondary cable

分別通過對屏蔽層不接地、屏蔽層單端接地和屏蔽層兩端接地3種方法進行仿真，得到了3種不同接地方式下二次電纜末端的騷擾電壓及其各諧波分量的幅值。通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，在屏蔽層不接地情況下，二次電纜末端騷擾電壓的幅值最高可達 6 003 V，屏蔽層單端接地時最高為5 404 V，而兩端接地時最高為4 772 V。3種不同屏蔽層接地方式下騷擾電壓的主要諧波成分基本相同，但屏蔽層不接地的情況下諧波分量的幅值最小，單端接地時諧波分量的幅值最大，在屏蔽層單端接地和雙端接地的情況下，二次電纜末端騷擾電壓的幅值分別降低了9.97%和20.51%。

對3種屏蔽層接地方式下騷擾電壓進行傅里葉分析，各諧波分量的幅值如表4所示。在二次電纜屏蔽層接地后，3.30 MHz和6.15 MHz兩個主要諧波分量的幅值大大增加，屏蔽層單端接地時分別增了86.92%和43.50%，而雙端接地時分別增加了21.60%和72.97%。對于1.7、8.7、9.75和12.55 MHz頻率范圍的諧波，采用屏蔽層接地后諧波分量的幅值略有降低。綜合來看，屏蔽層兩端接地對于騷擾電壓幅值的抑制效果最為顯著，但也會導致主要諧波分量幅值的增加，還需配合濾波設備來降低諧波幅值。屏蔽層兩端接地后，將與大地形成回路，在屏蔽層中流過與母線電流極性相反的電流，產生去磁通的效果，減小電感和電容耦合的干擾。在工程實際中，一般也采用屏蔽層兩端接地的方式，提高二次電纜的抗干擾能力。

表4 不同屏蔽層接地方式下二次電纜末端騷擾電壓各諧波分量的幅值Tab.4 The amplitude of harmonic components of interference voltage at the end of secondary cable under different shield grounding modes

4.4 采用多股導線

多股導線并聯(lián)接地將使導線接地電阻大大降低，可以降低由于地網電位升高導致的干擾。分別采用兩股、3股和4股導線，通過仿真可以發(fā)現(xiàn)，采用多股導線后，二次電纜末端騷擾電壓的幅值明顯降低。采用兩股、3股和4股導線時，二次電纜末端騷擾電壓的幅值最高分別為3 284、2 260、1 720 V，相比單股導線分別降低了45.29%、62.35%、71.35%。對采用多股導線后二次電纜末端電壓進行傅里葉分析，各主要諧波分量幅值如表5所示。在采用多股導線后，二次電纜末端騷擾電壓的主要諧波頻率并未發(fā)生變化，而各諧波分量對應的幅值卻大大降低，其中采用四股導線時騷擾電壓的幅值最低，諧波分量對應的幅值也最低，對騷擾電壓有很好的抑制效果。

表5 采用多股導線后二次電纜末端騷擾電壓各諧波分量的幅值Tab.5 The amplitude of harmonic components of interference voltage at the end of secondary cable using multi-stand conductors

4.5 濾波電容對二次電纜末端電壓的影響

VFTO的頻率成份非常復雜，其中包含大量的高頻諧波成份。在屏蔽層接地后，在二次電纜末端處的VFTO幅值仍然很高且各諧波的成份依舊很復雜，甚至諧波分量的幅值占比有所升高，因此還需要加裝相應的濾波設備來降低諧波分量和騷擾電壓的幅值。在二次電纜首端、末端分別加裝濾波電容來模擬不同幅值的濾波器，仿真結果如圖10所示。

圖10 濾波電容對二次電纜末端騷擾電壓的影響Fig.10 Effect of filter capacitor on interference voltage

根據(jù)仿真結果可以看出，在首端安裝濾波電容，騷擾電壓先降低后升高，但仍然有一定的抑制效果；在末端安裝濾波電容，騷擾電壓的幅值隨濾波電容的增大而減小，二次電纜末端騷擾電壓與加裝的濾波電容值呈類似于反比例的關系，但電容值超過0.01 μF時，對騷擾電壓的抑制效果明顯降低。綜合對比發(fā)現(xiàn)，在二次電纜末端加裝濾波電容的效果要比在首端安裝更好。在二次電纜末端加裝濾波電容可減小二次側的騷擾電壓。當濾波電容小于0.01 μF時，加裝濾波電容可使二次側騷擾電壓幅值顯著降低。當濾波電容大于0.01 μF時，繼續(xù)增大濾波電容幅值對二次電纜騷擾電壓的抑制作用降低。

4.6 二次電纜騷擾電壓組合抗干擾措施

在4.1—4.5節(jié)分別分析了采用螺旋管阻尼母線、二次電纜長度、屏蔽層接地方式、采用多股導線以及安裝濾波電容對二次電纜末端騷擾電壓的影響。通過仿真分析可以發(fā)現(xiàn)，采用阻尼母線能大大降低VFTO的幅值；二次電纜長度大于100 m后對騷擾的抑制效果明顯降低；采用屏蔽層兩端接地能很好地抑制騷擾電壓，但卻會引起主要諧波頻率的幅值增加；濾波電容大于0.01 μF時，對騷擾的抑制效果大大降低。綜合考慮這些騷擾抑制措施，分析采用組合抗干擾措施對二次電纜末端騷擾電壓的抑制效果。采用組合抗干擾措施后二次電纜末端騷擾電壓和幅頻特性的波形如圖11所示。其中二次電纜采用4股導線，電纜長度設置為100 m，屏蔽層采用兩端接地的方式，濾波電容為0.01 μF。

圖11 采用組合抗干擾措施后二次電纜末端的騷擾電壓Fig.11 Interference voltage at the end of secondary cable adopting combined suppression measures

根據(jù)仿真結果可以看出，在采用組合抗干擾措施后，二次電纜末端的騷擾電壓最大為429 V，且其諧波含量的幅值也明顯降低，主要頻率分量在20 MHz以內，很好地濾除了高頻的諧波分量。

5 結論

本文主要研究了GIS變電站VFTO對二次電纜傳導騷擾的原理特性和抑制策略等內容。對CVT進行了建模，并對CVT二次側的電壓進行了推導?；陔姶艜簯B(tài)仿真軟件，根據(jù)CVT等效電路搭建了500 kV GIS變電站仿真模型，對VFTO和二次側騷擾電壓進行了仿真分析。

通過對某500 kV GIS變電站開關操作產生的VFTO經CVT對二次設備造成的干擾進行仿真研究，提出了一系列的二次電纜抗干擾措施，具體如下。

在一次側隔離開關附近采用螺旋管阻尼母線能夠大大降低二次電纜末端VFTO的幅值，諧波分量的幅值也得到了有效抑制。

二次電纜屏蔽層兩端接地對于騷擾電壓具有一定的屏蔽作用，但也可能會導致各諧波分量的幅值增大，需要配合濾波設備使用。

當二次電纜長度在100 m內時，適當增加二次電纜長度可降低末端的騷擾電壓，當電纜長度大于100 m后對騷擾的抑制效果明顯降低。

采用多股導線接地可以在很大程度上降低二次電纜上的干擾電壓，采用4股電纜比單股電纜騷擾電壓降低了71.35%。

在二次側負載前并聯(lián)濾波電容可有效減小二次側的騷擾電壓，并有效抑制高頻諧波。

采用組合抗騷擾措施后，二次電纜末端電壓大大降低，且含有的諧波成份也顯著減少，抗干擾能力明顯增強。