唐 瑭

（國網(wǎng)江蘇省電力工程咨詢有限公司，江蘇 南京 210000）

在我國電力輸送系統(tǒng)中，GIS變電站的應(yīng)用早已普及。在GIS變電站中進(jìn)行隔離開關(guān)的分合閘操作時(shí)，因?yàn)橛|點(diǎn)動(dòng)作緩慢，而且隔離開關(guān)本身沒有滅故性能，所以觸點(diǎn)接觸的空隙中會(huì)出現(xiàn)多次滅弧重燃現(xiàn)象，快速暫態(tài)過電壓（VFTO）的產(chǎn)生頻率非常高。在特高壓系統(tǒng)中，發(fā)生故障時(shí)的損壞概率位于首位的是VFTO，大于雷電沖擊和運(yùn)行沖擊下的損壞概率之和。在我國眾多電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中GIS設(shè)備較多，GIS運(yùn)行設(shè)備被廣泛應(yīng)用于世界聞名的三峽電廠。GIS利用SF6介質(zhì)將除變壓器和架空線外的其他所有電氣元件封裝在某種金屬的外部，具有小型化、緊湊性且占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，極適合在空間資源稀少的變電站場所使用，有利于環(huán)境的保護(hù)[1]。

1970年左右出現(xiàn)了特高壓GIS變電站，VFTO的破壞性逐漸顯露，專家們開始將研究重心放在該現(xiàn)象上。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，330kV及以上GIS變電站開合空母線時(shí)，因?yàn)橛|點(diǎn)動(dòng)作緩慢，隔離開關(guān)自身也不具備滅弧能力，發(fā)生VFTO的概率更大，破壞性也更強(qiáng)。VFTO的出現(xiàn)，已對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性、可靠性造成巨大威脅[2]。

因此該文針對(duì)特高壓GIS內(nèi)部暫態(tài)情況，以變電站實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)，把變電站的參數(shù)等效為分布電容的參數(shù)，對(duì)VFTO的危害及其抑制措施進(jìn)行了詳細(xì)描述。

1 GIS中的特快速暫態(tài)過電壓

1.1 特快速暫態(tài)過電壓綜述

1.1.1 VFTO的產(chǎn)生原因和特點(diǎn)

GIS中會(huì)出現(xiàn)VFTO現(xiàn)象，因?yàn)榧夹g(shù)原因，隔離開關(guān)觸頭表面不可能完全光滑，所以會(huì)在觸頭周圍產(chǎn)生均勻磁場。階躍電壓波一旦產(chǎn)生，就會(huì)導(dǎo)致頻率的急劇增加。該電壓陡波在GIS內(nèi)部連續(xù)折射和反射，最終形成快速較快的瞬態(tài)過電壓，簡稱VFTO。

在合閘過程中，操作開關(guān)分合時(shí)觸頭運(yùn)動(dòng)速度較慢，觸點(diǎn)間會(huì)發(fā)生第一次擊穿。由于觸頭有電流流過，因此會(huì)引起火花放電電弧重燃。接下來的擊穿近似于重新啟動(dòng)操作開關(guān)分合過程，導(dǎo)致電壓幅度比首次擊穿還大。在斷開過程中，接觸點(diǎn)緩慢移動(dòng)，因此2個(gè)接觸點(diǎn)間可能會(huì)發(fā)生類似于雙快門的重復(fù)沖擊，導(dǎo)致VFTO值增加[3]。

VFTO具有如下3個(gè)特點(diǎn)：1）幅值。一般情況下，大部分VFTO振幅相對(duì)較低，通常在2.0p.u.以下，只有個(gè)別VFTO振幅會(huì)在2.5p.u.以上。即便如此，VFTO也會(huì)在某種程度上帶來一些傷害，仍然需要盡可能避免。由于GIS結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，不同位置的VFTO幅值也不相同。2）陡度。當(dāng)隔離開關(guān)失靈時(shí)，在均勻或稍不均勻的電場中，只需納秒即可形成火花放電，并進(jìn)一步形成通道。一般來說，根據(jù)電場的不均勻性程度，Tr可以為3ns～20ns。3）頻率。VFTO的頻率分為基頻、高頻和特高頻3種?；l范圍為幾十至幾千赫茲，高頻可達(dá)幾十兆赫茲，在VFTO中高頻占大部分。特高頻高達(dá)幾百兆赫茲，幅值卻非常低。

1.1.2 VFTO對(duì)設(shè)備絕緣性能的傷害

VFTO對(duì)設(shè)備絕緣性能的傷害主要分為2個(gè)方面[4]。1）絕緣老化。當(dāng)操作隔離開關(guān)時(shí)，會(huì)發(fā)生電弧重燃，破壞GIS內(nèi)部電氣設(shè)備，使絕緣進(jìn)一步老化。如果多次發(fā)生VFTO，雖然絕緣子能起到保護(hù)作用，但不斷的沖擊損傷也必然會(huì)造成嚴(yán)重事故。2）對(duì)二次設(shè)備的干擾。在GIS隔離開關(guān)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的VFTO的幅度與系統(tǒng)電壓水平增加成正比，尤其是330kV以上的GIS。階躍電壓波在GIS中傳播過程中不僅會(huì)影響一次設(shè)備，還會(huì)影響二次設(shè)備的安全。不同電壓等級(jí)的系統(tǒng)，VFTO的耐受水平也不同。在同一電壓等級(jí)下，雷電沖擊電壓及其相應(yīng)的特速暫態(tài)過電壓耐受水平見表1。

表1 不同電壓等級(jí)下設(shè)備的雷電沖擊電壓和VFTO耐受水平

1.2 特快速暫態(tài)過電壓的抑制措施

隨著時(shí)代的發(fā)展，對(duì)VFTO抑制措施的探索也逐漸走向成熟。目前抑制VFTO的方法有很多，下文將簡單介紹一些理論較成熟、應(yīng)用較廣泛的方法[5]。1）并聯(lián)合閘電阻。經(jīng)驗(yàn)表明，并聯(lián)合閘電阻時(shí)電阻取值500Ω的抑制效果最好。進(jìn)行隔離開關(guān)分合操作時(shí)，以500Ω電阻為輔助開關(guān)，先閉合輔助開關(guān)，借助500Ω電阻的阻尼作用消耗行波能量，再閉合主開關(guān)，在隔離開關(guān)上選擇合適的合閘電阻，可以降低VFTO的幅值，并加快其衰減速度。由于該方法簡單、有效且制造成本低，因此在實(shí)際工程中運(yùn)用非常廣泛。2）鐵氧體磁環(huán)。鐵氧體是一種高頻磁性材料，它能更改一部分電路參數(shù)，近乎等效于串入母線的阻抗。鐵氧體磁環(huán)串入母線中，能夠大幅增加行波的能量損耗，使電壓波從無衰減的自由震蕩變?yōu)樗p的阻尼振蕩，從而達(dá)到抑制VFTO的目的。3）簡化布線程序。動(dòng)態(tài)計(jì)算光伏電池的最大功率點(diǎn)，并通過雙閉環(huán)控制使變流器工作在最大功率點(diǎn)，以達(dá)到最優(yōu)化的目的。如果設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，已考慮簡化布線并替換為更簡單的程序，則該方式實(shí)際參考意義不大。4）氧化鋅避雷器。研究表明，氧化鋅避雷器也有明顯的缺陷，由于波頭電壓的陡度很大，帶間隙的碳化硅避雷器不能起到可靠的保護(hù)左右，因此只能不間斷養(yǎng)護(hù)避雷器，但這會(huì)在較大程度上增加人工工作量，是實(shí)際生產(chǎn)工作的一大問題。5）安裝阻波器。在二次設(shè)備的入口安裝高頻阻波器。

該文選擇了2種措施，即通過安裝并聯(lián)合閘電阻和鐵氧體磁環(huán)來抑制VFTO。

2 GIS設(shè)備的電磁暫態(tài)分析模型

2.1 非線性電阻

非線性電阻如公式（1）所示。

式中：A為一個(gè)常數(shù)，與閥板的材料和尺寸有關(guān)，是一個(gè)小于1的非線性系數(shù)，其尺寸也與閥板的材料有較大關(guān)系，在SIC閥板中，該值通常為0.2。

由氧化鋅組成的壓敏電阻一般用于無間隙的金屬氧化物避雷器。它的閥板比SIC閥板小很多，非常接近理想值（α=0）。其在正常工作條件下不需要串聯(lián)放電間隙，主要原因是避雷器上流動(dòng)的電流較小。

無間隙金屬氧化物避雷器在暫態(tài)計(jì)算中可以使用非線性電阻來模擬；具有間隙的SIC避雷器可以通過串聯(lián)電壓控制開關(guān)與非線性電阻來進(jìn)行模擬；超高壓系統(tǒng)的避雷器則需要考慮雷電過電壓對(duì)瞬態(tài)過程的影響，可以在回路中串聯(lián)一定值的電感。

2.2 非線性電感

假設(shè)一個(gè)鐵磁電感元件，作用電壓、電流和總的磁鏈分別為u、i和w，非線性電感的暫態(tài)過程如公式（2）所示。

將公式（2）等值化為積分形式，如公式（3）所示。

按梯形積分公式，如公式（4）所示。

用b（t-Δt）表示磁鏈的歷史記錄，是已知量，如公式（5）所示。

如果將已知磁化特性w=f（i）帶入公式（3），則有公式（6）。

同理，在暫態(tài)計(jì)算中也能用這種方法計(jì)算非線性電感元件。

3 特高壓GIS變電站VFTO抑制方法的仿真研究

GIS斷路器產(chǎn)生的VFTO隨著系統(tǒng)電壓水平增加而增加，尤其是330kV以上的GIS。VFTO可能會(huì)損壞GIS外殼和相關(guān)設(shè)備（例如變壓器）的絕緣，并引起電磁干擾，進(jìn)而影響二次設(shè)備。抑制VFTO可提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。因此，研究GIS中VFTO的抑制措施具有重要意義。

3.1 并聯(lián)合闡電阻的抑制研究

并聯(lián)合閘電阻是最常見的VFTO抑制措施，安裝合閘電阻目前已在超、特高壓GIS變電站普及。原理是隔離開關(guān)兩側(cè)的電阻與合閘電阻的組合，當(dāng)分合操作開關(guān)時(shí)，合閘電阻串聯(lián)電路，并利用串聯(lián)阻尼作用降低VFTO的幅值，將電壓波由無衰減的自由震蕩變?yōu)樗p的阻尼振蕩，以此來抑制VFTO。

合閘電阻示意圖如圖1所示。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，當(dāng)合閘電阻R1的阻值定為500Ω時(shí)，可獲得最佳抑制效果。K是主開關(guān)，K1是輔助開關(guān)。工作原理是先閉合輔助開關(guān)K1，3μs后閉合主開關(guān)K，利用接入電阻后的阻尼作用增加行波能量的損耗，從而抑制VFTO。

圖1 并聯(lián)合閘電阻示意圖

并聯(lián)500Ω合閘電阻與無措施的情況下，將重要位置的VFTO幅值進(jìn)行比較，見表2。

表2 并聯(lián)500Ω合閘電阻與無措施GIS重要位置VFTO幅值的對(duì)比

由圖1可知，無抑制措施時(shí)，原各重要位置VFTO的波形，電壓波可近似等效為自由震蕩。在并聯(lián)合閘電阻500Ω后，可以看到VFTO波形變?yōu)樽枘嵴袷?，VFTO隨著時(shí)間推移而明顯下降。從表2的數(shù)據(jù)可以看出，各重要位置的VFTO的幅值出現(xiàn)了較大程度的下降。

3.2 安裝鐵氧體磁環(huán)的抑制研究

鐵氧體為非金屬磁性材料，是半導(dǎo)體的一種。鐵氧體磁環(huán)可等效為并聯(lián)的電阻RD、電感LD，共同對(duì)電路產(chǎn)生作用。套上鐵氧體磁環(huán)后，能改變隔離開關(guān)的局部電路參數(shù)，相當(dāng)于在隔離開關(guān)斷口與空載母線間串入了一個(gè)高阻值阻抗，可抑制電壓波的傳播，加大行波的損耗，從而抑制VFTO。

安裝鐵氧體磁環(huán)的等效電路如圖2所示。

圖2 鐵氧磁環(huán)等效電路

圖2中的參數(shù)可由相關(guān)文獻(xiàn)獲得，根據(jù)線路實(shí)際情況取值為70Ω，0.05mH。

安裝鐵氧體磁環(huán)與無措施情況下，將重要位置的VFTO幅值進(jìn)行比較，見表3。

表3 安裝鐵氧體磁環(huán)與無措施GIS重要位置VFTO幅值的對(duì)比

可以看出，安裝鐵氧體磁環(huán)后，GIS重要位置VFTO的幅值出現(xiàn)了比較明顯的下降。

從表3的數(shù)據(jù)可知，各重要位置的VFTO幅值均有下降，采取抑制措施后，最大降幅達(dá)到了1.5510MV。在加裝鐵氧體磁環(huán)后，各重要位置的VFTO幅值都達(dá)到了低于1.200MV=1.2024p.u.的效果，處于設(shè)備允許的安全電壓幅值范圍內(nèi)。因此可以得出鐵氧體磁環(huán)對(duì)VFTO有較好抑制效果的結(jié)論。

3.3 GIS變電站的2種VFTO抑制措施分析

上文在采取多種抑制方法后，在ATP-Draw軟件中模擬了GIS主要設(shè)備上的速度較快的瞬態(tài)過電壓波形。采取抑制方法前、后VFTO的值見表4，通過表4可知各種抑制方法對(duì)VFTO的抑制效果。

表4 采取各種抑制措施后關(guān)鍵設(shè)備上的VFTO幅值

由表4的數(shù)據(jù)可以明顯看出，2種措施都有一定程度的抑制效果。各重要位置的VFTO值均有一定下降。采取抑制措施前VFTO幅值的同比下降率見表5。

表5 采取抑制措施前VFTO幅值的同比下降率

由表5可知，加裝合閘電阻在斷路器斷口處的抑制效果最好，可使斷路器端口的VFTO同比下降71.7%。加裝鐵氧體磁環(huán)在變壓器側(cè)隔離開關(guān)處的抑制效果最好，可使變壓器側(cè)隔離開關(guān)處的VFTO同比下降64.9%。綜合所有重要位置，采取抑制措施前VFTO幅值、合閘電阻的總體性能更優(yōu)越，2種措施均可有效抑制。但每種方法都有其自身局限性，因此應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程中的絕緣要求來選擇合適的抑制方法。

4 結(jié)論

該文選取了安裝并聯(lián)合閘電阻和安裝鐵氧體磁環(huán)2種抑制措施，比較了各關(guān)鍵設(shè)備的仿真結(jié)果，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，得到的主要結(jié)論如下：1）VFTO是一種具有高振幅、高陡度和高頻率的電壓波。GIS隔離開關(guān)分合時(shí)，觸頭的空隙中滅弧和重燃的過程使產(chǎn)生的階躍電壓波在GIS中不斷發(fā)生折射、反射和疊加，進(jìn)而形成VFTO。長期這樣將會(huì)為電氣設(shè)備的安全埋下隱患。因此，進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將VFTO列入考慮范圍。2）通過比較GIS變電站重要位置的VFTO幅值變化和2種抑制措施可以得出，安裝合閘電阻和安裝鐵氧體磁環(huán)均能有效抑制VFTO，但綜合各重要位置VFTO幅值數(shù)據(jù)的變化，合閘電阻的抑制作用更明顯，綜合抑制VFTO的性能也優(yōu)于鐵氧體磁環(huán)。一般來說，安裝并聯(lián)合閘電阻的抑制效果優(yōu)于安裝鐵氧體磁環(huán)。