500KV變電站GIS內部VFTO特性分析

摘要：GIS配電裝置在不同操作方式下隔離開關投切短管線時，產生特快速瞬態過電壓（VFTO）損害GIS本體、所連接帶繞組的設備的絕緣。研究各種DS操作方式下VFTO的峰值和頻率，并以最為嚴重的氣體絕緣母線（GIL）直連方式下主變入口處VFTO以考核變壓器繞組的絕緣。研究成果為高壓GIS型式配電裝置電氣接線設計和設備選型提供兼顧安全性和經濟性的技術建議。

關鍵詞：全封閉組合電器（GIS）；隔離開關；快速暫態過電壓（VFTO）

1 引言

隨著我國電力工業快速發展，超高壓和特高壓電力技術的廣泛應用，電力設備的絕緣水平提高而裕度相對變小，GIS 隔離開關操作引起的VFTO對電力設備的影響越來越得到重視。該過電壓主要有三個特點：一是頻率較高；二是電壓波形的陡度較大；三是過電壓幅值較高。VFTO對GIS本體、所相連繞組設備可能產生絕緣破壞，以及對二次設備產生電磁干擾。特別是采用GIL與變壓器直連方式下，必須考慮VFTO對GIS 與變壓器絕緣的影響，需要嚴格計算DS各種操作方式時所產生的VFTO峰值、頻率等，以用于變壓器繞組絕緣裕度的校核。

2 系統計算模型及等效參數

元件模型的恰當與否決定計算結果的精確度。因此如何對各元件進行合理的近似等效又能使計算結果足夠精確是數值計算的關鍵。對500KV變電站進行模型等效時GIS 元件的模擬，按照IEC60071-4 . 2003《絕緣配合第4部分絕緣配合和系統模擬計算導則》提出了計算VFTO的模型要求，建立計算模型。

元件1 GIS 母線管道：無損耗分布參數輸電線路。

元件2 盆式絕緣子：電容。

元件3 彎管，已合閘的隔離開關，已合閘的斷路器：無損耗分布參數輸電線路。

元件4 斷開的斷路器：把斷路器分成許多段，因其開斷，用分級電容來連接它們。也可用一個等效于全體分級電容串聯組合的電容器去連接母線。

元件5 斷開的隔離開關：電容。

元件6 電力變壓器：參照 IEC60071.2-1996 附錄 E。

元件7 電流互感器：它可用一個Π段來表達。

元件8 充氣套管：它可用一無損耗輸電線路來表示，該線路端接一個對地電容（在空氣側）。

元件9 套管（電容類型）：和模擬損耗的集中電阻串聯的若干輸電線路。

元件10 避雷器：當過電壓低于保護水平時，可用電容來模擬。

根據某高壓開關廠提供的數據以及參考資料得到GIS內部元件的等效電容值，通過總結整理，得到元件的等效參數。

（1）變壓器。本文計算時取變壓器入口電容為10500pF，等效電感為120mH。

（2）GIS母線。封閉母線波阻抗Z =183Ω，波速2.77×108m/s。

（3）隔離開關。隔離開關合閘時，對地等效為母線的一部分；燃弧時，電弧電阻其中。

（4）斷路器。斷路器CB 閉合時，相當于封閉母線。斷路器分閘時，需考慮觸頭間的電容。本文涉及到的斷路器斷口的極間電容為30pF。

（5）支撐絕緣子、電壓互感器和避雷器。變壓器套管本身對地等效電容為 240pFGIS 出線套管電容量為80pF，電壓互感器等效電容為300pF，避雷器等效電容為19pF。

（6）殘余電荷。VFTO 的幅值倍數的直接影響因素是母線上的殘余電荷電壓，殘余電荷電壓越高，VFTO 幅值越高。若要計算VFTO 幅值極限值，則需考慮重燃最嚴重的極端情形，即電源側電壓為峰值，母線殘余電荷電壓為電源電壓反極性峰值的情況，此時隔離開關電源側電壓為1.0p.u，負載側電壓為-1.0p.u.。計算中變壓器模型采用電感-電容-電阻所組成的鏈形回路。

3 GIS 內部VFTO 仿真計算

GIS的隔離開關操作會在變壓器的線圈餅間產生VFTO，甚至局部線圈產生諧振過電壓，威脅變壓器的絕緣，同時也可能威脅GIS斷路器和隔離開關斷口間絕緣。研究中不僅對各變壓器繞組設備上產生的VFTO進行了仿真計算，同時也對隔離開關投切短管線在GIS內部產生的VFTO也進行了研究。圖1中為某電站的接線原理圖，圖中列出了可操作的斷路器和隔離開關名稱。

研究中考慮了以下幾種典型隔離開關操作方式可能在電站GIS設備上產生VFTO。

方式1：隔離開關投切短管線。BG1 線路出線套管經線路I帶電，斷路器CB11、CB12和隔離開關DS11、DS13均處于斷開狀態，斷路器CB11 至隔離開關DS12之間的管道有1.0p.u. 的殘余電荷，操作隔離開關DS12。

方式2：母線經線路I或者#1主變帶電，斷路器CB21、CB31和隔離開關DS31均處于斷開狀態，斷路器CB21至隔離開關DS21之間的管道有1.0p.u.的殘余電荷，操作隔離開關DS21。

方式3： 隔離開關操作，主變T1經發電機帶電，隔離開關DST11 、DST12 處于合閘狀態，斷路器CB12和隔離開關DS15均處于斷開狀態，斷路器CB12至隔離開關DS14之間的管道有1.0p.u. 的殘余電荷，操作隔離開關DS14。

方式4：隔離開關操作，線路I經套管BG1對串內充電，斷路器CB11、CB13和隔離開關DS12均處于斷開狀態，斷路器CB12、隔離開關DST11 、DST12 、DS13、DS14和DSL1均處于閉合狀態，斷路器CB13至隔離開關DS15之間的管道有1.0p.u.的殘余電荷，操作隔離開關DS15。

3.1 GIS上的VFTO計算結果的分析

各種操作方式下，方式1 操作產生的VFTO最大，其值為1349kV，即3.00p.u，未超過GIS 雷電沖擊耐受電壓1550kV，安全裕度系數為14.9%，小于行業標準規定的雷電沖擊耐受絕緣裕度15%。但考慮到以下因素，認為 GIS 仍是安全的。

3.1.1 無缺陷的GIS耐受VFTO的絕緣強度比雷電沖擊耐受電壓要高出10～20%左右。

3.1.2 殘余電荷的大小具有概率性，與隔離開關分閘時運動速度，電弧重燃特性等因素相關，國內外試驗表明出現1.0p.u的殘余電荷概率極低。統計的最大殘余電荷不超過0.6p.u，計算時殘余電荷選 1.0p.u.是非常保守的。另外殘余電荷總有泄漏，盡管速度較慢，若殘余電荷選為0.8pu，則方式1操作產生的VFTO可降至1259kV。滿足安全裕度系數為15%的要求。

3.2 變壓器繞組上的VFTO

隔離開關閉合產生的ns級的VFTO，通過油氣套管進入變壓器繞組端部，在繞組線圈傳播時，各方式下的振蕩頻率約為上千赫茲到幾十兆赫茲。一般認為VFTO不超過雷電全波沖擊下該線餅的雷電梯度電壓的3倍，就認為繞組的導線匝絕緣和油道絕緣強度是足夠的。該結果是在變壓器繞組上經過實測得出的，并用相關的程序進行試驗分析、比較后得出的。

500kV 變壓器若采用一般的糾結式繞組結構，則在1550kV全波沖擊電壓作用下，高壓端1～3個線餅的最大梯度電壓大約為全波沖擊電壓的7%～9%左右，若采用插入電容內屏蔽結構的繞組，最大梯度電壓可能要低一些。研究中偏嚴格考慮，以7%計，為108kV，則VFTO 允許值為324kV。變壓器高壓線餅的最大對地過電壓為1.72p.u，即772kV峰值。高壓線餅第一餅兩端的VFTO過電壓為0.78p.u，即348kV，超出了上述允許的安全范圍。高壓繞組的第二個線餅及其它線餅承受的最高VFTO梯度電壓均低于185kV，在上述允許的安全范圍內。

4 防止VFTO 的措施

主要是由于短管道母線存在殘余電荷而操作GIS隔離開關，開關運動速度較慢，其斷口間電弧不斷重燃和熄滅，便產生特快速瞬態過電壓。通常，最高過電壓峰值為1.5～2.5p.u，極少可達3.0p.u以上。

考慮到VFTO 對變壓器絕緣的累積效應，我國許多直接連接GIS 的變壓器運行規程都明確規定禁止帶電投切隔離開關。變壓器是最重要的設備，盡量避免帶電投切變壓器支路的隔離開關，必須進行操作時，應在運行規程中規定先投入GIS短管的接地刀，放掉殘余電荷，再進行相應操作。

參考文獻

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[2]Hazanadar Z， Carsimamovie S.More accurate modeling of GAS insulated substation components in digital simulations of very fast electromagnetic transients [J].IEEE Trans. On PD. 1992，7（1）：8-11

[3]王洪梅，林克.1000MW機組大型火電廠照明系統選型[J].科技創新與應用，2013（16）.

作者簡介：王洪梅（1977-），女，浙江水利水電學院，碩士，講師， 主要從事電力系統暫態分析及保護研究與教學。

林克（1979-），男，浙江省電力設計院，碩士，高級工程師，主要從事發電廠及變電所的設計和施工指導工作。