特高壓GIS變電站VFTO仿真計算研究

王磊，陳潔，萬磊，林曉靜，戴敏

(1．中國電力科學研究院，武漢市430074；2.西安交通大學電氣工程學院，西安市710049；3．國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢市 430074)

特高壓GIS變電站VFTO仿真計算研究

王磊1，陳潔2，萬磊1，林曉靜3，戴敏1

(1．中國電力科學研究院，武漢市430074；2.西安交通大學電氣工程學院，西安市710049；3．國網電力科學研究院武漢南瑞有限責任公司，武漢市 430074)

氣體絕緣開關設備(gas insulated switchgear, GIS)中的隔離開關投切空載短母線時會產生陡波前、高幅值的特快速瞬態過電壓(very fast transient overvoltage, VFTO)，對GIS及其連接的設備產生危害，嚴重影響設備的安全運行。通過電磁暫態程序(electro-magnetic transient program, EMTP)，針對我國“皖電東送”工程某特高壓變電站開展了仿真研究，并對影響VFTO的幾種因素進行分析。結果表明，母線拓撲結構和殘余電荷電壓對VFTO影響較大，通過合理設計隔離開關可減小殘余電荷電壓水平，從而顯著降低變電站VFTO水平。

特高壓；隔離開關；特快速瞬態過電壓(VFTO)；殘余電荷電壓

0 引 言

氣體絕緣開關設備(gas insulated switchgear，GIS)中隔離開關投切空載短母線時，開關觸頭間隙會發生多次重復擊穿，從而產生特快速瞬態過電壓(very fast transient overvoltage，VFTO)[1]。VFTO具有頻率、幅值、陡度高等特點，其引發的GIS內部設備和相連設備的過電壓事故也時有發生[2-4]，嚴重影響電力系統的安全。對于特高壓GIS變電站，此問題更加突出。故有必要對特高壓GIS變電站內VFTO的特性進行深入研究[5]。

由于目前尚無隔離開關操作引起VFTO的標準波形，在設計階段評估變電站VFTO水平時，通常的做法是首先利用電磁暫態程序(electromagnetic transients program, EMTP)計算GIS中VFTO的分布，獲得設備端口的波形[6]。現有研究方法對建模中參數選取有一定爭論，如弧道電阻大小等，且采取的是隔離開關“峰—峰”值擊穿時的VFTO作為設備絕緣耐受電壓，其結果可能是偏保守的，使得工程造價大幅增加[7-12]。

本文主要結合我國交流特高壓試驗基地GIS試驗回路的實測結果，對GIS變電站VFTO計算模型進行修正與完善，并利用此模型對我國“皖電東送”工程中的某特高壓變電站進行仿真計算分析。此外還介紹殘余電荷電壓的計算方法，提出影響殘余電荷電壓的主要因素，并分析殘余電荷電壓對VFTO的影響。

1 變電站的仿真計算

1.1 變電站設備的建模

通常，在針對GIS中VFTO的仿真計算時，忽略集膚效應與電阻損耗的影響，這是因為從關心VFTO的最大幅值角度，主要關心數百ns以內的波形，此時電阻引起的衰減效應還不明顯。由于VFTO波形含有的主要頻率分量從數百kHz到上百MHz，高頻電磁波對亮導體透入深度有限，導體間的位移電流效應比較明顯，即導體間容抗比較小，感抗比較大，因此，對于外觀尺寸在數m以內的電氣元件都是用極總參數電容表示。對于幾何尺寸遠大于電磁波波長的原件，如GIS母線、架空線等則采用傳輸線模型[13]。

對于GIS母線的傳輸線模型，予以考慮的參數主要有波阻抗、波速和每段GIS管道的長度。其計算方法如式(1)～(4)：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：C為GIS管道的單位長度電容；ε0為真空介電常數；εr為相對介電常數；b為GIS管道內徑；a為GIS管道內部導電桿直徑；L為管道的單位長度電感；Z0為波阻抗；v為波速[14-15]。

其余各設備對地電容值如表1所示。

表1 設備代號和其入口電容

對于隔離開關，其模型對應于分合閘狀態有所不同：分閘時，隔離開關等效為兩段傳輸線與斷口電容的串聯，此斷口電容約為50 pF，隔離開關觸頭由于其非對稱性，動觸頭對地電容取65 pF，靜觸頭對地電容取50 pF；合閘時，隔離開關則等效為一段傳輸線及對地電容，此時對地電容值為115 pF。

值得注意的是，隔離開關操作導致觸頭間隙擊穿時，其弧道電阻等效為一指數衰減電阻(R0e-t/T)與一阻值較小的電阻(r=0.5～2 Ω)串聯[16]。弧道電阻的數學表達式如式(5)：

(5)

式中：R0為106MΩ；T為1 ns；t為弧道電阻發展時間。

由式(5)可知，弧道電阻在30 ns內，從極高的MΩ級降低到相對較低的穩定電阻值r。通過EMTP的仿真計算發現，時變電阻對VFTO幅值的影響基本與只有電阻r時等效。

斷路器的建模與隔離開關類似，但是由于其為四斷口斷路器，等效電容示意圖如圖1所示，具體數值分別為：C1～C5為50 pF，C12和C45為2 700 pF，C23和C34為2 500 pF。

圖1 斷路器電容等效示意圖

結合前述各設備建模方法，建立了圖2所示的計算等值圖，本文的仿真計算都是基于圖2進行的。

1.2 殘余電荷電壓的模擬

隔離開關投切空載短母線時，短母線上的殘余電荷電壓對產生的VFTO具有重要影響。當電源側與殘余電荷電壓差達到2.0 pu時發生擊穿，此時會產生最嚴重的VFTO水平。在仿真計算時，一般都以2.0 pu作為估算VFTO水平的擊穿電壓。

由我國特高壓交流試驗基地開展的VFTO試驗研究結果可知，當隔離開關分合閘速度較快時(1.75 m/s)，其殘余電荷電壓有5%的概率達到1.0 pu；當隔離開關分合閘速度較慢時(0.55 m/s)，其殘余電荷電壓有2%的概率達到1.0 pu。國外有關學者認為，當分合閘速度低至0.55 m/s時，其殘余電荷電壓應小于0.3 pu。

圖2 國內某特高壓變電站VFTO計算等值圖

對殘余電荷電壓的正確模擬，有利于對配置低速隔離開關的變電站VFTO水平進行準確評估。分閘過程中，隔離開關間隙的絕緣耐受電壓Uw隨時間線性增大，即

Uw=vtE

(6)

式中：v為隔離開關分閘速度；t為時間；E為GIS隔離開關間隙的單位長度耐受電壓。

當間隙兩端的電壓Ug≥Uw時，間隙擊穿，產生特快速暫態過電壓，間隙上流過高頻暫態電流；當高頻暫態衰減結束后，負載側和電源側等電位，間隙電弧熄滅。負載側殘留電壓就是此時電源側工頻電壓的瞬時值Umsin(ωtk+Φ)，其中tk= 1,2,3,…，為每次重燃的時間；Um為電源電壓幅值；Φ為觸頭開始運動時的電源電壓相位；ω為I頻電源角頻率。

隔離開關分閘，斷口間隙發生擊穿、熄弧、再擊穿、再熄弧的過程。隨著時間增加間隙距離增大，負載側殘壓波形呈階梯狀變化。當間隙足夠大，不再發生重燃擊穿時，完全完成分閘操作，此時負載側電壓即為分閘末次殘壓。

隔離開關分閘和合閘過程中開關的觸頭速度v、觸頭開始運動時的電源電壓相位及殘壓Ur等之間的關系如式(7)～(8)：

(7)

(8)

根據式(7)、(8)，可以確定每次重燃的時間tk、每次重燃熄弧后的殘壓值以及分閘操作的最終殘壓值。

從上述計算方法中可以看出，影響分閘操作后短管線上殘余電荷電壓的主要因素是隔離開關的操作速度和間隙的絕緣耐受電壓。當假定間隙的絕緣耐受電壓水平一定時，計算得到的分閘操作速度與最大殘余電荷電壓的關系如圖3所示。

圖3 隔離開關分閘速度與最大殘余電荷電壓的關系

由圖3可知，當隔離開關操作速度大于某一特定值(如0.8 m/s)時，其最大殘余電荷電壓都約為1.0 pu，當隔離開關操作速度較低時(如小于0.8 m/s)，則不可能出現1.0 pu的殘余電荷電壓水平。

同樣，當分合閘速度一定時，不同絕緣耐受電壓水平與最大殘余電荷電壓的關系如圖4所示。

圖4 隔離開關觸頭間耐受電壓與殘余電荷電壓的關系

由圖3、4可知，片面地認為分合閘速度會影響最大殘余電荷電壓的說法是不準確的，間隙絕緣耐受電壓的水平也會影響到最終殘余電荷電壓水平。實際上，從理論分析的角度來看，分閘速度快慢與間隙絕緣耐受電壓高低是可以等效的。例如，降低隔離開關的分閘速度，與減小絕緣耐受電壓水平對最終殘余電荷電壓的影響相同。

以上分析是基于分合閘操作速度恒定，且GIS內SF6氣體的擊穿電壓與距離成線性關系的前提下。實際上，二者的值都具有一定分布性，但相對較低速度的隔離開關，出現較大殘余電荷電壓的概率是比較小的。因此，在仿真計算中，除了考慮出現2.0 pu擊穿所造成的最大VFTO外，還需考慮0.6 pu、0.3 pu和無殘余電荷電壓時VFTO的特性。

2 計算結果及討論

在圖2所示的特高壓GIS變電站中，一共有9組斷路器，與之對應的斷路器兩側有18組隔離開關，此外還有3組獨立的隔離開關。對應每組隔離開關可能出現的操作方式非常多，結合實際運行情況，本文考慮了21種操作隔離開關引起VFTO的不同接線方式。計算中假設隔離開關不帶并聯投切電阻，且殘余電荷電壓分別為0，0.3，1.0 pu這3種情況。

由計算結果可知，通過線路帶電操作隔離開關引起的VFTO水平要小于變壓器帶電時的水平，故在后面的分析中，都是針對變壓器帶電、線路對應的出線未投入的方式。

2.1 VFTO波形

圖5為操作隔離開關DS11與斷路器CB11間短管線，VFTO在母線上對應節點的波形圖。由圖5可知，當節點靠近被操作隔離開關時，VFTO波形中波頭更陡，且其振蕩頻率含量相對于遠處的節點更高。

圖5 母線不同節點上VFTO波形對比

當變壓器入口電容分別取5 000，4 000和3 000 pF時，最大VFTO分別為1 032，1 045和1 060 kV。故采用糾結式繞組增大變壓器的匝間電容，在一定程度上可以降低VFTO。圖6為各操作方式下變壓器入口處最大VFTO的波形圖，由圖6可知，其最大陡度約為224 kV/μs。由于本文中的變壓器是經一段較長的架空線與GIS相連，故VFTO在架空線傳播過程中其幅值和頻率衰減較快，對變壓器威脅不大。

對于變壓器與GIS本體經油氣套管直接相連的變電站來說，VFTO對變壓器的危害則需給予足夠重視。因為VFTO沿變壓器繞組近似于指數分布，首端匝間絕緣將承受較高的電壓，其所含諧波會在繞組局部引起諧振，同時由于單次隔離開關操作的多次擊穿，可能會使得變壓器絕緣因累積效應發生擊穿。

圖6 變壓器入口處最大VFTO波形展開圖

圖7為被操作隔離開關處VFTO波形頻譜分析圖。由圖7可知，含量較大的頻譜成分主要處于0～2 MHz，5～15 MHz和20 MHz，來源于回路電氣振蕩頻率及波阻抗不連續處的折反射疊加。

圖7 被操作隔離開關處VFTO波形頻譜分析圖

2.2 母線拓撲結構對VFTO的影響

從圖7對VFTO波形的頻譜分析可知，母線結構和參數對VFTO波形和主要頻率成分的影響較大。本節主要結合變電站的實際布置分析母線結構對VFTO的影響。圖8為最簡單的單支路GIS母線的拓撲示意圖。這種直接由變壓器支路上的隔離開關操作短管線方式，一般在試驗用回路中較為常見，在實際變電站中很少出現。圖9為含有分支母線時的拓撲示意圖。實際變電站中其分支的具體表現形式可能有多種，根據變電站內的串數和設備布置而不同。

對圖9所示拓撲結構進行分析可知，對于變壓器入口處的VFTO，分支對其的影響基本由分支的等效導納與其余支路導納之和的比值來決定[13]。但是對于GIS內部的VFTO水平，則規律性不明顯。

圖8 單支路GIS母線拓撲示意圖

圖9 含1個分支的母線拓撲結構示意圖

具體到本文所分析的特高壓變電站，主要考慮圖10所示的操作方式下，不同接線長度對VFTO的影響。

圖10 隔離開關操作引起VFTO示意圖

通過改變GIS內設備間的距離，如套管BG至母線分岔BR，BR至隔離開關DS22，BR至隔離開關DS23，DS23至斷路器CB22等，得到的計算結果如圖11所示。(除BR-BG長度改變間隔為5 m外，其余部分改變的間隔為1 m)

圖11 不同管道長度改變對VFTO的影響

由圖11可知：(1)最大VFTO幅值對GIS管道的長度變化極為敏感且不單調，如隔離開關與母線管道分岔處長度在較小距離內(2.25～8.25 m)改變時，其最大VFTO計算值波動可達21%；(2)最大VFTO值出現點會隨著管道長度的變化而改變，但一般都出現在開斷的隔離開關或斷路器斷口處；(3)相對來說，負載側管母線長度變化，對最大VFTO值的影響較小。

2.3 殘余電荷電壓對VFTO的影響

由我國特高壓交流試驗基地得到的試驗結果可知，對于隔離開關合閘操作，最大VFTO一般出現在首次擊穿時，此時空載母線上的殘余電荷是影響最大VFTO幅值的因素之一；分閘操作時，最大VFTO一般出現在完全分閘前的末次擊穿，這次擊穿時電源電壓相位直接決定了空載短母線上的殘余電荷電壓水平。本節對殘余電荷電壓分別為0，0.3.和1.0 pu時的VFTO值進行了仿真計算，結果如圖12、13所示。

圖12 殘余電荷電壓對VFTO影響計算結果

圖13 不同殘余電荷電壓水平下變壓器處電壓波形

由圖12可知，對于GIS內各設備來說，當殘余電荷降低時，其最大VFTO水平也隨之降低，且其變化規律接近于線性。

設V(x)max表示殘余電荷電壓絕對值為x(V(x)max和x單位為pu)時的最大VFTO值，可通過上述計算結果得到如下近似計算公式：

V(x1)max=[(1+x1)V(x2)max+x2-x1]/(1+x2)

(9)

式(9)主要適用于GIS內各設備的VFTO水平在不同殘余電荷電壓水平下的簡單估算，其中V(x2)max為已知殘余電荷電壓絕對值為x2時的最大VFTO值，V(x1)max為待求殘余電荷電壓絕對值為x1時的最大VFTO值。

對于經過一段架空線路相連接的變壓器來說，殘余電荷電壓對其過電壓幅值影響不大，但過電壓的陡度隨殘壓水平的降低而減小。

如1.2節中所述，若能對隔離開關相關參數(如分合閘速度、觸頭結構等)給予合理優化，可避免出現較高殘余電荷電壓的情況。那么，出現仿真計算中所假設的最嚴重的峰—峰值擊穿的可能性也基本為0。若殘余電荷電壓水平可限制在較低水平(0.3 pu)，則對GIS變電站內部設備可不采取措施對VFTO進行限制。但不可忽略的是，相對低速的隔離開關，即使其VFTO水平可能較低，但其單次操作中產生過電壓的次數有所增加，多次過電壓對絕緣造成的累積效應傷害，尚需后續深入研究，以期在安裝隔離開關投切電阻等限制VFTO措施和改善隔離開關參數之間尋求平衡。

3 結 論

(1)隔離開關分閘速度和隔離開關觸頭間隙擊穿電壓強度共同決定被投切管線上的殘余電荷電壓；通過合理的設計隔離開關，能使最大殘余電荷電壓低于0.3 pu。

(2)特高壓變電站中，靠近被操作隔離開關的設備，其VFTO波形中波頭更陡，且振蕩頻率含量相對于遠處的節點更高。

(3)對于經架空線與GIS相連的變壓器來說，由于架空線路對VFTO幅值和頻率的衰減作用，VFTO對其絕緣威脅不大。

(4)變電站布置影響最大VFTO的幅值和分布位置，但由于行波折反射的復雜性，并無確定性規律，需結合變電站實際評估變電站VFTO水平。

(5)殘余電荷電壓的降低能顯著減小GIS變電站內部最大VFTO的水平。

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(編輯：張小飛)

VFTOSimulationStudyforUHVGISSubstation

WANG Lei1, CHEN Jie2, WAN Lei1, LIN Xiaojing3, DAI Min1

(1. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China;2. Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China;3. Wuhan NARI Limited Liability Company of State Grid Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

Very fast transient overvoltage (VFTO) with steep wave-front and high amplitude, is generated during the switching of disconnector with no-load short busbar in gas insulated switchgear (GIS), which is harm to GIS and the connected equipments, as well as seriously affect the safety operation of these equipments. Simulation study of VFTO in UHV GIS substation in Anhui-to-east power transfer project was carried out with using the tool of Electro-magnetic Transient Program (EMTP), and several influencing factors on VFTO were studied as well. The results show that both the topological structure of busbar and the trapped charge voltage have great influence on the VFTO. Through the rational design of disconnector, the trapped charge voltage can be limited to a comparatively low value, which consequently leads to the reduction of the level of VFTO in GIS substation.

UHV; disconnector; VFTO; trapped charge voltage

國家重點基礎研究發展計劃項目(973項目)(2011CB209405)；國家電網公司科技項目(SGKJJSKF[2009]776)。

TM 864

： A

： 1000-7229(2014)09-0001-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.09.001

2014-03-19

：2014-04-11

王磊(1984)，男，碩士，工程師，主要從事過電壓與絕緣配合研究，E-mail:wanglei8@epri.sgcc.com.cn;

陳潔(1987)，女，博士生，主要從事避雷器仿真與過電壓計算研究;

萬磊(1982)，男，碩士，工程師，主要從事雷電侵入波過電壓與絕緣配合研究;

林曉靜(1987)，女，學士，主要從事數據統計與分析研究;

戴敏(1978)，男，碩士，高級工程師，主要從事過電壓與絕緣配合研究。