隔離開關開合母線充電電流瞬態過電壓影響淺析

隋文婧，馬一丁

(新東北電氣集團高壓開關有限公司，遼寧 沈陽 110027)

隔離開關開合母線充電電流瞬態過電壓影響淺析

隋文婧，馬一丁

(新東北電氣集團高壓開關有限公司，遼寧 沈陽 110027)

隨著產業結構調整步伐的加快，電力設備需求量逐年增加，氣體絕緣金屬封閉開關設備增量迅猛。隔離開關作為其主要單元，運行的長期性和穩定性尤為關鍵，其中瞬態過電壓對隔離開關的影響得到了越來越多的關注。重點介紹了瞬態過電壓的種類，其各自的產生原理、主要特點和典型危害。以800kV GIS隔離開關為典型實例，介紹了為耐受瞬態過電壓而進行的特殊設計，并通過試驗對該設計結構進行考核，試驗結果表明，特殊設計達到了預期的效果。另外還提出了一些其他的預防措施和方法。

氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)；隔離開關；快速瞬態過電壓(VFTO)；瞬態殼體電壓(TEV)

1 引言

隨著我國產業結構調整步伐的加快，各行業對電力的需求不斷增長，電力設備的需求量也逐年增加。氣體絕緣金屬封閉開關設備(以下簡稱GIS)以其占地面積小、集成化程度高、運行穩定可靠、維護簡單易學、抗震性能高等優點得到廣大用戶的青睞。

隔離開關作為GIS的重要組成單元在整套GIS中大量使用，他的穩定可靠對GIS的影響極大。隨著電站規模的不斷擴大、線路長度的逐漸變長、電網互聯的交錯復雜，隔離開關的操作越來越頻繁，而操作過程中形成的瞬態過電壓可能對一次設備、二次設備、電力系統和運行維護人員造成傷害。

2 瞬態過電壓的種類

對電氣設備和運行維護人員危害最大的瞬態過電壓有兩種：快速瞬態過電壓(very fast transient overvoltage,以下簡稱VFTO)和瞬態殼體電壓(transient enclosure voltage，以下簡稱TEV)。

3 快速瞬態過電壓(VFTO)

VFTO是斷路器、隔離開關或接地開關操作以及發生單相接地故障產生的，其中隔離開關操作是其產生的主要原因。隨著電壓等級提高，GIS設備的雷電沖擊耐受電壓與VFTO間的裕度減小，在超高壓和特高壓系統更為突出。

3.1 產生原理

GIS中隔離開關操作空載短母線時，由于觸頭運動速度較慢，造成隔離開關斷口間隙多次重燃，產生陡變的行波，在GIS波阻抗變化的節點發生多次折反射和疊加，形成VFTO。VFTO的產生原理見圖1，圖中，US為電源電壓值；UI為殘余電壓值；UP為VFTO幅值。

圖1 VFTO的產生原理

3.2 主要特點

(1)VFTO上升時間短，少至數ns，主要頻率為幾MHz至幾十NHz，最高頻率可達100MHz。

(2)VFTO幅值的范圍一般為1.5～2.8p.u.，理論上計算得到的幅值最大值接近或超過3.0p.u.。

3.3 典型危害

(1)電弧多次復燃，當觸頭屏蔽設計不良時，可能出現電弧漂移接地(見圖2)，形成接地故障；

圖2 電弧漂移接地

(2)由于電弧多次復燃，電弧產生的高溫和導電粒子使隔離開關觸頭部位對地絕緣強度下降，在VFTO作用下發生對地閃絡，進而引發接地故障；

(3)當GIS的絕緣支撐件表面附有導電粒子或GIS導體表面有尖角、毛刺時，產品耐受VFTO的能力下降；

(4)VFTO傳導到變壓器，也可能造成其絕緣破壞。

4 瞬態殼體電壓(TEV)

TEV是在GIS外殼和地之間出現的陡波前過電壓，是由于階躍電壓行波在外殼的各個斷點處(即與電纜或架空線的連接處)的折射引起的。該電壓對二次設備的影響尤為明顯。

4.1 產生原理

GIS母線導體和母線外殼構成傳輸線①，母線外殼和地面構成傳輸線②,當內部行波傳播到氣體和空氣套管時(即傳播在傳輸線①上)，一部分電磁場被耦合到GIS外殼和地的傳輸線②上形成TEV。TEV的產生原理見圖3。

圖3 TEV的產生原理

TEV的峰值取決于外殼離地面的高度、外殼與接地系統的連接方式及接地系統本身。

4.2 主要特點

(1)TEV的幅值為0.05～0.25p.u.，主要頻率為5～10MHz，持續時間達數ms。

(2)TEV在GIS周圍二次設備中產生電磁干擾。GIS外殼附近的電場強度一般為10kV/m，磁場強度幅值為數十A/m。

4.3 典型危害

(1)TEV將影響二次設備的絕緣，并對測量控制設備產生電磁干擾，造成二次設備的誤動作。

(2)GIS外殼多距離地面較近，人可觸及的部位較多，產生的TEV可能危及人身安全。

5 800kVGIS隔離開關設計實例

800kVGIS作為我國西北地區的主干電網，在國家西部大開發戰略不斷深化的背景下得到了快速的發展。我公司作為國內800kVGIS電氣設備三大供應商之一，有義務為西北電網提供安全、可靠、保證長期穩定運行的產品。因此，在產品開發初期我們就注意到了瞬態過電壓對隔離開關的影響，除了常規的新產品設計外，我們還從電場結構、動力系統和特殊工藝三大方面加以保證。

5.1 電場結構設計

超高壓和特高壓GIS中的隔離開關發生對地閃絡的主要原因是其額定雷電沖擊耐受水平和額定電壓之比不夠高，耐受不住瞬態過電壓。本次在進行靜態電場設計時，首先保證了設計場強值滿足許用場強值要求，800kV額定絕緣水平見表1。此外，還通過電場進一步優化，降低了產品的最大場強值。即所有部位在各種雷電沖擊加壓方式情況下，最大值不超過25kV/cm，各部位電場云圖見圖4。

表1 額定絕緣水平

圖4 隔離開關屏蔽罩電場分布云圖

為了防止電弧漂移接地，本次設計的屏蔽罩特殊加大了頭部尺寸。為保證電場結構安全，隔離開關罐體也由原來的直筒結構改為類似的“扁球形”結構以配合加大的屏蔽罩頭部結構。

5.2 動力系統設計

隔離開關發生對地閃絡的另一原因是斷口發生多次重燃，觸頭部位對地絕緣強度下降。為減少重燃次數，將隔離開關分合閘速度由一般的0.1m/s提高到0.25m/s，并對本體結構剛度重新進行設計，這樣重燃次數可以減少50%以上。

圖書的形態從長形式演變成長形式與網形式的結合，使傳統的長形式圖書在保持自身特有優勢的基礎上又兼具了網形式的功能，延伸了圖書的產業鏈，圖書的商業價值與閱讀價值均得到了較好體現。

為了提高分合閘速度，對隔離開關的動力系統進行了重新設計。第一，提高電機的額定功率和額定轉速增加了動力輸出；第二，設計了全新的傳動環節，通過更改齒輪的齒形和模數達到了高速、穩定傳動的目的；第三，通過提高輸出級齒輪傳動比和更改齒輪材料、模數的方法，達到最終提高分合閘速度的目的。

5.3 特殊工藝設計

隔離開關斷口發生多次重燃，導致觸頭部位對地絕緣強度下降的原因除了速度問題還有工藝問題。隔離開關的觸頭一般為純鋁或純銅結構，正常高電壓等級可以滿足要求，本產品為了減少斷口多次重燃對觸頭的燒損，觸頭頭部采用了斷路器中引弧觸頭增加銅鎢結構的燒結工藝，提高了觸頭的耐燒蝕程度，減少了分解物的產生。動靜側引弧觸頭見圖5。

圖5 動靜側引弧觸頭

6 隔離開關開合母線充電電流試驗

為了證明新研制的800kVGIS隔離開關能夠滿足瞬態過電壓的使用工況，我公司于2014年初在西安高壓電器研究院進行了開合母線充電電流的其中兩個方式試驗：試驗方式(1)為非常短的母線(管)段的開合；試驗方式(2)為在180°失步條件下對斷路器并聯電容器的開合。

6.1 試驗依據

本次試驗依據的標準為GB 1985-2004 高壓交流隔離開關和接地開關。其中試驗回路原理圖見圖6，圖中，DT為被試隔離開關；DA為輔助隔離開關；CP為斷路器并聯電容器或等效電容器。

試驗實施過程如下：方式(1)在DT開始合閘操作之前，先合DA，DA負載側施加規定的直流電壓數值，保持1min后分開DA，然后進行DT合閘-分閘操作；方式(2)直接在回路中串聯800kVGIS斷路器。試驗參數見表2，表中：Ur——額定電壓。

圖6 試驗回路原理圖

表2 關合和開斷試驗的試驗電壓

按照GB 1985-2004的要求，在每個試驗方式的整個試驗系列中隔離開關不應檢修和調整。我公司產品在本次試驗中進行了加嚴考核，試驗方式(1)和試驗方式(2)連續進行，中間未進行檢修和調整，各進行了50次的合閘-分閘操作。

為了全面反應GIS開關設備在試驗中各個位置的TEV分布情況，特設置了多處TEV測量點。

6.3 試驗結果

按照試驗方式(1)進行操作的合閘過電壓典型示波圖見圖7(a)，過電壓為2.1倍的p.u.；按照試驗方式2進行操作的合閘過電壓典型示波圖見圖7(b)，過電壓為2.6倍的p.u.；TVE的測量極值出現在控制柜的外殼上，發生在試驗方式(2)的過程中，典型示波圖見圖7(c)，最大值為25.27kV。

7 結論

通過隔離開關開合母線充電電流試驗方式1和試驗方式2的考核，證明800kVGIS隔離開關在耐受瞬態過電壓方面的能力是經得起試驗驗證的。VFTO的最大值為2.6倍的p.u.，在理論計算的范圍內；TVE的最大值為25.27kV，實際工程中是可以控制的。

試驗后動靜側引弧觸頭的燒損情況見圖8。

圖7 典型示波圖

圖8 動靜側引弧觸頭燒損情況

從試驗結果來看，800kVGIS隔離開關有針對性的特殊設計起到了良好的效果。觸頭的重燃次數已大量減少；觸頭的燒損程度已相當輕微；試驗過程中也未發生電弧漂移接地的情況。

從測試結果來看，TEV峰值在控制柜外殼處最大。為了提高控制設備的抗干擾能力，在提高其自身抗干擾能力的同時還應該選取距離隔離開關以及斷路器較遠的位置安裝控制柜；同時控制柜的接地最好能夠與開關設備共用一個底架，并確保底架的良好接地。

[1] GB 1985-2004.高壓交流隔離開關和接地開關[S].

[2] 邱關源.電路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3] 黎斌.SF6高壓電器設計[M].北京：機械工業出版社，2009.

[4] 陳維江，顏湘蓮，王紹武，等.氣體絕緣開關設備中特快速瞬態過電壓研究的新進展[J].中國電機工程學報，2011,31(31):1-11

[5] 林莘.現代高壓電器技術[M].北京：機械工業出版社，2011.

Analysis of Transient Overvoltage Influence of Disconnector Switching Bus-charging Current

SUIWen-jing,MAYi-ding

(New Northeast Electric Group High Voltage Switchgear Co.Ltd.，Shenyang 110027,China)

The quickening pace of industrial structure adjustment, the demand of electric power equipment increases year by year, gas insulated metal enclosed switchgear increment rapid. Disconnector as the main unit, it is important to run long-term and stability, in which the transient overvoltage effect on disconnector got more and more attention. This paper mainly introduces the types of transient overvoltage, their respective principles, main characteristics and typical hazards. In a 800 kV GIS disconnector as a typical example, this paper introduces the transient overvoltage for tolerance of special design, and through the test to examine the structure of the design, the test results show that the special design achieved the expected result. Also put forward some prevention measures and methods of the other.

gas insulated metal enclosed switchgear(GIS);disconnector;fast transient overvoltage(VFTO);transient enclosure voltage(TEV)

1004-289X(2015)03-0001-04

TM56

B

2014-11-24

隋文婧(1982-)，女，學士學位，現從事高壓開關設備的開發與設計工作； 馬一丁(1984-)，男，碩士學位，現從事高壓開關設備的開發與設計工作。