雜散電容對VFTO的幅頻特性影響分析

呂婷婷，肖輝，李偉，徐健，劉海濤

（1.國網山東省電力公司檢修公司，濟南250118；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南250021）

雜散電容對VFTO的幅頻特性影響分析

呂婷婷1，肖輝1，李偉2，徐健1，劉海濤2

（1.國網山東省電力公司檢修公司，濟南250118；2.國網山東省電力公司經濟技術研究院，濟南250021）

GIS內的隔離開關在分、合閘操作過程中，會產生快速暫態過電壓（VFTO），其陡度大、頻率高，會干擾二次設備的測量并引起TEV及TGPR，對系統的安全穩定運行以及電網智能化監測產生不良影響。介紹GIS與VFTO的相關背景，闡明了系統仿真等效模型的搭建過程。針對斷路器均壓電容、隔離開關對地電容、電壓互感器對地電容等雜散電容參數變化對VFTO的幅頻特性的影響進行了較詳盡的分析，并給出了一些參考性的建議。

GIS；快速暫態過電壓；斷路器均壓電容；隔離開關對地電容；電壓互感器對地電容

0 引言

GIS即氣體絕緣金屬封閉開關設備，是一種以六氟化硫作為絕緣和滅弧介質，以環氧樹脂絕緣子作為支撐，將斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、三相母線、電纜頭等合理配置，封閉在充有一定壓力六氟化硫氣體的全封閉金屬接地外殼中的封閉式高壓組合電器。GIS具有控制、保護、監測等功能，自20世紀60年代實用化以來，已在高壓、超高壓以及特高壓領域被廣泛應用，在智能電網發展的今天，已經成為智能變電站主要高壓設備的一個優先選擇［1］。GIS具有占用面積和空間小、運行安全可靠、對外界干擾小、故障率低，維護工作量小等優點，但GIS也有其固有的缺點，那就是GIS中的隔離開關在分、合閘過程中，會產生快速暫態過電壓（VFTO），當暫態電壓波傳播到母線與架空線交接處時，在外殼設備上感應出暫態殼體過電壓（TEV），從而干擾測量設備的工作［2-3］。

通過在EMTP仿真環境中搭建模型，得到幾種不同元件的雜散電容參數變化對在絕緣子、斷路器、隔離開關以及電壓互感器等各處VFTO波的幅值、波頭陡度以及主頻的影響變化規律，進而針對雜散參數影響得出有效抑制VFTO的參考建議。

1 系統仿真模型

GIS的元件包括母線、斷路器、隔離開關、互感器、絕緣子、避雷器、接地開關、套管以及接地開關等［4-5］。一般情況下，可以做如下簡化：忽略電流互感器、斷開的隔離開關及斷路器以及接地線；用波阻抗等效GIS母線；用無損傳輸線來代替閉合的隔離開

關以及斷路器；用等效電阻來代替可視為無限長的架空線以及電力電纜；用對地電容代替避雷器、電壓互感器以及套管；用集中電容和電感模型來等效變壓器。

簡化完成后，需要根據不同的電壓等級和GIS結構來確定各元件的參數。GIS母線采用了基于Bergeron法的KCLee模型。以500 kV GIS變電站作為研究模型，計算時采用電壓標幺值，基準值選用系統最高運行電壓的最大值，即449.5 kV，在此為了便于計算分析，取其值為100 kV。變壓器的串聯電感取20 mH。其入口等值電容與變壓器的電壓等級、結構和容量密切相關。通常來講，電壓等級升高意味著變壓器的額定功率將加大，變壓器的入口等值電容也相對會變大。較大的入口電容會使得在波阻抗不同的兩段母線之間，產生更多次的電壓行波的折、反射［6-8］。GIS內部元件的等效及取值如表1所示。

表1 GIS內部元件的等效及取值

基于GIS中各元件模型的等效和參數設置，把各元件模型組合，進而搭建起VFTO的計算模型。以500 kV GIS變電站的接線為例，如圖1所示。

圖1 500 kV GIS變電站接線

2 不同元件雜散電容參數對VFTO影響的仿真

500 kV GIS變電站內的VFTO在各個節點處的波形曲線，如圖2所示。

圖2 VFTO在各節點處的波形曲線

由圖2可知，VFTO波在操作隔離開關時產生并依次經過了GIS母線上的各個元件。各個節點的VFTO波的幅值和陡度隨著VFTO在GIS母線上的傳播而衰減，但各個節點VFTO波的振蕩頻率會隨時間的增加而增加。VFTO波傳播至不同的節點，所呈現出的變化也各不相同，在斷路器處，幅值、陡度都較大，最大幅值可達600 kV以上，因此VFTO對斷路器的影響非常大。距離隔離開關較近的絕緣子處的VFTO的幅值、陡度也比較大，會產生明顯的快速過電壓。而在閉合的隔離開關以及電壓互感器等節點處，VFTO波有一定的沖擊，不過幅值并不太高，影響力有限。因此，有必要針對斷路器均壓電容、隔離開關對地電容以及電壓互感器對地電容的參數大小對VFTO在各個節點的影響變化開展重點分析。

2.1 斷路器均壓電容對VFTO的影響

斷路器的均壓電容主要用于改善電壓分布、降低恢復電壓上升率、均勻電壓。一般將斷路器的均壓電容并聯在高壓斷路器的斷口上。無論是進行送電還是停電作業，由于斷路器具有滅弧性能而隔離開關不具備滅弧性能，在操作隔離開關時，斷路器均應處在斷開狀態。在操作隔離開關時將產生VFTO，VFTO傳播至斷路器時，斷路器將等效成為均勻電容，而不再僅僅是一個阻抗，從而影響VFTO的傳播。以下將討論斷路器均壓電容的參數變化對VFTO的幅值、波頭陡度以及主頻的影響。

圖3 斷路器均壓電容對斷路器處VFTO的影響

假定其他元件的參數保持恒定，斷路器分別取不同均壓電容，斷路器處VFTO的幅值情況如圖3（a）所示。當斷路器均壓電容較小時，斷路器處VFTO的幅值呈現出快速下降的趨勢，斷路器均壓電容取值在100～600 pF的范圍內，斷路器處VFTO的幅值呈現緩降的趨勢，斷路器均壓電容取值在600 pF以后，斷路器處VFTO的幅值基本趨于穩定，約為1.08 pu。不同斷路器均壓電容下的斷路器處VFTO的波頭陡度如圖3（b）所示。當斷路器均壓電容小于200 pF時，斷路器處VFTO的波頭陡度呈現出先降后升的趨勢，斷路器均壓電容取值大于200 pF時，斷路器處VFTO的波頭陡度基本趨于穩中有降的趨勢。不同斷路器均壓電容下的斷路器處VFTO的主頻如圖3（c）所示。當斷路器均壓電容小于100 pF時，斷路器處VFTO的主頻不高，當斷路器均壓電容大于100 pF后，斷路器處VFTO的主頻變大，穩定在28次諧波，當斷路器均壓電容大于600 pF后，主頻略微下降至25次。

不同斷路器均壓電容下的隔離開關處VFTO的幅值如圖4（a）所示。當斷路器均壓電容小于200 pF時，隔離開關處VFTO的幅值呈現出快速上升的趨勢，之后，隔離開關處VFTO的幅值呈現緩增的趨勢，但幅值并不高。不同斷路器均壓電容下的隔離開關處VFTO的波頭陡度如圖4（b）所示。當斷路器均壓電容小于200 pF時，隔離開關處VFTO的幅值呈現出快速上升的趨勢，之后，隔離開關處VFTO的幅值呈現緩增的趨勢，陡度約為63°。不同斷路器均壓電容下的隔離開關處VFTO的主頻如圖4（c）所示。當斷路器均壓電容小于200 pF時，隔離開關處VFTO的主頻呈現出上升的趨勢，之后，隔離開關處VFTO的主頻保持不變，為25次諧波。

圖4 斷路器均壓電容對隔離開關處VFTO的影響

不同斷路器均壓電容下的電壓互感器處VFTO的幅值如圖5（a）所示。當斷路器均壓電容小于200 pF時，電壓互感器處VFTO的幅值呈現出快速上升的趨勢，之后，電壓互感器處VFTO的幅值增速放緩，幅值較低。不同斷路器均壓電容下的電壓互感器處VFTO的波頭陡度如圖5（b）所示。當斷路器均壓電容小于400 pF時，電壓互感器處VFTO的波頭陡度呈現出明顯的上升的趨勢，大于400 pF時，電壓互

感器處VFTO的波頭陡度增速放緩，陡度不大。不同斷路器均壓電容下的電壓互感器處VFTO的主頻如圖5（c）所示。斷路器均壓電容小于100 pF時，電壓互感器處VFTO的主頻較高，之后，電壓互感器處VFTO的主頻維持在10次諧波以下，頻率不高。

圖5 斷路器均壓電容對電壓互感器處VFTO的影響

不同斷路器均壓電容下的絕緣子處VFTO的幅值如圖6（a）所示，不同斷路器均壓電容下的絕緣子處VFTO的幅值保持不變，沒有影響。不同斷路器均壓電容下的絕緣子處VFTO的波頭陡度如圖6（b）所示，同斷路器均壓電容下的絕緣子處VFTO的波頭陡度保持不變，沒有影響。不同斷路器均壓電容下的絕緣子處VFTO的主頻如圖6（c）所示，斷路器均壓電容小于200 pF時，絕緣子處VFTO的主頻維持在15次諧波以下。斷路器均壓電容大于200 pF時，絕緣子處VFTO的主頻保持不變，數值較高。

隨著斷路器均壓電容的增加，總結4個節點處VFTO的幅值、波頭陡度以及主頻的總體變化趨勢，如表2所示。綜合來看，斷路器的均壓電容的增加，對于斷路器處的VFTO波有一定的抑制作用，但效果不明顯。對于閉合的隔離開關和電壓互感器處的VFTO，斷路器的均壓電容的增加會使其幅值和陡度上升，因此，斷路器的均壓電容不宜過大，維持在200～400 pF的范圍較為合宜。

圖6 斷路器均壓電容對絕緣子處VFTO的影響

表2 不同斷路器均壓電容下各節點VFTO變化趨勢

2.2 隔離開關對地電容對VFTO的影響

隔離開關的對地電容主要受隔離開關絕緣子的有關參數影響。以下將針對隔離開關對地電容的參數變化對VFTO幅值、波頭陡度以及主頻的影響進行討論。

假定其他元件的參數保持恒定，分別取隔離開關對地電容的值為5 pF、10 pF、20 pF、30 pF、50 pF時，GIS變電站斷路器處的VFTO的幅值情況如圖7

（a）所示，隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，斷路器處VFTO的幅值呈近似線性的上升趨勢。不同隔離開關對地電容下的斷路器處VFTO的波頭陡度如圖7（b）所示，隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，斷路器處VFTO的波頭陡度呈現上升后下降的趨勢，在隔離開關對地電容值為30 pF時，陡度達到最大值，約為72.2°。不同隔離開關對地電容下的斷路器處VFTO的主頻如圖7（c）所示，當隔離開關對地電容小于20 pF時，主頻維持在28次諧波，數值較高，當隔離開關對地電容大于20 pF后，主頻維持在4次諧波，相比而言數值減小了許多。

圖7 隔離開關對地電容對斷路器處VFTO的影響

不同隔離開關對地電容下的閉合隔離開關處VFTO的幅值如圖8（a）所示，隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，閉合隔離開關處VFTO的幅值呈近似線性的上升趨勢。不同隔離開關對地電容下的閉合隔離開關處VFTO的波頭陡度如圖8（b）所示，隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，閉合的隔離開關處VFTO的波頭陡度在10 pF以下時呈下降趨勢，之后呈近似線性的上升趨勢。不同隔離開關對地電容下的關合的隔離開關處VFTO的主頻如圖8（c）所示，隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，閉合的隔離開關處VFTO的主頻維持在25次諧波。

圖8 隔離開關對地電容對隔離開關處VFTO的影響

不同隔離開關對地電容下的電壓互感器處VFTO的幅值如圖9（a）所示，隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，電壓互感器處VFTO的幅值呈近似線性的上升趨勢。不同隔離開關對地電容下的電壓互感器處VFTO的波頭陡度如圖9（b）所示，隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，電壓互感器處VFTO的波頭陡度呈現上升的趨勢。不同隔離開關對地電容下的電壓互感器處VFTO的主頻如圖9（c）所示。隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，電壓互感器處VFTO的主頻保持不變，約以6次諧波為主。

不同隔離開關對地電容下的絕緣子處VFTO的幅值如圖10（a）所示，隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，絕緣子處VFTO的幅值呈上升趨勢，幅值較高。不同隔離開關對地電容下的絕緣子處VFTO的波頭陡度如圖10（b）所示，隨著隔離開關對地電容的逐漸增大，絕緣子處VFTO的波頭陡度在10 pF以

下時呈下降趨勢，之后呈近似線性的上升趨勢，與閉合的隔離開關處的變化趨勢類似。不同隔離開關對地電容下的絕緣子處VFTO的主頻如圖10（c）所示，絕緣子處VFTO的主頻在隔離開關對地電容為30 pF以前保持不變，以28次諧波為主，之后呈下降趨勢。

圖9 隔離開關對地電容對電壓互感器處VFTO的影響

圖10 隔離開關對地電容對絕緣子處VFTO的影響

隨著隔離開關對地電容的增加，在4個節點處VFTO的幅值、波頭陡度以及主頻的總體變化趨勢如表3所示。

表3 不同隔離開關對地電容下各節點VFTO變化趨勢

綜合以上，隔離開關對地電容的增加會導致各節點VFTO的幅值增加，但對于絕緣子和斷路器處的VFTO主頻來說，可以起到抑制的作用。至于各節點VFTO的陡度，則變化各不相同。因此總的來看，隔離開關對地電容的取值最佳應在30 pF左右。

2.3 電壓互感器對地電容對VFTO的影響

電壓互感器位于GIS變電站模型的最后一環，以下將針對電壓互感器對地電容參數變化對VFTO的幅值、波頭陡度以及主頻的影響進行討論。

經過仿真模擬實驗，我們發現電壓互感器對地電容大小的變化對在絕緣子、斷路器以及隔離開關處的VFTO都沒有產生任何數值上的變化。

假定其他元件的參數保持恒定，分別取電壓互感器對地電容的值為100 pF、200 pF、400 pF以及800 pF時，GIS變電站電壓互感器處的VFTO的幅值情況如圖11（a）所示，隨著電壓互感器對地電容的增大，電壓互感器處VFTO的幅值呈現下降的趨勢。不同電壓互感器對地電容下的電壓互感器處VFTO的波頭陡度如圖11（b）所示，隨著電壓互感器對地電容的增大，電壓互感器處VFTO的波頭陡度呈現下降的趨勢。不同電壓互感器對地電容下的電壓互感器處VFTO的主頻如圖11（c）所示，隨著電壓互感器對地電容的增大，電壓互感器處VFTO的主頻呈

現下降的趨勢，在電壓互感器對地電容大于400 pF以后，主頻以6次諧波以下的頻次為主。

圖11 電壓互感器對地電容對電壓互感器處VFTO的影響

電壓互感器對地電容的增加，對于斷路器、隔離開關和絕緣子處的VFTO都不能產生影響作用，但對于電壓互感器本身，確有極大的益處，可以對電壓互感器處VFTO的幅值、陡度和主頻產生良好的抑制作用。由于電壓互感器位于GIS母線的末端，所以傳播至此處的VFTO波已經有很大的衰減，幅值和陡度都比較小，但主頻仍維持在較高水平，增加電壓互感器的對地電容可以進一步降低主頻頻次，對于減小諧波對二次測量設備的干擾，有一定的幫助。

3 結語

基于電磁暫態分析程序搭建了仿真模型，并對部分元件雜散電容參數的變化對不同節點VFTO的幅頻特性影響進行了仿真分析，提出降低VFTO影響的參考建議。

斷路器均壓電容的增加，對斷路器處的VFTO波有一定的抑制作用，但效果不明顯。對閉合的隔離開關和電壓互感器處的VFTO，斷路器的均壓電容的增加會使其幅值和陡度上升，斷路器的均壓電容不宜過大，維持在200～400 pF的范圍較為合宜。

隔離開關對地電容的增加會導致各節點VFTO的幅值增加，但對于絕緣子和斷路器處的VFTO主頻來說，可以起到抑制的作用。至于各節點VFTO的陡度，則變化各不相同。總的來看，隔離開關對地電容的最佳取值應在30 pF左右。

電壓互感器對地電容的增加，對于斷路器、隔離開關和絕緣子處的VFTO都不能產生影響，但可以對電壓互感器處VFTO的幅值、陡度和主頻產生良好的抑制作用。增加電壓互感器的對地電容可以進一步降低主頻頻次，對于減小諧波對二次測量設備的干擾，有一定的幫助。

［1］韓學山，張文.電力系統工程基礎［M］.北京：機械工業出版社，2012.

［2］張勁松.淺談GIS在變電站的應用［J］.廣東電力，2001，21（6）：42-45.

［3］林莘.現代高壓電器技術［M］.北京：機械工業出版社，2002.

［4］金青，余芳，郭潔，等.750 kV GIS中快速暫態過電壓的研究［J］.高壓電器，2009，45（5）：57-60.

［5］施圍，邱毓昌，張喬根.高電壓工程基礎［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［6］田婷.GIS中快速暫態過電壓和暫態殼體電壓的研究［D］.北京：華北電力大學，2013.

［7］林莘，李爽，徐建源，等.考慮GIS外殼傳輸特性的VFTO計算模型［J］.電網技術，2010，34（11）：203-207.

［8］楊鈺，王贊基，邵沖.GIS母線結構及參數對VFTO波形的影響［J］.高電壓技術，2009，35（9）：2 306-2 312.

Influence Analysis of Stray Capacity on Amplitude-Frequency Characteristics of VFTO

LV Tingting1，XIAO Hui1，LI Wei2，XU Jian1，LIU Haitao2
（1.State Grid Shandong Electric Power Maintenance Company，Jinan 250118，China；2.Economic&Technology Research Institute，State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250021，China）

It would produce the very fast transient overvoltage（VFTO）during the open and close operation of isolating switch for GIS.It has characteristics of large gradient and high frequency，which will impact the measurement of the secondary apparatus and cause TEV and TGPR.As a result，it would bring about negative impact to the safety，stabilization and intelligent monitoring of power grid.The background of GIS and VFTO are presented and the equivalent simulation model is proposed.With regard to equalizing capacitor of circuit breakers，ground capacitor of isolating switches and TV，the influence of above stray capacity on the amplitude-frequency characteristics of VFTO is studied in detail and some advice for reference is given.

GIS；VFTO；equalizing capacitor of circuit breakers；ground capacitor of isolating switches；ground capacitor of voltage transformer

TM564.1

A

1007－9904（2016）10－0038－07

2016-03-14

呂婷婷（1985），女，工程師，主要從事超/特高壓電力設備在線監測與故障診斷方面的研究工作。