特高壓GIS隔離開關VFTO模擬發生及測量設備的研究

王天正++晉濤++俞華++李杰

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.097

摘 要：該文分析了目前國內外特高壓裝置中氣體絕緣開關設備在例行操作過程中存在的快速暫態過壓VFTO對設備的危害，開展了試驗研究不同結構變壓器與GIS連接下的VFTO特性以及GIS設備VFTO的現場測量。通過分析計算現場試驗裝置關鍵技術指標、現場試驗中產生干擾的原因以及經過模擬和測量GIS設備中產生的VFTO，提出了試驗設備優化組合方案，完善了測量設備各方面的能力和效用，為設備的維護和壽命周期的管理提供了可靠的基礎。

關鍵詞：特高壓裝置 GIS設備 快速暫態 過壓 VFTO 現場測量

中圖分類號：TM86 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0097-04

特高壓一次設備在安裝后因安裝工藝及環境溫度濕度的影響，在設備內部可能存在潛伏性的絕緣缺陷，若將原有的缺陷設備投入電力系統運行，將導致一次設備投運時或者運行一段時間后發生事故，如設備損壞、線路跳閘等[1-2]；同時，一次設備運行一段時間后，受電壓、電流、溫濕度、絕緣老化等因素影響，在設備中也可能產生潛伏性絕緣缺陷，影響設備安全運行。因此，新安裝及運行一段時間檢修后的一次設備在投運前必須進行現場高壓試驗，以診斷設備在運輸、安裝過程中是否受到損壞，安裝質量是否符合要求，并檢驗新安裝及運行一段時間的一次設備是否滿足安全運行的技術要求。

目前，特高壓系統中大量采用氣體絕緣開關設備（gas insulated switchgear，GIS）[3]，運行經驗表明，GIS隔離開關接地開關和斷路器在例行操作時會產生頻率極高、波頭極陡的快速暫態過電壓VFTO（Very Fast front Transient Overvoltage，快速暫態過電壓），不僅會引起GIS主回路對地故障，而且還會造成相鄰設備（如變壓器等）的絕緣損壞[4]，其對設備的危害成為了不可忽視的問題，如何開展試驗研究不同結構變壓器與GIS連接下的VFTO特性研究和研究GIS設備VFTO的現場測量、分析技術成為亟待解決的問題。特高壓試驗設備運輸不便，應擴展現場試驗診斷設備的使用范圍，然而對于不同的設備，如何選取現場試驗技術指標才能對被試品進行有效診斷以及診斷方案的制定都有待進一步研究。

該文通過分析計算現場試驗裝置關鍵技術指標，開展了高抗現場局部放電及交流耐壓試驗實用化研究，進一步提升設備局部放電現場診斷定位能力，開發實用的檢測技術將有助于特高壓交直流主設備現場綜合診斷的正確性，保證特高壓設備的健康水平；同時可減少試驗時間、提高特高壓設備的利用率。通過分析現場試驗中產生干擾的原因和開發抗干擾抑制措施，可提高現場試驗的靈敏度和正確率，將有助于提高發現設備潛在隱患的概率。通過模擬和測量GIS設備中產生的VFTO，研究分析VFTO產生的機理，開發VFTO的現場測量、抑制措施，保證特高壓診斷試驗和主設備的安全可靠性。通過帶電檢測技術手段，提出試驗設備優化組合方案及關鍵技術指標，建立設備交接時的關鍵數據指紋信息系統，確立特高壓設備投運前狀態信息指紋特征健康檔案，為投運后設備的運維和全壽命周期管理提供可靠的基礎數據。

1 特高壓裝置性能測試

1.1 特高壓交直流工程現場診斷試驗能力提升研究

在研究過程中，依電抗器配置參數，分析計算現場試驗裝置關鍵技術指標，開展高抗現場局部放電及交流耐壓試驗實用化研究，此外，還研究小信號局放甄別技術，提升設備局部放電現場診斷定位能力，進一步開展檢測和診斷技術研究，研究設備故障發生機理，掌握關聯參數的變化規律與設備故障之間的關系，開發適用檢測技術，提高檢測和診斷有效性。

1.2 現場屏蔽接地及抗干擾技術研究

在現場屏蔽接地及抗干擾中，進行了電源系統干擾信號產生的原因研究分析，試驗回路的抗干擾措施研究分析以及空間干擾及屏蔽措施研究。

1.3 氣體絕緣金屬封閉開關設備的特快速瞬態過電壓測量研究

在設計中，開展了不同結構模擬變壓器與GIS連接下的VFTO特性試驗研究以及開展GIS設備VFTO現場測試技術與分析研究，其中發現不同連接方式波阻抗影響非常大，其對電壓也有一定要求，包括波頭時間、波長、振蕩等。在測量裝置上，需考慮到外接-分布參數影響以及方波響應等。

1.4 現場診斷試驗能力拓展研究

在現有試驗能力的基礎上，擴大試驗設備使用能力，覆蓋面包含換流變壓器、環流閥、直流穿墻套管、干式平波電抗器、直流濾波器、中性母線沖擊電容器和交流濾波器、直流斷路器、直流隔離開關、接地開關和旁路開關、直流避雷器等主要設備，提出試驗設備優化組合方案及關鍵技術指標。

開展特殊試驗過程中設備的診斷技術研究，重點以帶電檢測技術為手段，建立設備交接時的關鍵數據指紋信息系統，確立特高壓設備投運前狀態信息指紋特征健康檔案，為投運后設備的運維提供可靠的基礎數據。優化試驗設備體積，改良設備寬度和高度，保障試驗設備運輸安全。

2 特高壓裝置的研究設計

通過研究國內外特高壓GIS隔離開關VFTO的發生測量設備現狀及技術理論，對遍地作業現場安全行為進行調研及相關技術、理論及規范調研，制出了以下裝置。

2.1 800 kV/400 kV模擬運行加壓裝置

經過數學建模及模擬運行，最終線圈鐵芯結構設計定稿為400 kV雙繞組串聯結構變壓器（圖1）。其結構為金屬封閉GIS結構、絕緣考核800 kV/min、工作制為電壓下連續運行。

2.2 GIS電氣分部參數模擬裝置

500～1 000 kV過度氣室對接裝置系統操作控制、測量、保護。

目前，已完成主要保護功能測試包括過壓保護、過流保護、放電保護、超溫預警、試驗變壓器過熱保護。

（1）過壓保護。

當試品電壓超過設定的保護電壓時（在試品加壓前由試驗人員設定），系統將自動切斷輸出，并提示過壓保護。

（2）過流保護。

當調壓器輸出電流或者試驗變壓器輸入電流超過設定的保護電流時（保護電流在產品出廠前設定），系統自動將輸出電壓降低到0并提示過流保護，防止系統以及試品因過流而損壞。

（3）放電保護。

當試品出現閃絡或擊穿放電時，系統迅速停止輸出并提示放電保護。

（4）超溫預警。

當試驗變壓器的低壓繞組溫度超過預警設定值時，系統會使用黃色指示燈指示溫度超過預警溫度。

（5）試驗變壓器過熱保護。

當試驗變壓器的低壓繞組溫度達到試驗變壓器允許的最高運行溫度時，系統會使用紅色指示燈指示試驗變壓器的溫度達到允許的最高運行溫度，并立即自動使系統輸出電壓降低到0輸出。

2.3 濾波箱設計

濾波箱內包括以下幾個部分：濾波器、補償電抗器、快速保護裝置（圖4）。

設計中，濾波器是采用PI型濾波器，用于增強系統對供電電源中存在的諧波分量的抗干擾能力。補償電抗器是用于補償用于測試的容性負載，它是測試系統的一部分并且必須被一直連接到自耦調壓器的輸出與試驗變壓器進行并聯，以保持自耦調壓器的電流輸出不超過其最大極限。快速保護裝置用于保護試驗變壓器在試品出現閃絡等情況時不受過電壓的損害，同時也防止試品遭受恢復過電壓的損害。此外，需要依據被試品的電容量大小來選擇使用補償電抗器的抽頭。

3 結語

特高壓交直流主設備現場診斷關鍵技術（包括特高壓交直流工程現場診斷試驗能力提升、現場屏蔽接地及抗干擾技術、氣體絕緣金屬封閉開關設備的VFTO測量、現場診斷試驗能力拓展）著重解決目前特高壓設備試驗診斷工作中存在的主要問題，為特高壓設備現場診斷提供相關試驗技術指標、有效規范現場試驗過程、縮短現場試驗診斷時間、減少試驗風險和成本、提高現場試驗診斷工作的準確性，從而為特高壓交直流設備的安全可靠運行提供保障。

參考文獻

[1] 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.

[2] 李文藝，趙文強.1100kVGIS中隔離開關操作時產生VFTO的研究[J].電氣制造，2008（20）：42-46.

[3] Povh D，Schimitt H.Modeling and analysis guidelines for very fast transient[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1996，11（4）：231-238.

[4] 萬亦如，陳光，陳稼苗，等.交流特高壓GIS變電站的VFTO研究[J].華東電力，2010，38（7）：43-47.