550 kV GIS電站VFTO研究

曾健，孟維東，魏俊梅

（1.國網陜西省電力公司，陜西西安 710048；2.特變電工中發上海高壓開關有限公司，上海 201499）

電力工業是一個國家經濟發展的命脈。隨著各國經濟建設的蓬勃發展，對電網建設也提出了更高的要求，建設更為高效，更加堅強可靠的拓撲化電網，保證電源的可靠供應是各國電網建設的重中之重[1-5]。

500 kV等級電網是中國電網的骨干網架，550 kV GIS設備由于其占地面積小，維修周期長，耐候性好，可靠性高等諸多優點而在500 kV等級電網中得到廣泛應用。

在550 kV GIS設備中，隔離開關是操作最頻繁的元件，如母線的投入或隔離，進出線路的投入或隔離，或維修元件如斷路器的投入或隔離等。當隔離開關被操作時，其動靜觸頭間會發生多次重擊穿，每一次擊穿都可能產生非常快速暫態過電壓（簡稱VFTO）。根據相關研究[6]，VFTO幅值可能達到設備額定運行電壓峰值的2.5～3倍，且其具有納秒級的電壓變化率并伴隨有高頻震蕩。一般說來，VFTO的危害有：①對GIS設備自身的絕緣破壞；②對變壓器等繞組類設備的絕緣破壞；③對低壓設備的高頻電磁干擾等。因此，隔離開關操作所引起的VFTO現象應得到電站維修運行人員充分的重視。

本文結合中國某550 kV GIS電站具體工程應用，對550 kV隔離開關操作引起的VFTO進行了數值仿真分析，計算結果表明該電站隔離開關操作引起的VFTO不會對550 kV GIS的絕緣性能造成損壞，為調度人員安全可靠操作隔離開關提供了理論參考，同時也為后續550 kV變壓器在VFTO作用下的絕緣可靠性分析提供了輸入數據。

1 550 kV GIS設備結構及參數

550 kV GIS設備總體結構為三相分箱式，典型間隔布置見圖1，主要元件斷路器、電流互感器、隔離開關、母線、快速接地開關及套管等均采用標準化組件，整體GIS設備積木式布置，結構靈活，可滿足雙母線、雙母線分斷、二分之三接線、三分之四接線等多種接線方式要求。

550 kV GIS的主要技術參數見表1。

圖1 550 kV GIS典型間隔Fig.1 A typical bay of the 550 kV GIS

表1 550 kV GIS主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of the 550 kV GIS

2 550 kV GIS電站VFTO仿真

隔離開關操作引起的VFTO特性與電站布置方式、高壓設備元件的暫態特性、母線上的殘壓、隔離開關操作方式等眾多因素有關。

某550 kV GIS電站采用最為經典的二分之三接線，其單線圖見圖2。具體的GIS布置見圖3。

圖2 某550 kV電站單線圖Fig.2 A single line diagram of a certain 550 kV substation

圖3 某550 kV電站GIS布置Fig.3 GIS Layout of the 550 kV substation

針對該550 kV GIS電站的具體布置，應用電磁暫態程序ATP對該電站隔離開關操作產生的VTTO進行了仿真分析。

考慮最苛刻工況，一線一變工況，具體見圖4，紅色路徑為帶電路徑，橢圓內的隔離開關為被操作的隔離開關，假設隔離開關靜側的短母線帶有殘余電壓-1 pu（550×1.414/1.732=450 kV），假定關合時動靜觸頭間擊穿發生在電源電壓峰值處。主要監測被操作隔離開關動靜兩側（測量點1和測量點2）、變壓器入口處（測量點3）和套管出線處（測量點4）的VFTO。對應的計算模型見圖5。計算線路中忽略了高壓母線及高壓設備的高頻電阻，用到設備的等值模型及相關參數及見表2。

圖4 計算工況（操作隔離見圖中橢圓部分，各監測點見圖中三角部分）Fig.4 Calculation conditions（operation isolation shown in the oval section，the monitoring points shown in the triangle of the figure）

圖5 550 kV GIS電站VFTO仿真線路圖Fig.5 The VFTO simulation circuit diagram of the 550 kV GIS substation

表2 用于VFTO計算分析的參數Tab.2 Parameters used in the VFTO calculation and analysis

由于該550 kV GIS電站A、B、C三相母線長度略有不同，因此對A、B、C三相的VFTO分別進行計算。B相各監測點的計算結果分別見圖6～圖11， A、C兩相的計算結果圖形大致與此類似，在此就不再冗贅給出。

圖6 操作隔離開關107-89 DS動側的VFTO（point1，時長2 μs）Fig.6 Operation of the isolation switch moving VFTO（point1，duration 2μs）

圖7 操作隔離開關靜側的VFTO（point2，時長20μs）Fig.7 Operation of the isolation switch static VFTO（point2，duration 20μs）

圖8 Transformer entrance VFTO（point3，時長20μs）Fig.8 VFTO at the entrance of the transformer（point3，duration 20μs）

圖9 變壓器入口處的VFTO（point4，時長2 μs）Fig.9 TransformerentranceVFTO（point4，duration2μs）

圖10 GIS出線套管處（point5，時長20μs）Fig.10 VGIS outlet casing（point5，duration 20μs）

對應A、B、C三相，5個監測點的電壓最大值對比見表3。

表3 關鍵部位VFTO電壓最大值Tab.3 VFTO maximum voltage of the key parts

由圖6～圖10及表3可知，該550kV GIS電站操作隔離開關產生的VFTO最大值為749.32kV，發生在主變入口處。

該電站550kV GIS設備對地雷電沖擊耐受電壓1675kV。對比表3中各點的VFTO幅值可知，該電站550 kV隔離開關操作引起的VFTO不會對550kV GIS設備絕緣造成任何破壞。

4 結語

本文針對中國某具體550 kV GIS電站布置，對隔離開關操作引起的VFTO進行了相關研究，得到的結論有：

1）在一線一變最苛刻工況下，操作隔離開關引起的VFTO幅值最大值為749.32 kV，發生在主變入口處。

2）該550 kV電站GIS設備的雷電沖擊耐受電壓水平為1 675 kV，遠高于隔離開關操作引起的VFTO，因此該電站操作隔離開關引起的VFTO不會對其GIS的絕緣性能造成任何破壞。

3）本文計算結果為該GIS電站運行調度人員安全可靠操作隔離開關提供了理論參考，并為后續550 kV變壓器在VFTO作用下的絕緣可靠性分析提供了輸入數據。

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