GIS中快速暂态过电压VFTO的抑制研究进展

　　摘要：气体绝缘变电站GIS中的隔离开关在分合闸时，会产生快速暂态过电压VFTO，对GIS本身及邻近设备将造成极大危害。本文综述了国内外现有抑制VFTO的研究现状。从抑制VFTO的产生、改造GIS内部结构及抑制VFTO沿输电路径传播三个方面，概要总结了各抑制方法的优势及存在的问题。提出了抑制VFTO需要深化的研究内容：研制能精准控制开关合闸时间的成套设备，怎么样控制电弧击穿导通的时间，通过微机系统综合控制实现精准相位合闸;探索场路论结合的方式准确仿真加装阻尼母线前后VFTO的变化，建立阻尼母线抑制VFTO的特性参数关系;磁环抑制VFTO的理论，量化分析磁环的物理尺寸及磁材料特性参数对抑制效果的影响，在此基础上进而研究半圆卡扣式磁环对抑制VFTO的影响，以便后续在运GIS的改造，最后还需进一步研究如何解决磁饱和增加磁损耗增强抑制效果。

　　关键词：气体绝缘变电站;快速暂态过电压;隔离开关;抑制VFTO

　　0引言

　　全封闭式SF6气体金属绝缘开关设备(gasinsulatedsubstation，简称GIS)具有可靠性高、结构紧凑、占地面积小、检修维护方便且周期长等优点[1]，因此从20世纪60年代开始就得到了快速发展并大量使用在电力系统中[26]。

　　在特高压变电站隔离开关和断路器开合闸时[7]，由于动静触头两端极大的电势差使电子定向移动发生多次重燃弧，重燃弧在传播过程中经过多次折反射，形成上升沿小于5ns、最高频率成分达100MHz、幅值可超3.0p.u的快速暂态过电压(veryfasttransientovervoltage，VFTO)[810]。依据国际大电网会议(CIGRE)A3.22和A3.28等相关研究工作[1112]，发现VFTO对GIS本身及二次侧相邻设备危害很大[13]。VFTO将导致：GIS内部发生盆式绝缘子闪络、开关壳体放电烧融壳体及二次侧变压器匝间饼间短路变形绝缘损坏等现象[1415]。

　　真实事件有：1992年广东大亚湾核电站切合空载变压器导致主变绝缘击穿;巴西Grajau500kV在运期间发生变压器故障油纸套管炸裂;2001年浙江北仑电厂主变在运受损等[1620]。还会导致设备误动作、电压电流等测量设备采集数据有误等问题，给电网稳定运行及人身安全带来极大危害[11]。因此研究VFTO的抑制方法，保护GIS及邻近设备安全成为研究重点，也是维护电力系统安全稳定运行的必由之路。

　　对抑制方法效果评价的基础是对VFTO的准确测量。从20世纪80年代开始，国内外就有很多机构研究准确VFTO测量的方法。国外有日本东京电力公司研制的预埋环式测量系统[21]、印度IIT大学与东芝公司的手窗式测量系统等[22]。国内西安交通大学、清华大学、华北电力大学等科研单位，相继研制出了多种内置于GIS内部的测量系统：盆式绝缘子预埋环传感器[23]、宽频窗口式传感器[24]、窗口式内置探头结构传感器[25]、介质窗口式快速暂态过电压测量传感器等[26]。测量频带从近乎直流到300MHz，测量幅值满足MV级电压等级的测量，且这些测量系统都经过大量实测数据验证[2733](3132)。满足IEC600711:2019标准中VFTO(低频10Hz以内到100MHz频率成分)测量的需求。

　　国内外学者基于VFTO的测量系统研究之上，对VFTO进行实测及仿真波形的研究，通过波形特性进而对产生VFTO故障原因进行分析，并提出了一系列抑制措施[34]。本文就抑制VFTO的情况进行了详细综述。从20世纪80年代最初由日本学者提出加合闸电阻抑制VFTO开始[35]，后续学者相继提出：加装避雷器、控制开合闸速度、加装铁氧体磁环、架空线、改造成阻尼母线、控制隔离开关动作顺序、加装阻波器、加装接地开关、并联变压器入口电容、加RC阻容分压及高频滤波器等抑制措施[3642]。根据国内外学者研究的众多抑制措施，可大致分为：抑制VFTO的产生、改造GIS内部结构抑制VFTO以及抑制VFTO沿输电路径传播三个方面。

　　1抑制VFTO的产生

　　VFTO是由操作GIS中的隔离开关和断路器产生。在隔离开关开合闸时，动触头的动作速度较慢产生了燃弧现象，隔离开关上没有灭弧装置，导致在动静触头上产生多次重燃弧。且VFTO行波传播过程中，由于线路波阻抗的变化，导致VFTO发生多次折反射，最终形成幅值高达3.0p.u上升沿小于5ns的特性[43]。

　　1.1控制隔离开关操作速度减少

　　VFTO的产生华北电力大学许军、中国电力科学研究院韩彬等人以及诸多国外学者，针对隔离开关分合闸速度快慢对产生VFTO的影响，进行了实测及仿真分析[4547]。对比了回路结构基本一致的平高和西开两个公司的GIS，只是开关动作速度不同。发现无论分闸还是合闸，快速隔离开关击穿次数都明显少于慢速隔离开关。这是由于开关动作较慢，电源侧的50Hz工频电压一定有一个时刻达到峰值，使得隔离开关两端电压差将达到最大，从而击穿SF6绝缘气体，所以开关动作速度越慢VFTO的重复击穿次数越多。

　　缩短时间减少击穿次数，从而降低VFTO出现概率[49]。有学者研究发现分合闸速度与产生VFTO幅值有关系。快速隔离开关相对慢速隔离开关的幅值更大，且各幅值点出现概率更均匀，慢速隔离开关分布集中在1.6p.u幅值附近[50]。慢速隔离开关产生的VFTO最大幅值更小且集中，所以慢速隔离开关也有它的优势[51]。陈维江等学者就控制隔离开关速度对VFTO的影响，进行了大量实验与仿真研究，发现将合适的隔离开关运行速度控制在0.5m/s~0.8m/s之间，能有效抑制VFTO幅值[52]。

　　1.2隔离开关开合闸操作方式抑制

　　VFTO产生西安科技大学刘青针对某550kVGIS，用电磁暂态程序EMTP，研究了隔离开关37种不同操作方式对产生VFTO的影响，发现在不同操作方式下会影响操作过电压的幅值，最高和最低幅值可相差1.0pu[53]。西安交大余芳等人，也开展了相应的研究，但都是未发现操作方式对VFTO影响的一般规律，需要针对不同的气体绝缘变电站具体分析[5458]。对每个变电站需要单独分析，操作方式对产生VFTO的影响。

　　1.3控制隔离开关合闸相位抑制

　　VFTO产生在20世纪90年代国际大电网会议(CIGRE)，对于相控开关的优缺点进行了评述，通过一些学者研究理论仿真计算及现场试验验证该方法确实有效，已相继投入使用[5964]。根据CIGRE研究组WGA3.07小组调查，截止2007年安装在运的相控隔离开关已经超过4000台[65]。可见相控隔离开关应用的增长非常迅速。 隔离开关在合闸时，由动触头向静触头移动的过程。在两者相距越来越近，达到某个距离时，两触头之间的电压差超过SF6气体绝缘强度，此时触头间发生绝缘击穿产生动态电弧[6667]。由此该技术核心就是控制开关在最佳电角度分合闸(即源端电压与负载端电势差最小)[6869]。

　　该技术是由相控开关(同步开关)来实现的，综合微机系统时间、开关合闸机械时间以及电弧导通时间来控制开关合闸时的相角，从而能够有效的抑制操作过电压[70]。难点在于隔离开关本身机械合闸时间具有离散性和绝缘击穿时间的具有离散性等，使得真实合闸电弧导通时间的离散度过大，控制误差较大，达不到理想合闸相角。相控法经济技术比传统方法更优，且能简单有效抑制VFTO，但怎样精确控制隔离开关动作时间以及动态电弧击穿导通时间非常困难，难以实现精准相控合闸。

　　1.4加装接地开关抑制VFTO

　　当隔离开关断开后，残余电荷在母线上衰减很慢，将会导致负载端有一个很大的残压[71]。残压是残余电荷聚集在负载侧母线端部，形成的对地电压。VFTO的幅值大小跟母线残压的大小成近似线性正比关系[72]。当隔离开关再次合闸时，在合闸过程中，源端是正弦50Hz交流电，其电压相位一直在变化，相当于一直在一个区间波动的实时电压值。

　　当母线端残压遇到极性相反的源端峰值电压时，形成最大电压差，从而容易产生VFTO的幅值更大[71,7376]。考虑到最严重的情况是负载侧残压为1.0p.u时，隔离开关在合闸过程中，触头间的电压差将达到2.0p.u[16,7778]。产生最严重的VFTO幅值将超过3.0p.u，因此加装接地开关释放残余电荷及其重要[7980]。

　　2改造GIS内部结构抑制

　　VFTO2.1GIS内部隔离开关加装阻尼电阻早在1986年日本学者就提出加装电阻来抑制VFTO的产生，由操作机构使动触点向静触点移动，当达到击穿电压阈值时，将击穿SF6绝缘气体介质产生电弧，电弧先流经阻尼电阻，则其幅值和陡度会被抑制。当动触头再继续向前运动与静触头接触后，电阻与动触头的间隙会自动灭弧[40,8687]。国内外学者研究了各电阻值对抑制效果的影响，发现电阻为500Ω左右时有明显抑制效果，并对电阻进行严谨的选型，考虑到过电压大小、吸收能量大小以及温度等因素，最后电阻能把VFTO幅值抑制在1.7pu以下[8897]。

　　3抑制VFTO沿输电路径传播

　　VFTO产生之后，将通过GIS母线及连接二次设备的输电线传播到后端设备，导致后端设备损坏。当产生VFTO以及结构改变不了时，抑制它的传播的方法将是最后防线。抑制VFTO传播有后续几点。

　　3.1避雷器抑制VFTO幅值

　　金属氧化物避雷器能抑制VFTO的幅值[112]。如图9MOA暂态电路模型所示，当VFTO经过MOV时，根据交变场电介质极化作用原理，将形成非线性特性的电导电流、位移极化的瞬态电流及松弛极化的松弛电流三部分电流[113115]。GIS中装有金属氧化物避雷器时，遇到传播过来的高幅值VFTO，MOA就会迅速将形成的三种电流导通到地;并且非线性电阻会吸收一部分能量，从而达到对VFTO幅值限制的效果[116]。

　　国际上IEEE、CIGRE、日本等学者，都通过实验验证了MOA对VFTO有明显的抑制效果[39,117120]。由于只有安装避雷器附近的设备得到保护，所以需要进一步分析怎样进行不同位置的排列布局[113,121122]。加装避雷器能对幅值有效抑制[123]，但对陡度没有较好的抑制效果，幅值低但陡度大也会对二次侧设备造成如变压器绝缘击穿等危害。

　　4结论

　　国内外对抑制快速暂态过电压已经开展了大量的研究，且获得了很好的抑制效果。但现有抑制方法还存在一些问题以及需要进一步研究的点：

　　1)从VFTO的产生来看：隔离开关合闸速度能抑制VFTO的幅值，陈维江等学者研究建议最佳合闸时间为0.5m/s~0.8m/s;接地开关释放残余电荷后能有效抑制VFTO产生，但接地开关断口和断口对地在一定频率下将产生谐振过电压;相控法通过减小合闸电压差能抑制VFTO的产生，但机械开关合闸时间及电弧导通时间的离散性，导致实现每次精准合闸难度极大。

　　2)从改造GIS内部结构抑制VFTO来看：隔离开关加装阻尼电阻抑制好，但开关结构变复杂增加了整个系统的故障率;合适母线长度能抑制VFTO产生，以成为后期建设新GIS的依据，但对不方便改造目前在运GIS;阻尼母线能很好的抑制VFTO幅值及陡度，但制造加工非常复杂，且复杂结构带来的可靠性没有明确论证。

　　3)从抑制VFTO沿输电路径传播来看：避雷器仅能抑制幅值;架空线仅能抑制陡度;RC滤波器、阻波器、并联电容都存在使整个系统发生谐振，且加装器件本身的可靠性也严重影响输电系统的稳定运行;磁环抑制VFTO，经过各种验证能有效抑制VFTO幅值及陡度，经过对磁环的材料选型、尺寸设计、电晕以及振动可靠性等一系列研究后，磁环已应用于工程实际，磁环的加工制造也相对容易，经济技术性好，不足之处在于需要停运拆装GIS，安装维护不方便。

　　4)目前阻尼电阻、滤波器、阻波器、并联电容都存在产生更严重的谐振过电压及本身元器件的可靠性问题;架空线和避雷器只能单方面抑制陡度或者幅值不可取;最佳合闸速度，接地开关、母线长度以逐步应用于工程实际，但抑制效果有限;控制相位合闸、阻尼母线、磁环抑制能很好的抑制VFTO，但相控法由于开关动作及电弧导通时间的离散性难以控制精准相位合闸、阻尼母线加工制造工艺复杂、磁环的问题在于拆装不便及磁环饱和问题。

　　相对而言磁环的经济技术性好、前面已有很多理论及实验研究基础及成果验证了磁环的可行性，磁饱和问题也还需要学者进一步研究;若将磁环套在GIS外壳上有抑制效果，加之研究开口式磁环抑制效果及各种因素的影响，就能做到向卡扣式磁环抑制电子设备中的高频传播信号那样广泛应用;在一定的条件下还能很方便的改造在运GIS，后期安装维护也很方便，该方向值得深入研究。

　　参考文献References

　　[1]CUKN,NISHIKAWARAKK,MCCRAEG.G,etal.SpecificationandApplicationofSF6CompressedGasInsulatedSwitchgearAUtility'sPointofView[J],IEEETransactionsonPowerApparatus&Systems,1980,99(6):22412250.

　　[2]项稷.六氟化硫(SF_6)密封组合电器的安装与调试[J].电力建设，1987(6)：3741.XIANGJi.InstallationandCommissioningofSulfurHexafluoride(SF_6)SealedCombinedElectricalApparatus[J].ElectricPowerConstruction,1987(6):3741.

　　[3]陈天祥.电力系统选用GIS的一般问题[J].高压电器，1989(2)：4550.CHENTianxiang.GeneralproblemsofchoosingGISinpowersystem[J].HighVoltageApparatus,1989(2):4550.

　　[4]陈飞.GIS设备的发展和应用研究[D].浙江大学，2007.CHENFei.InvestigationofGISDevelopmentandApplication[D].ChineseMaster'sThesesFulltextDatabase,2007.

　　[5]MOREIRADC,NUNESMVA,MOREIRADDC,etal.AnalysisofVFTOduringthefailureofa550kVgasinsulatedsubstation[J],ElectricPowerSystemsResearch,2020,189:106825.

　　[6]BOGGSSA,FUJIMOTON.TechniquesandInstrumentationforMeasurementofTransientsinGasInsulatedSwitchgear[J],IEEETransactionsonElectricalInsulation,1984:8792

　　作者：张文斌,胡洋