800kV_GIS隔离开关操作产生VFTO及其防护措施的研究

800kV GIS 隔离开关 操作产生 VFTO 及其 防护 措施 的 研究 Study on VFTO Caused by Operation of Disconnector and its prevention in 800kV GIS 尹军华 1 李文艺 1 郝建成 2 (1. 河南平高电气股份有限公司 , 平顶山 467001, 2. 东北电力科学研究院有限公司 , 沈阳 110006) 摘要 ： 本文依据 某实际 800kV GIS 系统，建立了 GIS 系统的仿真模型 ， 利用 ATP-EMTP计算、分析了 隔离 开关操作过程中 产生 的 VFTO 以及 MOA、 并联电阻的防护效果。 通过对 VFTO 作用下设备绝缘特性的分析，认为通过优化 GIS 结构，可以 避免因 导电微粒 造成的 GIS 绝缘 耐受 水平 的 降低，从而可以 减少 VFTO 对 GIS 内部绝缘的损坏。 Abstract: In this paper a mathematical model has been set up based on an 800kV GIS. VFTO caused by operation of disconnector have been calculated, using ATP-EMTP. The effect of MOA and shunt resistor has been studied. The analysis of equipments insulation shows that the depression of insulation level caused by metal particle can be avoided by improving equipments structures, so the destruction of insulation caused by VFTO can be reduced. 关键词 ： 隔离开关；快速暂态过电压 ；绝缘 Key words: Disconnector; VFTO; Insulation 中图分类号： TM86 文献标识码： A 1 引言 GIS 中 开关元件操作或者发生接地故障时，会产生幅值较 低 （ 一般不超过 2.5p.u.） 、陡度极高 （ 上升时间通常为 520ns） 、频率丰富 （ 分量频率最高可达数百 MHz） 的快速暂态过电压 （ Very Fast Transient Over-voltage, VFTO） ，可能会威胁 GIS 内部设备 以及 外部连接设备。实际运行中因 VFTO 引起 的事故也逐渐增多，包括变压器绝缘损坏、线饼烧损、 GIS内部火花放电、系统解裂、套管炸裂等严重事故 12。与断路器操作相比， 隔离开关操作 更加频繁，并且在操作时会产生多次重燃，因此其 产生的 VFTO 危害 也 更为严重 3。 对于电压等级较低的 GIS， VFTO所引起的事故并不多见，直到 超高压 GIS在 上世纪 七十年代末期出现 ， VFTO的危害 才逐渐 引起了普遍重视 4。 随着 800kV GIS在 我国 超高压示范工程中 的成功运行 ， 西北地区 即将开展 大规模的 750kV电力系统 的建设， 为避免因 VFTO而造成的损失，有必要 对 800kV GIS隔离开关操作产生的 VFTO及其防护措施进行 研究。 2 隔离开关操作产生 VFTO 的仿真计算 本文以某 800kV GIS 为例，计算、分析隔离开关操作在系统各个节点产生的 VFTO。系统接线如图 1 所示。图中 T 为变压器； Bg 为套管； DS 为隔离开关； CB 为断路器； BUS为母线； Rec 为电抗器 ； CVT 为电容式电压互感器； MOA 为避雷器。 B g1234567M O AR e cM O AC V TM O AR e cM O AC V TTM O AC V TM O A阻 波 器D S 1D S 2D S 3D S 4D SD SD SD SD SD SC B 1C B 2C B 3C B 4C B 5B U S 1B U S 2M O AM O AB gB g图 1 系统单相接线图 计算 工具为 ATP-EMTP，主要元件 的 仿真模型如下： 变压器绕组采用等值入口电容模型，该模型和 带损耗的高频模型以及以线饼为单元的变压器等值回路模型相比，在计算VFTO 时 的 结果基本相同 5，本文取 变压器入口电容为 9000pF； 电容式电压互感器、套管、电抗器均采用 集中参数的等值对地电容，电容值分别为 5000pF、 460pF、 5000pF； 母线及架空线路均采用分布参数模型；闭合的开关元件 简化为等长的母线 6。 计算取 1.0p.u.=8 0 0 2 / 3 6 5 3kV，弧道电阻取 2.5 。 隔离开关负载侧残余电荷电压取-1.0p.u.， 电源的合闸相角取 0，此时计算得到的 VFTO幅 值为最 大 7。 VFTO导致的 GIS外部设备的 绝缘破坏 最严重的情况 一般出现在主变绕组处， 因此本文将重点分析在主变以及GIS内部各点出现的 VFTO。通过对 系统 各种运行方式下隔离开关操作产生的 VFTO的计算可知 ， GIS内部 及 主变 端部 的 VFTO最大值 分别 出现在以下两种操作方式 下 ：方式 1： 所有断路器均为分闸状态，操作 DS3，此时 GIS内部 VFTO幅值最大。方式 2： CB4及 CB5为 合闸状态 ，其余断路器为分闸状态，操作 DS4，此时主变处 VFTO幅值最大。 首先计算隔离开关不带 并联 电阻、系统不带 MOA的情况， 结果如表 1所示 （ 表中 Rec、 CVT的 电压 值 为 该方式下，各电抗器及电容式电压互感器处出现的 VFTO最大值 ） 。 表 1 VFTO 幅值 （ 无并联电阻、无 MOA） 运行 方式 节点电压值 （ p.u.） 1 2 3 4 5 6 7 Rec CVT 方式 1 - - 2.29 1.93 - - - 1.08 1.12 方式 2 1.14 1.66 - - 1.96 1.82 1.92 1.18 1.21 可见在该系统中， 隔离开关操作在 GIS 内部产生的 VFTO 最大值为 2.29p.u.（节点 3），在主变 处产生的 VFTO 最大值为 1.14p.u.（ 节点 1），波形如图 2 所示。 通过频谱分析可知 节点 3 处的 VFTO 包含 幅值较高的频率为 1MHz、 6 MHz、 10 MHz、 16 MHz 等 高频分量，主变处的 VFTO 包含 数百 kHz 至 1MHz 的多个频率的高频分量。 可见通过架空线与 GIS 连接的主变端部 处 的 VFTO 幅值和陡度均比 GIS 内部 节点的 VFTO 要低。 a) 节点 3 处 VFTO 波形图 b) 主变端部 VFTO 波形图 图 2 VFTO 波形图（无并联电阻、无 MOA） 3 VFTO 造成绝缘损坏的防护措施 3.1 MOA 根据 国家电网公司企业标准 750kV 系统用金属氧化物避雷器技术规范 的 推荐 ， 线路侧 采用的 MOA 型号为 Y20W-648/1491，母线 采用 的 MOA 型号为 Y20W-600/1380。 计算 时 不仅考虑了 MOA 的 非线性特性， 并且 计及了阀片的主体电容和杂散电容 （ 取 120pF） 。计算 方式 1、 2 下的 VFTO 幅值如表 2 所示。 表 2 VFTO 幅值（无并联电阻、 有 MOA） 运行 方式 节点电压值（ p.u.） 1 2 3 4 5 6 7 Rec CVT 方式 1 - - 2.29 1.94 - - - 1.10 1.12 方式 2 1.12 1.60 - - 1.79 1.84 1.87 1.16 1.18 对比表 1 可以看出，方式 1 时 MOA 对限制 VFTO 幅值基本不起作用，这是因为在 MOA装设处 VFTO 幅值较低 （ CVT 处为 1.12 p.u.， Rec 处为 1.08 p.u.）， 处于 MOA 的额定电压附近， MOA 不动作，而 VFTO 幅值的微小变化则是 由于 MOA 的等值对地电容造成的。方式 2 时母线 MOA 对 GIS 内部节点的 VFTO 有一定的限制作用，而 GIS 外部设备 的 VFTO幅值 则 基本没有变化。 通过对计算结果的频谱分析可 知， VFTO 的频率特性基本不变。可见 仅 使 用 MOA 作为 防 止 VFTO 损坏设备 绝缘的措施 ， 效果 并不明显。 3.2 隔离开关 并联电阻 隔离开关装设并联电阻是目前较为常用的抑制 VFTO 的措施， 其原理是 通过机械方法使电阻触头在隔离开关合闸操作时先于 主触头闭合，在隔离开关分闸操作时 晚 于主触头分闸。因此电阻在 操作产生 VFTO 的过程中都是串联在回路中的，对 VFTO 起到了较好的抑制作用。 本文系统中取电阻值为 500， 计算方式 1、 2 下的 VFTO 幅值如表 3 所示。 表 3 VFTO 幅值（有并联电阻、有 MOA） 运行 方式 节点电压值（ p.u.） 1 2 3 4 5 6 7 Rec CVT 方式 1 - - 1.31 1.29 - - - 1.02 1.04 方式 2 1.07 1.12 - - 1.19 1.14 1.13 1.09 1.09 对比表 1 可以看出，并联电阻能够有效的抑制系统各节点的 VFTO 幅值。通过对计算结果的频谱分析可知， VFTO 高频分量 的 幅值均有明显降低，并且其陡度也 受到 了限制，这 在一定程度上改善了 VFTO 在主变绕组的分布，有利于主变纵绝缘。 但是从制造角度看，隔离开关增加并 联电阻会使设备结构复杂 化 ，使设备的可靠性下降 。从目前的运行情况看，由电阻触头、电阻片等元件造成的故障也不容忽视。 3.3 优化 设备结构 VFTO 造成的绝缘损坏可分为 GIS 外部连接设备 的 绝缘损坏和 GIS 内部元件 的 绝缘损坏两类，分别讨论如下。 1） GIS 外部连接设备 的绝缘损坏 VFTO 造成 GIS 外部设备的绝缘损坏主要为变压器绕组纵绝缘的损坏，该 问题从 上世纪 80 年代 后期 起引起了学术界的关注， 但至今仍无定论，一般认为 可能 是以下三个方面的原因导致了变压器纵绝缘的损坏 18： （ 1） 上升时间极短的 VFTO 有可能在 变压器内部引起巨大的匝间电压，造成变压器绕组电压分布 极不均匀。 （ 2） 高频振荡可能在变压器内部激发起极高的谐振过电压。 （ 3） 变压器绝缘 多次遭受类同截波作用的后果 。 根据上节的计算结果 ， 隔离开关增加并联电阻 后 ，其操作产生的 VFTO 仍然含有最高 频率 约 为 500kHz的分量， 而 根 据研究，频率为 34kHz、 53 kHz 的 低频 VFTO 即可能 引起变压器绕组的内部谐振 9。可见 ，仅从 GIS 设备内部考虑限制 VFTO，只是 在一定程度上 降低了变压器绝缘损坏的可能性，但 并不能完全解决变压器绝缘损坏问题 ，需要对变压器绕组进行耐受 VFTO能力的研究，通过改善 绕组 结构来提高其耐受 VFTO 的能力。 2） GIS内部元件 的绝缘损坏 VFTO 造成 GIS 内部绝缘损坏主要表现 为 SF6 气体击穿及绝缘子沿面闪络 。 经过大量的试验及理论研究，人们认为 对于洁净、规则的 GIS 绝缘系统， VFTO 并不比雷电波更容易造成绝缘破坏， 在忽略累积效应影响的基础上，仅受到 VFTO 的作用时，具有 几乎与雷电冲击相同的绝缘耐受水平 110。 在 GIS 中因开关元件操作产生的 VFTO（幅值一般为1.52.5p.u.，本文系统中 隔离开关不加并联电阻时， VFTO 最高为 2.29 p.u.）远低于设备的雷电冲击耐受 电压 （ 800kV GIS 极对地的额定雷电冲击耐受电压为 2100kV，约为 3.2p.u.） ， 理想情况下并不会造成 GIS 内部的绝缘损坏。 实际运行中 VFTO比雷电更 容易导致 GIS内部 绝缘故障的原因 很可能 在于 GIS内部绝缘存在缺陷，导致局部区域 的 绝缘 耐受水平 降低。内部绝缘缺陷最常见的 是 在零部件加工 、装配以及开关操作 时产生的导电微粒 。导电微粒附着在绝缘子表面时， 形成局部电场集中 ，使 VFTO作用下的绝缘子沿面放电电压低于 雷电 作用下的沿面放电电压 。而在母线筒体内的导电微粒在 交流电场 的作用下发生 跳动， 一旦与母线导电杆接触则吸附在 其 表面，造成该处绝缘耐受电压降低。 通过研究发现，导电微粒越长则绝缘破坏电压下降越多，图 3给出了存在不同长度导电微粒的 SF6气体 间隙 在 VFTO作用下 的伏秒特性曲线。 图 3 SF6气体 V-t 特性（ f=2.47MHz） 图 4 GIS 内部结构的优化 可见 ， 通过优化 GIS 设备的内部结构来 防止因导电微粒造成的局部绝缘水平下降 ， 从而 减少 VFTO 对 GIS 内部绝缘 的 损坏 是可行的。 从异物管理的角度 可以从以下 几 个方面考虑： （ 1） 在设计上需要考虑不产生导电微粒。比如在 图样上要求零件要去尖角毛刺，并且检查是否因此产生了二次毛刺；避免使用不恰当的材质，比如铝材上加工的螺纹容易产生铝屑；装配图上指出容易产生导电微粒的地方并要求检查，等等。 （ 2） 在生产环节，尽量 减少导电微粒的产生，防止导电微粒进入 GIS 内部。 具体可采取 诸如 零件端部倒圆角、及时清洗零部件、在灭弧车间装配、使用专用工具、装配完成后利用超声波检测等措施来实现对导电微粒的控制。 （ 3）在结构设计上 可以 考虑 即使出现导电微粒，也不会 对 GIS 的绝缘水平 造成影响 ，或者至少将影响降至最低 。 在设计 GIS 筒体尺寸时， 考虑到 导电微粒 在 GIS 内部的运动特性，使其 在交流电场 作用下 的跳动不足以 与导电杆接触。在 绝缘子附 近 设置捕捉异物的陷阱，图 4 给出了该结构的示意图。 当绝缘子附近的导电微粒受到电场作 用跳动时，容易落入陷阱中，同时在绝缘子内部设置屏蔽，减弱绝缘子附近 的场强， 则 落入陷阱中的金属微粒 不易吸附在绝缘子上。 GIS 筒体内壁涂漆时，会降低电场对导电微粒的敏感程度，使导电微粒要在更苛刻的条件下才能产生危害。 4 结论 本文以 某 实际 800kV GIS 为例，通过计算分析得到以下结论： GIS 中隔离开关操作会在 GIS 内部及外部连接设备上 产生频率高达数 十 MHz 的 VFTO； MOA 抑制 VFTO 的作用并不明显；隔离开关并联电阻可以有效限制 VFTO 的幅值并且可以降低其陡度，有利于减弱 VFTO 对设备绝缘的损坏；通过对 VFTO 作用下 设备绝缘特性的分析，指出 可以对 GIS结构进行优化，避免因导电微粒造成 GIS 绝缘水平降低，减少 VFTO 对 GIS 内部绝缘的损坏，同时可以 避免因并联电阻而造成的设备可靠性下降的问题。 参考文献 1吉嘉琴 . 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