陡波过电压的危害及预防

陡波过电压的危害及预防陡波过电压的危害及预防 摘 要 气体绝缘金属封闭开关设备在电力系统得到广泛应 用的同时 伴随而生的陡波过电压问题也逐渐引起人们的注意 阐述了陡波过电压产生的机理 特性 传播途径及危害性 分 析了陡波过电压的影响因素 提出了防止陡波过电压产生的措 施 关键词 气体绝缘金属封闭开关设备 隔离开关 过电压 近 20 多年来 气体绝缘金属封闭开关设备 gis 以其占地少 运 行可靠 维修周期长等优点得到了广泛应用 但其隔离开关由 于分合速度慢及灭弧性能差 在分合操作过程中 触头间隙会发生 多次燃熄弧 引起高频震荡而形成陡波过电压 vfto 其上升时间 短至 4 20 ns 幅值一般低于 3 pu 额定电压 国外有研究表明 当电压等级较低时 vfto 的危害甚小 但在一定条件下 vfto 会 引起 300 kv 以上的高电压 造成 gis 内部或外接设备击穿事故 给电力系统带来很大损失 浙江北仑发电厂 500 kv gis 系统就 曾因隔离开关带电操作引起的陡波过电压使 gis 盆式绝缘子对 金属套管外表放电 1 陡波过电压产生的机理 以隔离开关合上一段不带电的 gis 回路为例 后者可以近似看 作是一个集中电容 当触头间距离渐渐缩短 电源侧电压达到 一定值时 隔离开关会发生第 1 次击穿 这一电弧在受触头运 动 gis 内 sf6 气流灭弧等因素影响下 极易熄灭 燃熄弧时间 极短 因此 在发生第 2 次击穿 重燃 时 电容上的残余电压便 是前一次燃弧瞬间的电源电压 由于隔离开关的触头是不对称 的 故不同极性电压 因系统电压为交流电压 不同极性电压即 指 x 轴上下的电压 下的击穿电压也不同 第 2 次击穿前触头间 的电压差可能高于第 1 次 过电压也可能比第 1 次高 但是随 着触头间距离渐渐缩短 击穿电压将越来越低 过电压也随之 渐渐降低 由于隔离开关的分合速度太慢 如北仑电厂二期 500 kv gis 隔离开关分合时间近 10 s 导致这种击穿过程在隔离开 关的一次操作过程中将发生数百次之多 从而产生一连串波头 极陡 频度极密的特高频操作陡波过电压 gis 设备被切断后 由上述过程最终形成的残余电荷会留在电容 上 并保持相当长的时间 在下一次合闸的第一次击穿时 触 头间的电压差往往大于 1 pu 这会使过电压增高 2 特 性 gis 中所充的 sf6 气体具有很高的绝缘强度 因此间隙距离比在 同电压等级下的空气间隙小得多 当隔离开关触头发生击穿时 起弧过程非常迅速 使注入网络的电压波形具有极高的上升 下 降 陡度 且上升 下降 时间仅 4 20 ns 这个电压波在距离很 短的 gis 系统内传递 发生多次折射与反射 形成含有多个频 率的震荡波 其中包括 3 个主要频率 1 1 mhz 左右的基本震荡频率 由整个系统决定 包括 gis 及 相邻设备 主要由电源侧和负载侧的电感和电容震荡形成 其 幅值不高 对 gis 的绝缘不造成威胁 2 几十兆赫的高频震荡 由陡形波在 gis 内发展形成 其值取 决于隔离开关触头第 1 次击穿时刀闸二极间的等效电感和电容 值及击穿后系统的电感和电容值 它是 vfto 的最重要部分 影 响着 gis 的绝缘水平 3 更高赫兹的特高频震荡 这是由陡形波在 gis 内相邻部件间 折反射形成的 通常幅值较低 3 传 播 陡波过电压的传播是一种行波过程 由于波头陡度大 即使在 相距很近的 2 个设备上 过电压也会有明显的差别 避雷器几 乎没有保护作用 行波在 gis 中传播时 高频电流的极肤效应 使电磁波被限制在导体的外表面和外壳的内表面 当行波传播 到 gis 与架空线路相连处时 电磁波的一部分会沿着套管的载 流体传输到架空线上 如果架空线很短 vfto 仍会作用在相关 的设备 如变压器 上 而电磁波的另一部分则沿着 gis 外壳对地 构成的电路传输 使外壳对地电位升高 这种由外壳传输的陡 波过电压称为暂态电位升 tev 4 vfto 的影响因素 4 1 残余电荷电压 vfto 幅值倍数的一个直接影响因素是残余电荷电压 图 1 给出 了母线侧 电源侧的 vfto 与残余电荷电压的关系曲线 它们近 似呈线性关系 残余电荷电压越高 vfto 越高 当残余电荷电 压为 0 时 电源侧 vfto 幅值为 1 3 pu 当残余电荷电压为 0 8 pu 时 vfto 幅值高达 2 7 pu 残余电荷电压与负载侧电容电流大小 隔离开关分合闸速度和 母线上的泄漏有关 其中 电容电流的影响最大 开断前电容 电流越大 负载上储存的电荷越多 泄漏越慢 因而残余电荷 电压越高 当它与电源侧电压反极性时 燃弧前触头间的电压 差随残余电荷电压的增高而增大 使得产生的 vfto 幅值增高 表 1 给出了 iec 对各种电压等级 gis 切合小电容电流的要求 从 表中可看出当电压等级大于 300 kv 时 电容电流从 0 25 a 增大 到 0 5a 这会使残余电荷电压升高 从而使得 gis 系统内 vfto 的幅值增加 这是 300 kv 以上电压等级 gis 易于产生 vfto 而引 起故障的原因之一 4 2 变压器入口电容 图 2 给出了变压器不同入口电容值时的 vfto 值 由图可知 vfto 的倍数随着入口电容的增加而升高 这是因为在隔离开关 燃弧前 变压器的等值电容存储了一定的电荷 触头击穿后电 容放电所致 变压器入口电容值越大 存储的电荷越多 因而 过电压倍数越高 vfto 的幅值就越高 变压器的入口电容与它的电压等级 容量和结构有关 电压等 级越高 变压器额定功率越大 入口电容就越大 表 2 为不同 电压等级下变压器入口电容的范围 由表可知 变压器入口电 容随其电压等级的升高而增大 所以随着电压等级的增高 变 压器入口电容增大 使得 vfto 的倍数增大 这也是 300 kv 以 上 gis 易于产生 vfto 而引起故障的另一个主要原因 4 3 绝缘配合水平 表 3 给出了不同电压等级下的绝缘配合标准 在 300 kv 以下 系统的雷电冲击绝缘耐受水平高 大于 4 0 pu 对于 300 kv 以上的 gis 冲击绝缘耐受水平较低 小于 3 6 pu 而 300 kv 以上 gis 的 vfto 幅值倍数又相对较高 所以在 一定条件下 vfto 会引起 300 kv 以上 gis 设备事故 另外 gis 的布置 内部结构 接线方式及外接设备对 vfto 也 有影响 而隔离开关的分合闸性能对 vfto 的高频振荡频率也有 影响 5 陡波过电压的危害性 变压器受到 vfto 的影响最大 在受到陡波过电压作用时 会有 2 种影响 一是在隔离开关触头击穿刹那间产生的陡波传播到 变压器时 在变压器端部加上了一个陡波波头 对与 gis 系统 距离比较近的变压器 其陡波上升时间可能只有几十毫微秒 远远低于雷电冲击试验时的波头上升时间 约 0 5 祍 从而在变 压器绕组上产生极不均匀的匝间电压分布 对与 gis 相距较远 的变压器 传递到的陡波波头趋于平缓 与雷电冲击波相近 二是高频震荡波可能在变压器内部造成极高的谐振过电压 这 一点对与 gis 系统相连的变压器都有同样的危害 上述 2 种影 响会导致变压器绝缘的损坏 从而导致变压器事故的发生 隔离开关在带电操作时 gis 的盆式绝缘子表面将会产生瞬时的 放电现象 从而会对在其附近工作的人员构成人身安全方面的 威胁 6 防止陡波过电压产生的措施 有专家建议在隔离开关触头间并联合闸电阻 r 可限制陡波电 压 计算结果显示 当合闸电阻 r 100 绞保 鞯愕腣 fto 幅值 可降低很多 但加入合闸电阻会使机构更加复杂 增加了容易 产生故障的环节 且对已投产设备来说 改造工作量相对较大 对此需作进一步认证 为防止此类操作对主变的影响 在保证被隔离的设备能安