800kV_GIS隔離開關(guān)操作產(chǎn)生VFTO及其防護(hù)措施的研究

800kV GIS 隔離開關(guān) 操作產(chǎn)生 VFTO 及其 防護(hù) 措施 的 研究 Study on VFTO Caused by Operation of Disconnector and its prevention in 800kV GIS 尹軍華 1 李文藝 1 郝建成 2 (1. 河南平高電氣股份有限公司 , 平頂山 467001, 2. 東北電力科學(xué)研究院有限公司 , 沈陽 110006) 摘要 ： 本文依據(jù) 某實(shí)際 800kV GIS 系統(tǒng)，建立了 GIS 系統(tǒng)的仿真模型 ， 利用 ATP-EMTP計(jì)算、分析了 隔離 開關(guān)操作過程中 產(chǎn)生 的 VFTO 以及 MOA、 并聯(lián)電阻的防護(hù)效果。 通過對(duì) VFTO 作用下設(shè)備絕緣特性的分析，認(rèn)為通過優(yōu)化 GIS 結(jié)構(gòu)，可以 避免因 導(dǎo)電微粒 造成的 GIS 絕緣 耐受 水平 的 降低，從而可以 減少 VFTO 對(duì) GIS 內(nèi)部絕緣的損壞。 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. 關(guān)鍵詞 ： 隔離開關(guān)；快速暫態(tài)過電壓 ；絕緣 Key words: Disconnector; VFTO; Insulation 中圖分類號(hào)： TM86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 1 引言 GIS 中 開關(guān)元件操作或者發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幅值較 低 （ 一般不超過 2.5p.u.） 、陡度極高 （ 上升時(shí)間通常為 520ns） 、頻率豐富 （ 分量頻率最高可達(dá)數(shù)百 MHz） 的快速暫態(tài)過電壓 （ Very Fast Transient Over-voltage, VFTO） ，可能會(huì)威脅 GIS 內(nèi)部設(shè)備 以及 外部連接設(shè)備。實(shí)際運(yùn)行中因 VFTO 引起 的事故也逐漸增多，包括變壓器絕緣損壞、線餅燒損、 GIS內(nèi)部火花放電、系統(tǒng)解裂、套管炸裂等嚴(yán)重事故 12。與斷路器操作相比， 隔離開關(guān)操作 更加頻繁，并且在操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生多次重燃，因此其 產(chǎn)生的 VFTO 危害 也 更為嚴(yán)重 3。 對(duì)于電壓等級(jí)較低的 GIS， VFTO所引起的事故并不多見，直到 超高壓 GIS在 上世紀(jì) 七十年代末期出現(xiàn) ， VFTO的危害 才逐漸 引起了普遍重視 4。 隨著 800kV GIS在 我國 超高壓示范工程中 的成功運(yùn)行 ， 西北地區(qū) 即將開展 大規(guī)模的 750kV電力系統(tǒng) 的建設(shè)， 為避免因 VFTO而造成的損失，有必要 對(duì) 800kV GIS隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的 VFTO及其防護(hù)措施進(jìn)行 研究。 2 隔離開關(guān)操作產(chǎn)生 VFTO 的仿真計(jì)算 本文以某 800kV GIS 為例，計(jì)算、分析隔離開關(guān)操作在系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的 VFTO。系統(tǒng)接線如圖 1 所示。圖中 T 為變壓器； Bg 為套管； DS 為隔離開關(guān)； CB 為斷路器； BUS為母線； Rec 為電抗器 ； CVT 為電容式電壓互感器； MOA 為避雷器。 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圖 1 系統(tǒng)單相接線圖 計(jì)算 工具為 ATP-EMTP，主要元件 的 仿真模型如下： 變壓器繞組采用等值入口電容模型，該模型和 帶損耗的高頻模型以及以線餅為單元的變壓器等值回路模型相比，在計(jì)算VFTO 時(shí) 的 結(jié)果基本相同 5，本文取 變壓器入口電容為 9000pF； 電容式電壓互感器、套管、電抗器均采用 集中參數(shù)的等值對(duì)地電容，電容值分別為 5000pF、 460pF、 5000pF； 母線及架空線路均采用分布參數(shù)模型；閉合的開關(guān)元件 簡化為等長的母線 6。 計(jì)算取 1.0p.u.=8 0 0 2 / 3 6 5 3kV，弧道電阻取 2.5 。 隔離開關(guān)負(fù)載側(cè)殘余電荷電壓取-1.0p.u.， 電源的合閘相角取 0，此時(shí)計(jì)算得到的 VFTO幅 值為最 大 7。 VFTO導(dǎo)致的 GIS外部設(shè)備的 絕緣破壞 最嚴(yán)重的情況 一般出現(xiàn)在主變繞組處， 因此本文將重點(diǎn)分析在主變以及GIS內(nèi)部各點(diǎn)出現(xiàn)的 VFTO。通過對(duì) 系統(tǒng) 各種運(yùn)行方式下隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的 VFTO的計(jì)算可知 ， GIS內(nèi)部 及 主變 端部 的 VFTO最大值 分別 出現(xiàn)在以下兩種操作方式 下 ：方式 1： 所有斷路器均為分閘狀態(tài)，操作 DS3，此時(shí) GIS內(nèi)部 VFTO幅值最大。方式 2： CB4及 CB5為 合閘狀態(tài) ，其余斷路器為分閘狀態(tài)，操作 DS4，此時(shí)主變處 VFTO幅值最大。 首先計(jì)算隔離開關(guān)不帶 并聯(lián) 電阻、系統(tǒng)不帶 MOA的情況， 結(jié)果如表 1所示 （ 表中 Rec、 CVT的 電壓 值 為 該方式下，各電抗器及電容式電壓互感器處出現(xiàn)的 VFTO最大值 ） 。 表 1 VFTO 幅值 （ 無并聯(lián)電阻、無 MOA） 運(yùn)行 方式 節(jié)點(diǎn)電壓值 （ 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 可見在該系統(tǒng)中， 隔離開關(guān)操作在 GIS 內(nèi)部產(chǎn)生的 VFTO 最大值為 2.29p.u.（節(jié)點(diǎn) 3），在主變 處產(chǎn)生的 VFTO 最大值為 1.14p.u.（ 節(jié)點(diǎn) 1），波形如圖 2 所示。 通過頻譜分析可知 節(jié)點(diǎn) 3 處的 VFTO 包含 幅值較高的頻率為 1MHz、 6 MHz、 10 MHz、 16 MHz 等 高頻分量，主變處的 VFTO 包含 數(shù)百 kHz 至 1MHz 的多個(gè)頻率的高頻分量。 可見通過架空線與 GIS 連接的主變端部 處 的 VFTO 幅值和陡度均比 GIS 內(nèi)部 節(jié)點(diǎn)的 VFTO 要低。 a) 節(jié)點(diǎn) 3 處 VFTO 波形圖 b) 主變端部 VFTO 波形圖 圖 2 VFTO 波形圖（無并聯(lián)電阻、無 MOA） 3 VFTO 造成絕緣損壞的防護(hù)措施 3.1 MOA 根據(jù) 國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 750kV 系統(tǒng)用金屬氧化物避雷器技術(shù)規(guī)范 的 推薦 ， 線路側(cè) 采用的 MOA 型號(hào)為 Y20W-648/1491，母線 采用 的 MOA 型號(hào)為 Y20W-600/1380。 計(jì)算 時(shí) 不僅考慮了 MOA 的 非線性特性， 并且 計(jì)及了閥片的主體電容和雜散電容 （ 取 120pF） 。計(jì)算 方式 1、 2 下的 VFTO 幅值如表 2 所示。 表 2 VFTO 幅值（無并聯(lián)電阻、 有 MOA） 運(yùn)行 方式 節(jié)點(diǎn)電壓值（ 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 對(duì)比表 1 可以看出，方式 1 時(shí) MOA 對(duì)限制 VFTO 幅值基本不起作用，這是因?yàn)樵?MOA裝設(shè)處 VFTO 幅值較低 （ CVT 處為 1.12 p.u.， Rec 處為 1.08 p.u.）， 處于 MOA 的額定電壓附近， MOA 不動(dòng)作，而 VFTO 幅值的微小變化則是 由于 MOA 的等值對(duì)地電容造成的。方式 2 時(shí)母線 MOA 對(duì) GIS 內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的 VFTO 有一定的限制作用，而 GIS 外部設(shè)備 的 VFTO幅值 則 基本沒有變化。 通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的頻譜分析可 知， VFTO 的頻率特性基本不變?？梢?僅 使 用 MOA 作為 防 止 VFTO 損壞設(shè)備 絕緣的措施 ， 效果 并不明顯。 3.2 隔離開關(guān) 并聯(lián)電阻 隔離開關(guān)裝設(shè)并聯(lián)電阻是目前較為常用的抑制 VFTO 的措施， 其原理是 通過機(jī)械方法使電阻觸頭在隔離開關(guān)合閘操作時(shí)先于 主觸頭閉合，在隔離開關(guān)分閘操作時(shí) 晚 于主觸頭分閘。因此電阻在 操作產(chǎn)生 VFTO 的過程中都是串聯(lián)在回路中的，對(duì) VFTO 起到了較好的抑制作用。 本文系統(tǒng)中取電阻值為 500， 計(jì)算方式 1、 2 下的 VFTO 幅值如表 3 所示。 表 3 VFTO 幅值（有并聯(lián)電阻、有 MOA） 運(yùn)行 方式 節(jié)點(diǎn)電壓值（ 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 對(duì)比表 1 可以看出，并聯(lián)電阻能夠有效的抑制系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的 VFTO 幅值。通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的頻譜分析可知， VFTO 高頻分量 的 幅值均有明顯降低，并且其陡度也 受到 了限制，這 在一定程度上改善了 VFTO 在主變繞組的分布，有利于主變縱絕緣。 但是從制造角度看，隔離開關(guān)增加并 聯(lián)電阻會(huì)使設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜 化 ，使設(shè)備的可靠性下降 。從目前的運(yùn)行情況看，由電阻觸頭、電阻片等元件造成的故障也不容忽視。 3.3 優(yōu)化 設(shè)備結(jié)構(gòu) VFTO 造成的絕緣損壞可分為 GIS 外部連接設(shè)備 的 絕緣損壞和 GIS 內(nèi)部元件 的 絕緣損壞兩類，分別討論如下。 1） GIS 外部連接設(shè)備 的絕緣損壞 VFTO 造成 GIS 外部設(shè)備的絕緣損壞主要為變壓器繞組縱絕緣的損壞，該 問題從 上世紀(jì) 80 年代 后期 起引起了學(xué)術(shù)界的關(guān)注， 但至今仍無定論，一般認(rèn)為 可能 是以下三個(gè)方面的原因?qū)е铝俗儔浩骺v絕緣的損壞 18： （ 1） 上升時(shí)間極短的 VFTO 有可能在 變壓器內(nèi)部引起巨大的匝間電壓，造成變壓器繞組電壓分布 極不均勻。 （ 2） 高頻振蕩可能在變壓器內(nèi)部激發(fā)起極高的諧振過電壓。 （ 3） 變壓器絕緣 多次遭受類同截波作用的后果 。 根據(jù)上節(jié)的計(jì)算結(jié)果 ， 隔離開關(guān)增加并聯(lián)電阻 后 ，其操作產(chǎn)生的 VFTO 仍然含有最高 頻率 約 為 500kHz的分量， 而 根 據(jù)研究，頻率為 34kHz、 53 kHz 的 低頻 VFTO 即可能 引起變壓器繞組的內(nèi)部諧振 9?？梢?，僅從 GIS 設(shè)備內(nèi)部考慮限制 VFTO，只是 在一定程度上 降低了變壓器絕緣損壞的可能性，但 并不能完全解決變壓器絕緣損壞問題 ，需要對(duì)變壓器繞組進(jìn)行耐受 VFTO能力的研究，通過改善 繞組 結(jié)構(gòu)來提高其耐受 VFTO 的能力。 2） GIS內(nèi)部元件 的絕緣損壞 VFTO 造成 GIS 內(nèi)部絕緣損壞主要表現(xiàn) 為 SF6 氣體擊穿及絕緣子沿面閃絡(luò) 。 經(jīng)過大量的試驗(yàn)及理論研究，人們認(rèn)為 對(duì)于潔凈、規(guī)則的 GIS 絕緣系統(tǒng)， VFTO 并不比雷電波更容易造成絕緣破壞， 在忽略累積效應(yīng)影響的基礎(chǔ)上，僅受到 VFTO 的作用時(shí)，具有 幾乎與雷電沖擊相同的絕緣耐受水平 110。 在 GIS 中因開關(guān)元件操作產(chǎn)生的 VFTO（幅值一般為1.52.5p.u.，本文系統(tǒng)中 隔離開關(guān)不加并聯(lián)電阻時(shí)， VFTO 最高為 2.29 p.u.）遠(yuǎn)低于設(shè)備的雷電沖擊耐受 電壓 （ 800kV GIS 極對(duì)地的額定雷電沖擊耐受電壓為 2100kV，約為 3.2p.u.） ， 理想情況下并不會(huì)造成 GIS 內(nèi)部的絕緣損壞。 實(shí)際運(yùn)行中 VFTO比雷電更 容易導(dǎo)致 GIS內(nèi)部 絕緣故障的原因 很可能 在于 GIS內(nèi)部絕緣存在缺陷，導(dǎo)致局部區(qū)域 的 絕緣 耐受水平 降低。內(nèi)部絕緣缺陷最常見的 是 在零部件加工 、裝配以及開關(guān)操作 時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)電微粒 。導(dǎo)電微粒附著在絕緣子表面時(shí)， 形成局部電場集中 ，使 VFTO作用下的絕緣子沿面放電電壓低于 雷電 作用下的沿面放電電壓 。而在母線筒體內(nèi)的導(dǎo)電微粒在 交流電場 的作用下發(fā)生 跳動(dòng)， 一旦與母線導(dǎo)電桿接觸則吸附在 其 表面，造成該處絕緣耐受電壓降低。 通過研究發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電微粒越長則絕緣破壞電壓下降越多，圖 3給出了存在不同長度導(dǎo)電微粒的 SF6氣體 間隙 在 VFTO作用下 的伏秒特性曲線。 圖 3 SF6氣體 V-t 特性（ f=2.47MHz） 圖 4 GIS 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化 可見 ， 通過優(yōu)化 GIS 設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來 防止因?qū)щ娢⒘Ｔ斐傻木植拷^緣水平下降 ， 從而 減少 VFTO 對(duì) GIS 內(nèi)部絕緣 的 損壞 是可行的。 從異物管理的角度 可以從以下 幾 個(gè)方面考慮： （ 1） 在設(shè)計(jì)上需要考慮不產(chǎn)生導(dǎo)電微粒。比如在 圖樣上要求零件要去尖角毛刺，并且檢查是否因此產(chǎn)生了二次毛刺；避免使用不恰當(dāng)?shù)牟馁|(zhì)，比如鋁材上加工的螺紋容易產(chǎn)生鋁屑；裝配圖上指出容易產(chǎn)生導(dǎo)電微粒的地方并要求檢查，等等。 （ 2） 在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，盡量 減少導(dǎo)電微粒的產(chǎn)生，防止導(dǎo)電微粒進(jìn)入 GIS 內(nèi)部。 具體可采取 諸如 零件端部倒圓角、及時(shí)清洗零部件、在滅弧車間裝配、使用專用工具、裝配完成后利用超聲波檢測等措施來實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)電微粒的控制。 （ 3）在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上 可以 考慮 即使出現(xiàn)導(dǎo)電微粒，也不會(huì) 對(duì) GIS 的絕緣水平 造成影響 ，或者至少將影響降至最低 。 在設(shè)計(jì) GIS 筒體尺寸時(shí)， 考慮到 導(dǎo)電微粒 在 GIS 內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)特性，使其 在交流電場 作用下 的跳動(dòng)不足以 與導(dǎo)電桿接觸。在 絕緣子附 近 設(shè)置捕捉異物的陷阱，圖 4 給出了該結(jié)構(gòu)的示意圖。 當(dāng)絕緣子附近的導(dǎo)電微粒受到電場作 用跳動(dòng)時(shí)，容易落入陷阱中，同時(shí)在絕緣子內(nèi)部設(shè)置屏蔽，減弱絕緣子附近 的場強(qiáng)， 則 落入陷阱中的金屬微粒 不易吸附在絕緣子上。 GIS 筒體內(nèi)壁涂漆時(shí)，會(huì)降低電場對(duì)導(dǎo)電微粒的敏感程度，使導(dǎo)電微粒要在更苛刻的條件下才能產(chǎn)生危害。 4 結(jié)論 本文以 某 實(shí)際 800kV GIS 為例，通過計(jì)算分析得到以下結(jié)論： GIS 中隔離開關(guān)操作會(huì)在 GIS 內(nèi)部及外部連接設(shè)備上 產(chǎn)生頻率高達(dá)數(shù) 十 MHz 的 VFTO； MOA 抑制 VFTO 的作用并不明顯；隔離開關(guān)并聯(lián)電阻可以有效限制 VFTO 的幅值并且可以降低其陡度，有利于減弱 VFTO 對(duì)設(shè)備絕緣的損壞；通過對(duì) VFTO 作用下 設(shè)備絕緣特性的分析，指出 可以對(duì) GIS結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，避免因?qū)щ娢⒘Ｔ斐?GIS 絕緣水平降低，減少 VFTO 對(duì) GIS 內(nèi)部絕緣的損壞，同時(shí)可以 避免因并聯(lián)電阻而造成的設(shè)備可靠性下降的問題。 參考文獻(xiàn) 1吉嘉琴 . 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