500KV变电站GIS内部VFTO特性分析

500KV变电站GIS内部VFTO特性分析

作者：王洪梅 林克

来源：《科技创新与应用》2013年第26期

摘要：GIS配电装置在不同操作方式下隔离开关投切短管线时，产生特快速瞬态过电压（VFTO）损害GIS本体、所连接带绕组的设备的绝缘。研究各种DS操作方式下VFTO的峰值和频率，并以最为严重的气体绝缘母线（GIL）直连方式下主变入口处VFTO以考核变压器绕组的绝缘。研究成果为高压GIS型式配电装置电气接线设计和设备选型提供兼顾安全性和经济性的技术建议。

关键词：全封闭组合电器（GIS）；隔离开关；快速暂态过电压（VFTO） 1 引言

随着我国电力工业快速发展，超高压和特高压电力技术的广泛应用，电力设备的绝缘水平提高而裕度相对变小，GIS 隔离开关操作引起的VFTO对电力设备的影响越来越得到重视。该过电压主要有三个特点：一是频率较高；二是电压波形的陡度较大；三是过电压幅值较高。VFTO对GIS本体、所相连绕组设备可能产生绝缘破坏，以及对二次设备产生电磁干扰。特别是采用GIL与变压器直连方式下，必须考虑VFTO对GIS 与变压器绝缘的影响，需要严格计算DS各种操作方式时所产生的VFTO峰值、频率等，以用于变压器绕组绝缘裕度的校核。 2 系统计算模型及等效参数

元件模型的恰当与否决定计算结果的精确度。因此如何对各元件进行合理的近似等效又能使计算结果足够精确是数值计算的关键。对500KV变电站进行模型等效时GIS 元件的模拟，按照IEC60071-4 . 2003《绝缘配合第4部分绝缘配合和系统模拟计算导则》提出了计算VFTO的模型要求，建立计算模型。

元件1 GIS 母线管道：无损耗分布参数输电线路。 元件2 盆式绝缘子：电容。

元件3 弯管，已合闸的隔离开关，已合闸的断路器：无损耗分布参数输电线路。 元件4 断开的断路器：把断路器分成许多段，因其开断，用分级电容来连接它们。也可用一个等效于全体分级电容串联组合的电容器去连接母线。 元件5 断开的隔离开关：电容。

元件6 电力变压器：参照 IEC60071.2-1996 附录 E。

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元件7 电流互感器：它可用一个Π段来表达。

元件8 充气套管：它可用一无损耗输电线路来表示，该线路端接一个对地电容（在空气侧）。

元件9 套管（电容类型）：和模拟损耗的集中电阻串联的若干输电线路。 元件10 避雷器：当过电压低于保护水平时，可用电容来模拟。

根据某高压开关厂提供的数据以及参考资料得到GIS内部元件的等效电容值，通过总结整理，得到元件的等效参数。

（1）变压器。本文计算时取变压器入口电容为10500pF，等效电感为120mH。 （2）GIS母线。封闭母线波阻抗Z =183Ω，波速2.77×108m/s。

（3）隔离开关。隔离开关合闸时，对地等效为母线的一部分；燃弧时，电弧电阻其中。 （4）断路器。断路器CB 闭合时，相当于封闭母线。断路器分闸时，需考虑触头间的电容。本文涉及到的断路器断口的极间电容为30pF。

（5）支撑绝缘子、电压互感器和避雷器。变压器套管本身对地等效电容为 240pFGIS 出线套管电容量为80pF，电压互感器等效电容为300pF，避雷器等效电容为19pF。

（6）残余电荷。VFTO 的幅值倍数的直接影响因素是母线上的残余电荷电压，残余电荷电压越高，VFTO 幅值越高。若要计算VFTO 幅值极限值，则需考虑重燃最严重的极端情形，即电源侧电压为峰值，母线残余电荷电压为电源电压反极性峰值的情况，此时隔离开关电源侧电压为1.0p.u，负载侧电压为-1.0p.u.。计算中变压器模型采用电感-电容-电阻所组成的链形回路。

3 GIS 内部VFTO 仿真计算

GIS的隔离开关操作会在变压器的线圈饼间产生VFTO，甚至局部线圈产生谐振过电压，威胁变压器的绝缘，同时也可能威胁GIS断路器和隔离开关断口间绝缘。研究中不仅对各变压器绕组设备上产生的VFTO进行了仿真计算，同时也对隔离开关投切短管线在GIS内部产生的VFTO也进行了研究。图1中为某电站的接线原理图，图中列出了可操作的断路器和隔离开关名称。

研究中考虑了以下几种典型隔离开关操作方式可能在电站GIS设备上产生VFTO。

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方式1：隔离开关投切短管线。BG1 线路出线套管经线路I带电，断路器CB11、CB12和隔离开关DS11、DS13均处于断开状态，断路器CB11 至隔离开关DS12之间的管道有1.0p.u. 的残余电荷，操作隔离开关DS12。

方式2：母线经线路I或者#1主变带电，断路器CB21、CB31和隔离开关DS31均处于断开状态，断路器CB21至隔离开关DS21之间的管道有1.0p.u.的残余电荷，操作隔离开关DS21。

方式3： 隔离开关操作，主变T1经发电机带电，隔离开关DST11 、DST12 处于合闸状态，断路器CB12和隔离开关DS15均处于断开状态，断路器CB12至隔离开关DS14之间的管道有1.0p.u. 的残余电荷，操作隔离开关DS14。

方式4：隔离开关操作，线路I经套管BG1对串内充电，断路器CB11、CB13和隔离开关DS12均处于断开状态，断路器CB12、隔离开关DST11 、DST12 、DS13、DS14和DSL1均处于闭合状态，断路器CB13至隔离开关DS15之间的管道有1.0p.u.的残余电荷，操作隔离开关DS15。

3.1 GIS上的VFTO计算结果的分析

各种操作方式下，方式1 操作产生的VFTO最大，其值为1349kV，即3.00p.u，未超过GIS 雷电冲击耐受电压1550kV，安全裕度系数为14.9%，小于行业标准规定的雷电冲击耐受绝缘裕度15%。但考虑到以下因素，认为 GIS 仍是安全的。

3.1.1 无缺陷的GIS耐受VFTO的绝缘强度比雷电冲击耐受电压要高出10～20%左右。 3.1.2 残余电荷的大小具有概率性，与隔离开关分闸时运动速度，电弧重燃特性等因素相关，国内外试验表明出现1.0p.u的残余电荷概率极低。统计的最大残余电荷不超过0.6p.u，计算时残余电荷选 1.0p.u.是非常保守的。另外残余电荷总有泄漏，尽管速度较慢，若残余电荷选为0.8pu，则方式1操作产生的VFTO可降至1259kV。满足安全裕度系数为15%的要求。 3.2 变压器绕组上的VFTO

隔离开关闭合产生的ns级的VFTO，通过油气套管进入变压器绕组端部，在绕组线圈传播时，各方式下的振荡频率约为上千赫兹到几十兆赫兹。一般认为VFTO不超过雷电全波冲击下该线饼的雷电梯度电压的3倍，就认为绕组的导线匝绝缘和油道绝缘强度是足够的。该结果是在变压器绕组上经过实测得出的，并用相关的程序进行试验分析、比较后得出的。 500kV 变压器若采用一般的纠结式绕组结构，则在1550kV全波冲击电压作用下，高压端1～3个线饼的最大梯度电压大约为全波冲击电压的7%～9%左右，若采用插入电容内屏蔽结构的绕组，最大梯度电压可能要低一些。研究中偏严格考虑，以7%计，为108kV，则VFTO 允许值为324kV。变压器高压线饼的最大对地过电压为1.72p.u，即772kV峰值。高压线饼第一

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饼两端的VFTO过电压为0.78p.u，即348kV，超出了上述允许的安全范围。高压绕组的第二个线饼及其它线饼承受的最高VFTO梯度电压均低于185kV，在上述允许的安全范围内。 4 防止VFTO 的措施

主要是由于短管道母线存在残余电荷而操作GIS隔离开关，开关运动速度较慢，其断口间电弧不断重燃和熄灭，便产生特快速瞬态过电压。通常，最高过电压峰值为1.5～2.5p.u，极少可达3.0p.u以上。

考虑到VFTO 对变压器绝缘的累积效应，我国许多直接连接GIS 的变压器运行规程都明确规定禁止带电投切隔离开关。变压器是最重要的设备，尽量避免带电投切变压器支路的隔离开关，必须进行操作时，应在运行规程中规定先投入GIS短管的接地刀，放掉残余电荷，再进行相应操作。 参考文献

[1]Weitzman. R. Fast Transient in GIS-Modeling of Different GIS Components. ISH-5，Braunschweig：1987.

[2]Hazanadar Z， Carsimamovie S.More accurate modeling of GAS insulated substation components in digital simulations of very fast electromagnetic transients [J].IEEE Trans. On PD. 1992，7（1）：8-11

[3]王洪梅，林克.1000MW机组大型火电厂照明系统选型[J].科技创新与应用，2013（16）. 作者简介：王洪梅（1977-），女，浙江水利水电学院，硕士，讲师， 主要从事电力系统暂态分析及保护研究与教学。

林克（1979-），男，浙江省电力设计院，硕士，高级工程师，主要从事发电厂及变电所的设计和施工指导工作。