1000 kV GIS变电所VFTO特性研究

1000 kV GIS变电所VFTO特性研究
摘要：气体绝缘组合电器（GIS）具有占地面积小、可靠性高、维修周期长、运行费用低等优点，在电力系统中得到广泛应用。

研究表明，超高压GIS 中隔离开关和断路器的操作会产生波头极陡并伴有高频振荡的快速暂态过电压（VFTO）。

虽然VFTO 的幅值并不高，一般不超过2.5 p.u，但在超高压电力系统中所造成的事故率却超过雷电冲击和操作冲击下的事故率。

关键词：1000 kV；GIS变电所；VFTO特性；
对于频率很高的ＶＦＴＯ，当经变压器或线路供电的电源侧管母线不长，隔离开关投切过程中电弧重燃时，产生的过电压振荡频率在几兆赫兹左右；电弧熄灭时，振荡频率达几十兆赫兹。

由于过电压的频率高，陡度大，对与ＧＩＳ直接连接的变压器绕组绝缘具有威胁，会引起绕组匝间或饼间电压分布极不均匀而使绕组的绝缘损坏，由于上升速度极快的过电压，避雷器保护范围小，限压作用较差。

ＶＦＴＯ的波形中含有多个振荡频率，若ＶＦＴＯ含有的振荡频率位于变压器的某些频率的谐振点，还可能产生谐振过电压。

一、1000 kV GIS变电所VFTO特性
1.VFTO 的特征和起因。

特快速瞬态过电压（VF TO）是指波前时间在3～ 100 ns 范围内的瞬态过电压，在（绝缘配合第1 部分定义、原理和原则）和（绝缘配合第4 部分绝缘配合和电气网络模拟用计算导则中称之为VFFO。

在我国国家标准（高压输变电设备的绝缘配合）中称之为陡波前过电压。

VFTO 主要是由于GIS 中的隔离开关操作等原因而引起的，所以有的国家又把它称之为隔离开关操作过电压。

在GIS 里，隔离开关和断路器之间的连线非常短，其电容很小，波的来回折反射时间很短。

在隔离开关合或切此短线时，其瞬态过电压的振荡频率极高。

开始部分的振荡波的频率可达300 kHz ～ 100 MHz。

隔离开关操作过程中，由于其动触头移动速度较慢，会引起触头间的多次的预击穿或重击穿。

合闸过程中，两触头靠近会发生预击穿。

由于操作速度慢，首次击穿必然在工频电压峰值时发生。

击穿电流给容性负荷（短线）充电至电源电压，加在触头间的电位差下降，火花放电熄灭，残余电荷留在短线上。

随后的击穿就类似于重合闸，可导致较高电压幅值的VFTO。

分闸过程中，也由于其动触头移动速度较慢，两触头之间会发生重击穿，也类似于重合闸，同样可导致较高的VFTO 值。

2.VFTO的危害。

波前很陡、幅值很高的VFTO 可能损害3 类设备绝缘：①GIS 本体；②带绕组的设备，如变压器；③二次设备。

对于我国特高压输电试验示范工程1 000 kVGIS 变电所，此问题更加突出，因为系统额定电压愈高，设备的雷电冲击耐受电压（LIWV）与系统额定电压Un 之比就愈低。

1 000 kV GIS 变电所和500kV GIS 变电所相比，额定电压增加1 倍时，其VFTO的相对值基本相同，VFTO 的绝对值随额定电压正比增加1 倍。

但是1 000 kV GIS 设备的绝缘水平（LIWV）仅比500 kV GIS 的增加了55 %，没有成比例增加。

所以VFTO 对特高压GIS 的危害性比对500 kV GIS 的要大。

目前IEC 绝缘配合标准中尚未确定VFTO 试验的典型波形。

一般认为VFTO 可与LIWV 进行比较。

GIS 的LIWV 为2 400 kV，考虑15 %的安全裕度，VFTO 不宜超过2 087 kV（相当于2.32p .u .）。

对于GIS 设备，考虑VFTO 波前时间比雷电冲击波的更短，GIS 绝缘的耐受电压稍有提高。

所以VF TO 与LIWV比较时安全裕度取15 %是合适的。

VFTO 的波前很陡，在变压器绕组中的电压分布极不均匀，在特高压引入处的起始部分绕组匝间会产生很高的电压降，容易导致匝间绝缘破坏。

对于变压器，VFTO 主要危害其匝间绝缘。

VFTO 在匝间
绝缘上的分布和大小，与VFTO 的频率和变压器内部绕组结构布置有关。

目前，
厂家未给出变压器内部结构布置和变压器匝间绝缘水平。

厂家希望通过研究能给
出变压器高压端的VFTO 幅值和波形，由他们来确定变压器匝间的VFTO 大小及绝
缘安全裕度。

对于频率不很高的“V FTO”，例如，和雷电过电压的频率相近的“VFTO”（实际上，称它为隔离开关操作过电压更合适），也可以把VFTO 与LIWV
进行比较。

二、工作建议
1.隔离开关分合闸位置确认。

隔离开关在分合闸过程中其动触头处于中间位
置是产生VFTO 的一个重要条件。

隔离开关动触头若保持在中间位置，将会持续
产生VFTO，这将会导致十分严重的电力事故。

国内某电站根据调度安排，对GIS
中隔离开关操作时，由于操动机构故障，隔离开关未能完全拉开，动静触头之间
发生持续放电现象，大约20 min 后才将隔离开关完全断开。

当对另一侧隔离开关
操作时，双断口断路器中的一个并联电容发生了爆炸，直接导致断路器的损坏。

通过对上述事故描述可知，隔离开关操作机构在分合闸过程中故障是一个重大的
风险点，保证其分合到位也显得尤为重要。

在电厂的倒闸操作过程中，每操作完
成一个断路器或隔离开关，一般运行人员按规定检查其三相是否动作正确，现地
分合闸机械指示牌是否到位。

由于隔离开关的分合闸机械指示机构存在一定的旷量，仅通过机械指示牌无法准确地判断隔离开关是否分合闸到位。

基于以上分析，提出如下四点建议。

1）进行倒闸操作时，应严格按照先拉开断路器，后拉开负
荷侧刀开关，再拉开电源侧刀闸的顺序操作。

当隔离开关在带电情况下，尽量避
免纯手动操作。

2）在隔离开关操作完成后，运行人员通过机械指示牌确认三相
分合闸的同时，还应观察隔离开关操作机构拐臂的位置判断其是否完全分合闸，
确保GIS 设备的安全运行。

3）在倒闸操作隔离开关前，还应根据当前GIS系统的
运行方式，分析隔离开关操作机构故障导致隔离开关分合闸不到位的风险，提前
做好风险预判和事故预想，以便其发生故障时及时做出处理，减小故障影响。

4）隔离开关操作机构正常工作对GIS 开关站安全运行尤为重要，重视隔离开关操作
机构的维护工作也是保证其稳定工作有效途径。

因此设备维护单位应根据GIS 隔
离开关生产厂家开展日常维护，确保设备安全可靠。

2.主变压器运行工况。

VFTO 的最大受害者是变压器。

主要危害有两点，一是
隔离开关触头击穿瞬间产生的阶跃波到达变压器时，在变压器入口产生过电压，
造成变压器绕组匝间电压的不均匀分布，对变压器危害较大。

二是VFTO 的高频
振荡可能会引起变压器内部谐振，进而产生谐振过电压。

变压器在GIS 隔离开关
操作时损坏，解体检查发现端部数匝匝间绝缘击穿，确定是VFTO 作用所致。

基
于以上分析，提出如下三点建议。

1）当主变压器带电且脱离系统的情况下，禁
止操作主变高压侧与之相关的隔离开关，否则主变隔离开关的操作可能造成较严
重的VFTO 从而损坏主变压器。

具备条件的电厂宜装设相应的闭锁，以防止误操作。

2）主变压器合闸送电后及时在监控系统查看主变压器运行状态，重点关注
主变压器电压有无异常波动，确认主变压器没有出现谐振现象。

3）主变压器高
压侧避雷器处VFTO 幅值较高，波形陡度大，较小的脉冲电流可能会引起避雷器
误动作，因此在进行主变压器停送电操作时要注意该现象。

3. GIS 本体设备。

由于内部产生的VFTO 以行波的方式通过母线传播到套管时，瞬态一部分耦合到架空线上，另一部分则耦合到壳体与地之间，造成壳体地电位
升高。

这样的地电位升高可能会引起对与GIS 相连的控制、保护和信号等二次设
备的干扰。

建议在实际生产工作中，GIS 隔离开关操作完成之后，应及时检查GIS
现地操作屏有无异常信号，GIS 保护装置工作是否正常。

特高压GIS变电站操作隔离开关产生的VFTO，幅值大，振荡频率高，波前陡度大，对GIS本体及外部电气设备均会造成很大危害。

使用隔离开关并联电阻是一种有效的限制措施，加装隔离开关并联电阻后，对VFTO抑制效果明显。

参考文献：
[1]王娜，林莘，徐建源，等．特高压GIS 变电站中快速暂态过电压仿真及其特性分析[J]．高电压技术，2016，3310-3315．
[2]谷定燮，修木洪，戴敏，等． 1000 kV GIS 变电所VFTO 特性研究[J]．高电压技术，2017，33（11）：27-32．
[3]李雷，甘凌霞，杨发荣，等． GIS 快速暂态过电压防护措施研究[J]．变压器，2016，47（9）：30-33．。