关于隔离开关优化操作对VFTO抑制效果的研究

马悦

摘 要 目前，电力技术已经进入发展的快车道，在电力系统GIS隔离开关操作过程中会产生VFTO，对设备的安全稳定运行构成威胁，因此，研究隔离开关操作过程中VFTO的抑制措施具有重要意义。文中首先开展了隔离开关操作顺序对VFTO影响的理论分析，最后，对该措施的进一步推广应用进行了展望。

关键词 GIS;隔离开关;操作顺序;VFTO

引言

气体绝缘变电站（gasinsulatedsubstation，GIS）因其结构紧凑、占地面积小等优点而被广泛应用于电力系统中。GIS中的隔离开关（disconnector switch，DS）操作会引起特快速暂态过电压（veryfasttransientovervoltage，VFTO）。目前学者普遍认为，隔离开关操作产生VFTO的原因是：GIS中隔离开关在操作时，由于其操作速度慢且无灭弧措施，开关触头间隙会发生多次电弧重燃，间隙间电压在很短的时间内（约几个纳秒）突然跌落，产生电压陡波在GIS内部反射叠加，形成高幅值、高陡度的VFTO。随着电压等级的提高，VFTO幅值远比系统允许的雷电过电压和操作过电压高[1]。

1试验回路与测量系统

在武汉特高压交流试验基地VFTO试验回路开展了相关研究。试验回路由2个隔离开关、3段GIS母线、1100kV交流电源和1000kV直流电源组成。其中DS1为辅助隔离开关，用于给两隔离开关间的短母线预充直流，以模拟较为严重的残余电荷情况，在本文研究中不涉及预充直流的试验条件，DS1处于常开状态。DS2为试验隔离开关，试验过程中，回路由交流电源供电，随机重复操作DS2，在不同的测点测量操作时产生的VFTO波形和GIS外壳上的TEV波形。在套管根部处、分支末端处和隔离开关处等3个位置，利用预先安装的手孔式电容分压器开展VFTO测量。主要包括同步触发装置、传感器及阻抗变换元件、屏蔽箱及现场采集装置和远程测控计算机4个部分。测量系统能够实现多测点同步，并满足宽频带、高存储深度和抗强电磁干扰的现场测量要求。在套管根部处、套管拐角处、分支三岔处、分支末端处和隔离开关处等5个位置，开展TEV测量。TEV测量系统如图1所示，主要包括同步触发装置、高压探头及其屏蔽、屏蔽箱及现场采集装置和远程测控计算机4个部分。其中，同步触发与VFTO测量系统相同，以便于从时间尺度对TEV和VFTO进行比较。高压探头选用TekP6015A，其高频截止频率为75MHz，最大测量电压为40kV，等效入端阻抗近似为无穷大，满足宽频带、高幅值和不影响被测信号的现场测量要求。TEV测量系统为可移动式，使用过程中，高压探头前端接至测量点的GIS外壳（去漆）上，金属屏蔽箱与就近的接地排可靠连接。应用于现场测量的VFTO和TEV测量系统均经过实验室标定和现场实测性能验证。

2隔离开关优化操作对VFTO抑制效果的研究

2.1 优化操作顺序抑制VFTO情况分析

为了评估隔离开关合闸过程中的VFTO水平，根据主接线图，基于PSCAD建立了合闸过程中的暂态过电压仿真模型。在高频的VFTO作用下，断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、变压器、电抗器、避雷器等设备的容抗起主导作用可用集中电容等值。GIS管线常数参数的传输线模型，参数由管线实际结构尺寸计算得到[2]。

2.2 线性模型

将隔离开关燃弧过程等效为理想开关串联一定值电阻电路，阻值约为2～5Ω。文中则采用电阻和电感串联电路等效燃弧过程（等效电阻R=2Ω，等效电感L=0.5μH）。这是最简单的燃弧过程的处理方法。因隔离开关燃弧过程的复杂性和电弧高度的非线性性，简单地用线性元件不能准确地描述燃弧过程的随机性和非线性性。因此，这种模型多用于工程估算。

2.3 TEV和VFTO的时间尺度比较

TEV波形上的脉冲和VFTO波形上的击穿在时间尺度上可能具有一定的对应关系。研究中，TEV测量系统和VFTO测量系统使用了同1套同步触发装置，这为比较两者的时序关系提供了可能。研究中，分析1次操作过程中的多次击穿和脉冲事件，相对于分析最大击穿和脉冲事件同步出现概率的方法，能够更加清晰地展示TEV和VFTO的时序关系。考虑每次分合闸操作过程中VFTO波形上的n次击穿，取n≤10，即对合闸过程取前10次击穿，对分闸过程取后10次击穿;对应地，我们考虑TEV波形上的n次脉冲，同样取n≤10。对于某次操作中测得的第n次击穿和第n次脉冲，分别记录其发生的时刻ton和tn，并令Δtn=ton–tn。由于两者是同步觸发测量，Δtn即可代表第n次击穿和脉冲之间的绝对时间间隔。对在套管根部处测量的16组分合闸数据进行分析，共得到320个Δtn数据，以直方图的形式给出Δtn的分布情况。

3结束语

现有的VFTO仿真计算中，很少涉及隔离开关的击穿特性和电弧特性，这与VFTO的产生机理不相符合，从而影响了计算结果的准确性。可喜的是，在国家电网公司的大力支持和科研工作人员的不断努力下，一些科研单位已经建立了高压等级或特高压等级的VFTO试验平台，为VFTO仿真中GIS隔离开关电弧模型的研究提供了有利的试验基础和技术支撑。

参考文献

[1] 刘卫东，汪林森，陈维江，等.特高压GIS特快速暂态过电压试验重复击穿过程研究[J].高电压技术，2011，37（3）：644-650.

[2] 陈珉，马国明，李成榕，等.气体绝缘开关设备介质窗口式特快速暂态过电压测量用传感器研制[J].高电压技术，2014，40（3）：897-903.