750 kV GIS中VFTO峰值

李云阁，侯清川，周 斌，尚 勇

（西北电网有限公司，西安 710048）

0 引言

自电力系统使用GIS以来，VFTO就成了关注的焦点。当操作GIS内部隔离开关时，由于触头运动相对缓慢，触头间发生电弧的击穿和重击穿（重燃），导致VFTO产生[1-3]。科研人员对VFTO进行了长期的研究，取得了大量有价值的研究成果。VFTO上升迅速，波头很短[4-6]，最大峰值约为2.5 pu，紧跟峰值是一个振荡电压波，频率范围为100 kHz～50 MHz[7-10]。由于VFTO频率很高，GIS附近的地电位升高，地面不能再被看做是理想导体[11]。计算机模拟是分析VFTO的有效方法之一，文献[9]中汇集了在高频下GIS元件的模型。VFTO不仅能够损坏GIS本身，还危及与其相连的设备，尤其是变压器，有大量文献介绍在VFTO作用下变压器的模型、入口电压、以及内部绕组电压的分布情况[12-18]。

电力科研、运行人员对VFTO已经不再陌生。但是，以前大多数的研究在实验室小规模模型上进行，或进行过实测但设备电压等级不高，而高电压下的研究集中在数值模拟方面进行，因此VFTO的很多特性有待于进一步研究。目前我国750 kV和1 000 kV GIS已经投入运行，更多的即将投运或正在建设之中。由于在高电压下设备的绝缘裕度相对降低，因此对VFTO的关注程度相应提高。

2005年我国750 kV示范工程在西北电网投入运行，750 kV配电装置采用GIS。示范工程GIS的隔离开关安装有限制VFTO的合/分闸电阻，在科研阶段对VFTO进行过模拟[19-20]。但由于没有运行经验，而且由于VFTO模拟值与实测值往往有较大差别，担心VFTO可能导致意想不到的问题，示范工程投运初期采用不带电合、分隔离开关的操作方式。即在进行隔离开关的合、分操作之前，有关750 kV设备（包括变压器）完全从电网中隔离。这种做法打乱了正常的操作方式。而且，当GIS扩建增加更多的断路器和隔离开关之后，在某些运行方式下无法彻底隔离需要操作的隔离开关。

为了解决这一问题，同时也为了对750 kV电压下的VFTO特性进行更深层次的研究，2009年10月13日～15日在官亭变电站进行了VFTO测量[21-23]。本文将介绍VFTO的实测峰值，并通过外推法计算了最大VFTO峰值和电压上升速度。

1 运行方式

图1为测量VFTO时官亭变电站的主接线图。变电站有1组750 kV变压器，3条750 kV出现。750 kV GIS与变压器之间通过一段架空线连接。为测量VFTO而操作的隔离开关分别为75111、75301和75321，其中隔离开关75111装有合/分电阻，而其他2个隔离开关则没有。

2 实测VFTO峰值

在现场对隔离开关75111、75302和75321共进行了40次操作，其中部分VFTO峰值见表1。

表1 VFTO测量最大值 pu

隔离开关75111装设有合/分闸电阻。在方式1中对其进行分、合操作时，没有发现明显的暂态振荡过程，证明合/分闸电阻对VFTO具有明显的抑制效果。

隔离开关电源侧VFTO的峰值小于负荷侧峰值，其原因为：1）受电源电压的钳制，电源侧VFTO振荡相对较弱，而负荷侧VFTO的振荡较自由；2）负荷侧存在残余电荷。

现场实测最大VFTO峰值为2.19 pu，接近可能的最大VFTO峰值2.46 pu（将在后文讨论）。

图1 变电站主接线

表1中部分VFTO峰值远小于1 pu，这是由于存贮设备内存不足所导致。当所测信号电压达到事先设定值时，现场录波被触发。录波设备一次仅能存贮10 μs的波形，这对于存储一次VFTO电压波形已经足够。但是，在隔离开关的一次关合或打开操作中，电弧在触头间会发生多次重燃，产生同样数量的VFTO电压波形。所以，录波设备没有内存来存贮后续的VFTO电压波形。因此，在大多数操作中，录波设备常常无法捕捉到本次操作中产生的最大VFTO峰值。在某些情况下，录波设备仅记录了峰值较小的VFTO波形。

3 可能的最大VFTO峰值

由于录波设备难以捕捉到最大的VFTO峰值，因此，可以使用外推法估计，方法见图2。图中U0为负荷侧的残荷电压。在重燃发生前瞬间，电源侧电压为U1（也是VFTO的稳态值）。重燃后产生的VFTO峰值为U2，而U3=VFTO电压峰值-VFTO初值。定义系数k如下：

k值可通过某个VFTO波形确定。

由式（1）可得

所以

显然，如果重燃发生时U1=1 pu且 U0=-1 pu(或是相反的情况),U2和U3值最大，分别为

图2 用外推法估算最大VFTO峰值

通过上述外推方法，可得在方式2、3、4下的U2,m，见表2。由于在方式1中VFTO被彻底抑制，因此无需估算U2,m。

从表2可以看出，在所有的VFTO峰值中，最大值为U2,m=2.46 pu，这与以前研究结果一致[9]。

由于GIS结构的变化，在不同运行方式下VFTO峰值特点也不尽相同。在方式2，VFTO峰值较其他方式下大，出现最大VFTO峰值。在方式3，电源侧VFTO峰值接近1 pu，波形图显示VFTO过冲不明显。在方式4，隔离开关2侧VFTO峰值接近。

表2 可能的最大VFTO峰值 pu

4 电压上升率

通常情况下，隔离开关负荷侧VFTO峰值大于电源侧VFTO峰值，其危险性也大。可按下述方法估算负荷侧VFTO第一峰电压上升速度的最大值：

1）按照上节中类似方式计算系数k值；

2）计算U3,m=2k；

3）计算第一峰电压上升速度的最大值。

计算结果见表3。

表3 VFTO第一峰电压上升速度的最大值 pu/s

通常750 kV GIS和变压器的雷电冲击耐受电压分别为2 100 kV和1 950 kV，即3.21 pu和2.98 pu。标准雷电波的波头时间为1.2 μs，因此相应的电压上升速度分别为2.68 pu/s和2.48 pu/s。

表2中最大VFTO峰值2.46 pu，小于750 kV GIS和变压器的雷电冲击耐受电压。但是，VFTO的电压上升速度约为10 pu/s，最大值为12.64 pu/s，远远大于雷电冲击耐受电压的上升速度。由于在如此高的电压上升速度下绝缘性能的研究并不充分，因此，根据方式1下（操作的隔离开关有合分闸电阻）的测量结果以及大量的模拟研究，建议在750 kV GIS隔离开关上装设合/分闸电阻，以限制VFTO的幅值和陡度。

5 结论

在官亭变电站操作750 kVGIS中隔离开关40次，实测了操作所激发的VFTO，通过分析现场录波，可得出以下结论：

1）最大VFTO峰值实测为2.19 pu，通过外推法计算值为2.46 pu。

2）VFTO上升速度可达12.64 pu/s，远远大于雷电冲击耐受电压的上升速度。

3）现阶段限制VFTO的幅值和陡度的有效措施为在隔离开关中装设合/分闸电阻。

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