1000kV GIS变电所VFTO特性研究
谷定燮 修木洪 戴敏 周沛洪
国网武汉高压研究院
摘要 本文结合我国特高压输电示范实验工程，对GIS和HGIS变电所的特快速瞬态过电压（VFTO）进行了
计算分析和研究。指出GIS变电所隔离开关开合短线时可能产生高达3p.u左右的VFTO，对GIS本体绝缘和二次设备可能构成危害。本文研究了GIS隔离开关装并联分合闸电阻对限制VFTO的作用，建议GIS变电所采用并联分合闸电阻（约500Ω），提出了并联分合闸电阻的相关参数的建议值。GIS变电所中的主变压器和GIS是经架空线相连接，在变压器上的VFTO不高。HGIS变电所中的VFTO不高，在允许范围之内，其隔离开关可以不装并联分合闸电阻。
关键词 特高压 输电 变电所 GIS VFTO 隔离开关 过电压
1 VFTO的特征和起因
特快速瞬态过电压（VFTO）是指波前时间在3~100 ns范围内的瞬态过电压，在IEC60071－1：1993（绝缘配合 第1部分 定义、原理和原则）[1]和60071－4（绝缘配合 第4部分 绝缘配合和电气网络模拟用计算导则）[2]中称之为VFFO。在我国国家标准GB 311.1（高压输变电设备绝缘配合）[3]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。IEC60071－1：1993和GB 311.1提出的VFFO或陡波前过电压典型波形见图1－1，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。
图1－1 VFTO典型波形 100ns≥T1>3ns；0.3MHz 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可能损害三类设备绝缘：（1）GIS本体；（2）带绕组的设备，如变压器；（3）二次设备。 对于特高压GIS变电所，此问题更加突 中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集 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。 1000kVGIS变电所和500kVGIS变电所相比，额定电压增加1倍，其VFTO的相对值基本相同，VFTO绝对值随额定电压正比增加1倍。但是1000kVGIS设备的 绝缘水平（LIWV）仅比500kVGIS的增加了55％，没有成比例增加。所以对于特高压GIS，VFTO的危害性比500kV GIS的要大。 国内外均发生过VFTO损坏420kV以上的GIS设备和变压器以及二次设备的事故。 VFTO的波前很陡，在变压器绕组中电压分布极不均匀。特高压引入处的起始部分绕组匝间产生很高的电压降，容易导致匝间绝缘破坏。 由于晋东南1000kV变压器是经过架空线和GIS套管相连接，中间距离较远，其VFTO衰减较快，对变压器并不构成威胁。 本研究的重点是VFTO对GIS本体的危害。 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（雷电冲击耐受电压）进行比较。GIS的LIWV为2400kV ,考虑15％的安全裕度，VFTO不宜超过2087 kV，相当于2.32p.u.。 对于变压器，VFTO主要危害其匝间绝缘。在匝间绝缘上VFTO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“VFTO”，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。 对于GIS设备，IEC绝缘配合标准IEC60071－2认为其绝缘安全裕度应更大些[4]，取20％。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VFTO与LIWV比较时安全裕度取15％ 是合适的。 3 GIS接线和设备电容 该变电所的主接线如图3-1所示。变电所采用双断路器双母线接线方式。本期仅考虑一回出线和一台主变。出线接至双断路器串。主变经临时接线连到母线上。 GIS波阻抗取91Ω，波速为290m/μs。 图3-1 特高压晋东南GIS变电所主接线图 4 GIS变电所VFTO计算 负荷侧的残留电压以－1.0 p.u.考虑。电源侧合闸时的电压以+1.0 p.u.计。操作的隔离开关位置如相关图中的箭头所指。 GIS隔离开关操作一般只是开合隔离开关至断路器之间的短线，过电压一般出现在短线上。如果被操作的隔离开关的电源一侧连有适当长度的空母线，在空母线的端部由于波的多次折反射可能出现较高过电压，最高过电压可能出现在空母线的端部。 GIS隔离开关操作过电压，频率较高，几百kHz至十几MHz，频率的高低决定于短线末端至电源侧回路最近负反射点（如CVT、变压器、对地电容大的设备）的距离。实际上，GIS隔离开关操作过电压波形，是由多种频率迭加而成的。本工程晋东南GIS隔离开关操作过电压，幅值最高的过电压频率为4—5MHz。 （1）晋东南GIS变电所本期工程仅有两个串，其中一串还是临时接线（无断路器）。由变压器侧合或分隔离开关产生的幅值最高的VFTO过电压出现于被操作隔离开关与断路器之间的短线上，最高幅值为2369kV(2.64p.u.)。 中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集 此VFTO过电压是在考虑断路器的均压电容的情况下得到的。一般而言，考虑断路器的均压电容的影响，相当于操作隔离开关至断路器之间的短线加长了，操作波振荡频率降低，正、负反射减弱，过电压会低一点。 GIS接线和操作隔离开关位置以及GIS中不同位置的过电压值见图4-1所示。图4－1下方列出图中符号的意义。本文其它图中符号的意义相同。VFTO过电压波形见图4-2。 串为例进行了VFTO计算（见图4－3）。如果今后在操作隔离开关的电源侧出现空母线，当操作的隔离开关至空母线末端（本研究称之为空母线）的长度为15m时，不考虑断路器的均压电容，空母线末端VFTO达2994kV。 实际上，这VFTO过电压与母线布置（如CVT、避雷器位置）和操作的隔离开关至空母线末端（空母线）的长度有关。不同空母线长度与VFTO关系见表4-1。 表4-1 空母线长度与VFTO关系 LU 10 2794 15 2994 20 2625 3040 50 100 2502 2501 2326 1921 L：表示空母线长度（m）； U：过电压（kV） 当操作隔离开关至空母线末端的长度为15m时，考虑断路器的均压电容，操作的隔离开关的对侧（负荷侧）隔离开关开路时，短线上VFTO过电压为2795kV（3.11p.u.）。过电压分布图见图4-3，波形图见图4-4。 图4-1 两个断路器串GIS接线，由变压器侧操作隔 离开关，GIS中VFTO值分布 图4-3 断路器串为4串，考虑断路器的均压电容， 对侧隔离开关开路，VFTO分布图 图4-2 初期(两个断路器串), 由变压器侧合分隔离开关， GIS短线上最大的VFTO波形（最大值 2369kV）(考虑断路器的均压电容) 如果由线路侧合分隔离开关，GIS上的 VFTO为1761kV，小于由变压器侧合分隔离开关时的GIS上的VFTO。因此，本文重点研究由变压器侧合分隔离开关的VFTO。 （2）晋东南GIS站将来肯定要扩建，断路器串会增加到4串、6串甚至更多。母线长度相应地会增加。本研究以断路器串4 图4-4 断路器串为4串，考虑断路器的均压电容，对侧隔离开关开路，空母线末端VFTO波形（最大 值2795kV） 中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集 图4-7考虑断路器的均压电容，对侧隔离开关开路, 变压器上的VFTO波形（最大值925kV） 这种接线方式，在运行中是有可能出现的。其VFTO对GIS绝缘是有危害的。应采取措施予以限制。 （3）晋东南1000kV变压器是经过架空线和GIS套管相连接，中间距离较远，其VFTO衰减较快，变压器上的VFTO幅值较低（最大为925kV），上升较慢（见图4－7），波前时间大于1.5μs。它对变压器绝缘不构成威胁。由于该波前时间已经超过VFTO的波前时间范围（或频率范围），实际上不应该再称它为VFTO，称为隔离开关操作过电压更合适。仅仅为了方便，本文仍然把它称为 VFTO。 5 隔离开关并联电阻对VFTO的限制作用 隔离开关采用并联分、合闸电阻，对VFTO有十分明显的限制作用。电阻接入时间只要几十微秒，即可起到限制作用。分合闸电阻值可共用一个电阻。装有分、合闸电阻的隔离开关的内部结构和动作过程示意图见图5-1[5]。 分合闸电阻值与VFTO的关系，见图5-2。有无并联分合闸电阻情况下的VFTO波形图见图5-3和图5-4 。 由图5-2可以看出，随着无分合闸电阻的增加，VFTO降低。分合闸电阻值在300～1000Ω范围内，VFTO变化很小，而且均在允许范围内。 分合闸电阻值与电阻上的电压关系，见图5-5。随着分合闸电阻的增加，电阻上的电压也增加。 图5－1 装有并联电阻的隔离开关的结构和动作过 程 (a)装有并联电阻的隔离开关的内部结构；(b)隔离开关完全闭合位置；(c)中间位置1；(d)中间位置2；(e)完全开断位置；(f)装有并联电阻的隔离开关的等值 电路 35003000)2500Vk(O2000TFV1500100050002004006008001000并联分合闸电阻值(Ω) 图5－2 VFTO和隔离开关并联分合闸电阻值的 关系 图5-3 隔离开关无并联分合闸电阻时的VFTO波形 图 图5-4 隔离开关带并联分合闸电阻（500Ω）时的 VFTO波形图 中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集 18001600）1400V（压1200电的1000上阻800电600联并400200050250450650850并联电阻值（Ω） 图5-5 并联电阻上的电压与电阻值的关系 隔离开关的分合闸电阻上的电流波形图和吸收能量变化图见图5－6和图5－7。每次预击穿或重击穿，分合闸电阻上的电流维持的时间很短，仅10μs左右。分合闸电阻吸收能量的积累也主要在这10μs左右的时间内。 隔离开关的分合闸电阻接入时间与VFTO过电压、分合闸电阻能量的关系见表5－1和图5－7。接入时间5μs 与接入时间1000μs比较，VFTO过电压幅值只差6%；电阻能量只差2%。接入时间再增加，VFTO过电压和分合闸电阻能量几乎不再变化。每次重击穿分合闸电阻最小接入时间可以1000μs计。 每次重击穿时，隔离开关的分合闸电阻吸收能量和电阻值的关系见图5－8。随着分合闸电阻值的增加，电阻吸收能量也增加。分合闸电阻值在300～1000Ω范围内，吸收能量变化很小。 综合分合闸电阻值变化和VFTO、电阻上的电压和电阻吸收能量的关系，推荐分合闸电阻为500Ω。 分合闸电阻为500Ω，最大的VFTO为1008kV，每次重击穿分合闸电阻吸收的能量为1.001 kJ。此能量值和负載侧短线的电容大小及分合闸电阻实际接入时间有关。 图5-6 并联分合闸电阻(500Ω)上的电流波形 图5-7 并联分合闸电阻(500Ω)的吸收能量 1100）J1000（量900能收800吸阻700电60050050250450650850并联电阻值（Ω） 图5-8 并联电阻吸收能量和电阻值的关系 隔离开关操作时，分合闸电阻实际接入时间可由隔离开关触头的运动时间而定。GIS中隔离开关触头间的距离，不同厂家的产品此值也有所不同，大约为350mm。参照日本的经验，合闸时动触头的运动速度大约为1.2m/s，分闸时动触头的运动速度大约为1.3m/s，整个分合闸过程所需时间大约为269～292ms。能发生重击穿和有电流流过分合闸电阻的时间大约为7～10个周波。分合闸电阻吸收的能量大约为15～20 kJ。如果考虑（分闸＋合闸）混合过程，电阻吸收的能量大约为40 kJ。 考虑一定的安全裕度，并参照日本的经验[6]，隔离开关的分合闸电阻吸收的能量允许值可选为45 kJ以上（考虑（分闸＋合闸）混合过程）或25 kJ以上（仅考虑分闸或合闸过程）。 隔离开关的分合闸电阻吸收的能量允许值和隔离开关触头的运动过程密切相关。国内各厂家的隔离开关产品规范尚未公布，隔离开关触头的运动过程可能有所不同。各厂家的隔离开关应结合隔离开关产品特点进行校核。以上计算和分析可供参考。一般而言，上述要求值是留有裕度的。 中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集 表5-1 分合闸电阻(500Ω)接入时间与过电压、分 合闸电阻能量的关系 分合闸电阻接入时间（μs） 过电压（kV） 电阻能量（J） 5 1070 980 10 1026 989 30 1008 996 50 1008 998 100 1008 999 500 1008 1000 1000 1008 1001 6 HGIS变电所VFTO计算 荆门变电所采用HGIS，其主接线如图6-1所示。变电所采用双断路器双母线接线方式。本期仅考虑一回出线和一台主变。出线接至双断路器串。主变经临时接线连到母线上。母线为敞开式的空气绝缘，断路器和隔离开关串采用GIS。 图6-1 荆门HGIS变电所主接线图 （1）本期工程荆门HGIS变电所断路器串为2串。当操作的隔离开关位置和母线MOA位置如图6－2所示时，最大的VFTO为1938kV（2.16p.u.）。相对于GIS的LIWV(2400kV)，其绝缘安全裕度为23.8％。计算中考虑了断路器均压电容的作用，操作隔离开关时对侧（负荷侧）的隔离开关断开。 图6-2 荆门HGIS变电所断路器串为2串，变压器侧操作隔离开关，VFTO分布图 如果荆门HGIS变电所隔离开关安装500Ω的分合闸电阻，则最大VFTO降至1051kV。采用分合闸电阻限制VFTO的效果是非常明显的。每次重击穿，分合闸电阻吸收的能量约为1.29 kJ。 （2）考虑到将来荆门HGIS站要扩建，断路器串会增加，本研究以断路器串为3串和4串为例进行了VFTO计算。VFTO的频率很高，MOA的保护范围很有限，效果较差。研究断路器串为3串和4串时，偏严考虑，以母线上未装避雷器考虑。 荆门HGIS站为3个断路器串时，断路器处的VFTO为1813kV（2.02p.u.），相对于GIS的LIWV(2400kV)，其绝缘安全裕度为32.4％。 荆门HGIS站为4个断路器串时，断路器处的VFTO为1851kV（2.06p.u.），相对于GIS的LIWV(2400kV)，其绝缘安全裕度为29.7％。 荆门HGIS站扩建，断路器串增加至3串和4串，最大VFTO为1851kV，小于断路器串为2串时的VFTO。 综合各种接线方式和操作方式，荆门HGIS站的最大VFTO为1938kV（2.16p.u.），低于GIS站的VFTO。该VFTO在绝缘允许范围之内，因此HGIS站隔离开关可以不装并联电阻。 7 结论 （1）如果GIS隔离开关无并联分合闸电阻，GIS上的隔离开关操作过电压(VFTO)的最大幅值可达2795kV（3.11p.u.），超过GIS 中国电机工程学会高压专委会2007年学术年会论文集 允许值，对GIS设备绝缘有危害性。应采取措施予以限制。 （2）GIS隔离开关带并联分合闸电阻可十分有效地限制VFTO。最大VFTO可由2795kV降至1008kV。 （3）分合闸电阻共用一个并联电阻。其电阻值可取300Ω～1000Ω。综合并联分合闸电阻值变化和VFTO、电阻上的电压和电阻吸收能量的关系，推荐分合闸电阻采用500Ω左右。 如果考虑（分闸＋合闸）混合过程，分合闸电阻吸收的能量大约为40 kJ。考虑一定的安全裕度，隔离开关的分合闸电阻的吸收能量宜大于45 kJ。如果仅考虑分闸或合闸过程，分合闸电阻吸收的能量大约为20 kJ。考虑一定的安全裕度，隔离开关的分合闸电阻的吸收能量宜大于25 kJ。 （5）GIS变电所的变压器若经过架空线和GIS套管相连接，变压器上的“VFTO”幅值不大，上升速度较慢，其波前时间和雷电冲击相近。它对变压器绝缘不构成威胁。 （6）HGIS变电所的最大VFTO为1938kV，低于GIS变电所的最大VFTO。该 VFTO在绝缘允许范围之内，因此HGIS站隔离开关可以不装并联电阻。 参考文献 [1] IEC60071－1 1993 International standard Insulation co-ordination-Part 1: Definitions, principes and rules. [2]IEC60071-4 2004 International standard Insulation co-ordination-Part 4: Computational guide to insulation co-ordination and modeling of electrical networks. [3] 中国国家标准(GB311.1) 高压输变电设备的绝缘配合，1997．7 [4]IEC60071－2 1996 International standard Insulation co-ordination-Part 2: Application guide. [5] R.Hemmi等 快速暂态过电压（VFTO）的评估及其在未来GIS变电站中执行断路操作时，通过并联电阻器的抑制方法 2006年特高压输电国际会议，北京 [6] Y.Yamagata Tanaka Suppression of VFT in 1100kV GIS by Adopting Resistor-Fitted Disconnector. IEEE Transaction on Power Deiivery. Vol.11.No.2.April 1996 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容