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陡波过电压的危害及预防


陡波过电压的危害及预防 〔摘要〕气体绝缘金属封闭开关设备在电力系统得到广泛应用的 同时,伴随而生的陡波过电压问题也逐渐引起人们的注意。阐述了陡 波过电压产生的机理、特性、传播途径及危害性,分析了陡波过电压 的影响因素,提出了防止陡波过电压产生的措施。 〔关键词〕气体绝缘金属封闭开关设备;隔离开关;过电压 近 20 多年来,气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)以其占地少、 运行可靠、维修周期长等优点得到了广泛应用。但其隔离开关由于分 合速度慢及灭弧性能差,在分合操作过程中,触头间隙会发生多次燃 熄弧, 引起高频震荡而形成陡波过电压 (VFTO) , 其上升时间短至 4~ 20ns,幅值一般低于 3Pu(额定电压)。国外有研究表明,当电压等 级较低时,VFTO 的危害甚小,但在一定条件下,VFTO 会引起 300kV 以上的高电压,造成 GIS 内部或外接设备击穿事故,给电力系统带来 很大损失。浙江北仑发电厂 500kVGIS 系统就曾因隔离开关带电操作 引起的陡波过电压使 GIS 盆式绝缘子对金属套管外表放电。 1 陡波过电压产生的机理 以隔离开关合上一段不带电的 GIS 回路为例, 后者可以近似看作 是一个集中电容。 当触头间距离渐渐缩短, 电源侧电压达到一定值时, 隔离开关会发生第 1 次击穿,这一电弧在受触头运动、GIS 内 SF6 气 流灭弧等因素影响下,极易熄灭,燃熄弧时间极短。因此,在发生第 2 次击穿(重燃)时,电容上的残余电压便是前一次燃弧瞬间的电源 电压。由于隔离开关的触头是不对称的,故不同极性电压(因系统电

压为交流电压,不同极性电压即指 X 轴上下的电压)下的击穿电压也 不同,第 2 次击穿前触头间的电压差可能高于第 1 次,过电压也可能 比第 1 次高。但是随着触头间距离渐渐缩短,击穿电压将越来越低, 过电压也随之渐渐降低。由于隔离开关的分合速度太慢(如北仑电厂 二期 500kVGIS 隔离开关分合时间近 10s),导致这种击穿过程在隔 离开关的一次操作过程中将发生数百次之多, 从而产生一连串波头极 陡、频度极密的特高频操作陡波过电压。 GIS 设备被切断后,由上述过程最终形成的残余电荷会留在电容 上,并保持相当长的时间。在下一次合闸的第一次击穿时,触头间的 电压差往往大于 1Pu,这会使过电压增高。 2 特性 GIS 中所充的 SF6 气体具有很高的绝缘强度,因此间隙距离比在 同电压等级下的空气间隙小得多。当隔离开关触头发生击穿时,起弧 过程非常迅速, 使注入网络的电压波形具有极高的上升 (下降) 陡度, 且上升(下降)时间仅 4~20ns。这个电压波在距离很短的 GIS 系统 内传递,发生多次折射与反射,形成含有多个频率的震荡波,其中包 括 3 个主要频率: (1)1MHz 左右的基本震荡频率,由整个系统决定,包括 GIS 及 相邻设备,主要由电源侧和负载侧的电感和电容震荡形成,其幅值不 高,对 GIS 的绝缘不造成威胁。 (2)几十兆赫的高频震荡,由陡形波在 GIS 内发展形成,其值 取决于隔离开关触头第 1 次击穿时刀闸二极间的等效电感和电容值

及击穿后系统的电感和电容值, 它是 VFTO 的最重要部分, 影响着 GIS 的绝缘水平。 (3)更高赫兹的特高频震荡,这是由陡形波在 GIS 内相邻部件 间折反射形成的,通常幅值较低。 3 传播 陡波过电压的传播是一种行波过程。由于波头陡度大,即使在相 距很近的 2 个设备上,过电压也会有明显的差别,避雷器几乎没有保 护作用。行波在 GIS 中传播时,高频电流的极肤效应使电磁波被限制 在导体的外表面和外壳的内表面。 当行波传播到 GIS 与架空线路相连 处时,电磁波的一部分会沿着套管的载流体传输到架空线上,如果架 空线很短,VFTO 仍会作用在相关的设备(如变压器)上;而电磁波 的另一部分则沿着 GIS 外壳对地构成的电路传输, 使外壳对地电位升 高,这种由外壳传输的陡波过电压称为暂态电位升(TEV)。 4VFTO 的影响因素 4.1 残余电荷电压 VFTO 幅值倍数的一个直接影响因素是残余电荷电压。图 1 给出 了母线侧、电源侧的 VFTO 与残余电荷电压的关系曲线,它们近似呈 线性关系。残余电荷电压越高,VFTO 越高。当残余电荷电压为 0 时, 电源侧 VFTO 幅值为 1.3Pu;当残余电荷电压为 0.8Pu 时,VFTO 幅值 高达 2.7Pu。 残余电荷电压与负载侧电容电流大小、 隔离开关分合闸速度和母 线上的泄漏有关, 其中, 电容电流的影响最大。 开断前电容电流越大,

负载上储存的电荷越多,泄漏越慢,因而残余电荷电压越高;当它与 电源侧电压反极性时, 燃弧前触头间的电压差随残余电荷电压的增高 而增大,使得产生的 VFTO 幅值增高。表 1 给出了 IEC 对各种电压等 级 GIS 切合小电容电流的要求。从表中可看出当电压等级大于 300kV 时,电容电流从 0.25A 增大到 0.5A,这会使残余电荷电压升高,从 而使得 GIS 系统内 VFTO 的幅值增加,这是 300kV 以上电压等级 GIS 易于产生 VFTO 而引起故障的原因之一。 4.2 变压器入口电容 图 2 给出了变压器不同入口电容值时的 VFTO 值。 由图可知, VFTO 的倍数随着入口电容的增加而升高。这是因为在隔离开关燃弧前,变 压器的等值电容存储了一定的电荷,触头击穿后电容放电所致。变压 器入口电容值越大,存储的电荷越多,因而过电压倍数越高,VFTO 的幅值就越高。 变压器的入口电容与它的电压等级、容量和结构有关。电压等级 越高、变压器额定功率越大,入口电容就越大。表 2 为不同电压等级 下变压器入口电容的范围,由表可知,变压器入口电容随其电压等级 的升高而增大。所以随着电压等级的增高,变压器入口电容增大,使 得 VFTO 的倍数增大, 这也是 300kV 以上 GIS 易于产生 VFTO 而引起故 障的另一个主要原因。 4.3 绝缘配合水平 表 3 给出了不同电压等级下的绝缘配合标准。

在 300kV 以下,系统的雷电冲击绝缘耐受水平高,大于 4.0Pu; 对于 300kV 以上的 GIS, 冲击绝缘耐受水平较低, 小于 3.6Pu。 而 300kV 以上 GIS 的 VFTO 幅值倍数又相对较高, 所以在一定条件下 VFTO 会引 起 300kV 以上 GIS 设备事故。 另外,GIS 的布置、内部结构、接线方式及外接设备对 VFTO 也 有影响, 而隔离开关的分合闸性能对 VFTO 的高频振荡频率也有影响。 5 陡波过电压的危害性 变压器受到 VFTO 的影响最大。在受到陡波过电压作用时,会有 2 种影响:一是在隔离开关触头击穿刹那间产生的陡波传播到变压器 时,在变压器端部加上了一个陡波波头,对与 GIS 系统距离比较近的 变压器,其陡波上升时间可能只有几十毫微秒,远远低于雷电冲击试 验时的波头上升时间(约 0.5 祍),从而在变压器绕组上产生极不均 匀的匝间电压分布。对与 GIS 相距较远的变压器,传递到的陡波波头 趋于平缓,与雷电冲击波相近。二是高频震荡波可能在变压器内部造 成极高的谐振过电压, 这一点对与 GIS 系统相连的变压器都有同样的 危害。上述 2 种影响会导致变压器绝缘的损坏,从而导致变压器事故 的发生。 隔离开关在带电操作时,GIS 的盆式绝缘子表面将会产生瞬时的 放电现象,从而会对在其附近工作的人员构成人身安全方面的威胁。 6 防止陡波过电压产生的措施 有专家建议在隔离开关触头间并联合闸电阻 R, 可限制陡波电压。 计算结果显示,当合闸电阻 R=100 绞保?鞯愕腣 FTO 幅值可降低很

多, 但加入合闸电阻会使机构更加复杂, 增加了容易产生故障的环节, 且对已投产设备来说,改造工作量相对较大,对此需作进一步认证。 为防止此类操作对主变的影响, 在保证被隔离的设备能安全可靠 隔离的情况下,北仑电厂提出了带电冷备用的观点,具体是:开关断 开,负荷侧隔离开关断开,电源侧隔离开关仍在合上位置,这样就可 以尽可能减少带电侧隔离开关的操作,从而起到保护主设备的作用。 当然,当开关本体有工作时,电源侧隔离开关仍然必须断开,否则无 法工作。因此,这种措施仅适合在开关一次设备没有工作,且有可靠 闭锁装置的情况下才能采用。


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