750kVGIS中VFTO现场实测波形分析.pdf

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1、750kV GIS 中 VFTO 现场实测波形分析 李云阁;尚勇;施荣;张琳【摘 要】This paper presents the results of VFTO measurement at Guanting substation.By analyzing the oscillograms,characteristics of VFTO are achieved,including times of the arc restrike between the contacts of disconnectors,remnant voltage caused by trapped charge,

2、VFTO s duration,magnitude,rise rate,and frequency.The possible maximum of the magnitude and rise rate,estimated through an extrapolation method,are 2.46 pu and 12.64 pu/u,s respectively.The research indicates that equipping closing/opening resistors in disconnectors is an effective way to suppress V

3、FTO.%介绍了在 750 kV 官事变电站实测 VFTO 的方法,通过分析现场实测波形,得到了 VFTO 的持续时间、残余电荷的电压值、隔离开关触头间的电弧重燃次数、VFTO 的峰值和上升速度、VFTO 的频率范围.用外推法计算了最大VFTO 峰值和上升速度,分别为 2.46 pu 和 12.64 pu/s.实测结果说明,限制由于隔离开关操作引起的 VFTO 的有效措施为在隔离开关中装设合/分闸电阻.【期刊名称】电网与清洁能源【年(卷),期】2011(027)011【总页数】5 页(P25-29)【关键词】750 kV;GIS;隔离开关;VFTO;合/分闸电阻【作 者】李云阁;尚勇;施荣;张

4、琳【作者单位】陕西电力科学研究院,陕西西安 710054;西北电网有限公司,陕西西安710048;西北电网有限公司,陕西西安 710048;西北电网有限公司,陕西西安710048【正文语种】中 文【中图分类】TM886 VFTO（Very Fast Transient Overvoltage）早已成电力工程和技术人员熟悉的现象。当操作 GIS(Gas Insulated Switchgear)中的隔离开关时，由于其动触头运动相对缓慢，动、静触头间发生电弧击穿和多次重击穿（重燃），产生波头很陡的过电压，即 VFTO1-8。由于 VFTO 频率很高，外壳不再是等电位导体，GIS 附近的地电位也升高

5、，地面也不能再被看作是理想导体3,9。VFTO 不仅可损坏 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10-14。科研工作者长期研究抑制 VFTO 的方法，普遍采用的方法是在隔离开关断口间装合/分闸电阻15-16，近年来开始探索应用铁磁材料17-18。以前对 VFTO 进行的研究，或在实验室小规模模型上进行测量3，或在较低电压等级设备上进行实测，而对于全尺寸、高电压等级下的研究集中在数值模拟方面7,16,19。由于在高频下 VFTO 的数值模拟误差较大，加之在高电压下设备的绝缘裕度相对较低，因此 VFT

6、O 的很多特性有待于进一步实测确定。2009 年 10 月 13 15 日，在 750kV 官亭变电站进行了 VFTO 测量20-23，这是在国内首次进行的 750kV GIS 中 VFTO 的实测，多家科研单位为此进行了大量准备。在 4 种运行方式下一共进行了 40 次隔离开关操作。本文将介绍现场测量方法，分析 VFTO 的持续时间、残余电荷的电压值、隔离开关触头间的电弧重燃次数、VFTO 的频率范围。本文作者在文献23中已介绍了 VFTO 的峰值和上升速度，为了给读者完整的信息，本文将引用其主要数据和结论。图 1 所示为测量 VFTO 时官亭变电站 750kV 配电装置的主接线图。750k

7、V 采用3/2 接线，有 1 个完整串和 2 个不完整串。变电站安装 1 组 750kV 变压器，3 条750kV 出线，串、母线地理长度均约为 120m。750kV 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。在本次试验中共在 10 个点进行了 VFTO 测量，在图 1 中用箭头指示。与本文讨论有关的测点为点 1、3、4、6。为了方便叙述，文中使用以下变量。v（t）：电源电压，其中 t 为时间；v 为幅值接近的正弦函数。v4：测量点 4 的电压

8、，即隔离开关 75321 的电源侧电压。当需要说明采样频率时，加一下标，如 v4,1G 表示采样频率为 1GS/s（S 表示采样点数，下文同）。v6：测量点 6 的电压，即隔离开关 75321 的负荷侧电压。同样，其第二下标表示采样频率。采样频率以及相应的采样长度见表 1。当采样频率为 50kS/s 时，频度太低，不能采集到 VFTO 波形，因此 v6,50k 仅仅捕捉到缓慢变化的电压分量，如工频分量。试验中 VFTO 的采样频率为 1GS/s。通过分析现场录波图，可以得到大量有关 750kV GIS 中 VFTO 的特征参数。VFTO 分别来自：1）无残余电荷时合隔离开关；2）分隔离开关；3

9、）有残余电荷时合隔离开关。三类波形在官亭现场均实测得到，典型波形如图 2 所示。图中VFTO 以实线表示。测量中没有记录相应的电源电压 v，但为了方便比较，在图中以虚线示出。750 kV 隔离开关产生的 VFTO 约在 10s 内衰减为 0，而隔离开关触头间 SF6 重燃时间远大于 10s。因此，当进行 VFTO 的数值模拟时，无需考虑前后 2 个VFTO 波形的叠加，但第一个 VFTO 留下的残余电荷形成了第二个 VFTO 的初始条件。无论在开或合隔离开关过程中，当 VFTO 衰减结束时，隔离开关负荷侧残余电荷电压范围为从 0 到电源电压峰值之间的任意值。残余电荷的泄放相对缓慢，当下一次重燃

10、发生时，残余电荷电压基本未变。750 kV 隔离开关触头间的电弧重燃小于 11 次，局限在 2 个工频周波之内，远远小于文献7-8中的数据,其原因为 750kV 隔离开关的合/分速度快，SF6 气压也大。在所有重燃中，发生在合闸开始后、或者分闸结束前的约 5 次重燃时间间隔长，VFTO 峰值大;其他重燃时间间隔短，VFTO 峰值小。图 2（b）中波形需要深入分析。在合隔离开关之前，其负荷侧有一残荷（前一次分隔离开关时，触头间最后一次重燃熄灭时残余的电荷），残荷电压接近电源电压负幅值-vm；在合隔离开关过程中，触头间 SF6 间隙在电源电压正幅值 vm 击穿：这种巧合使得 VFTO 峰值接近可能

11、的最大值。图 2（a）中情况类似，不同之处在于：图 2（a）中残余电荷来自于本次操作的前一次重燃，而图 2（b）中的残余电荷来自上次操作的最后一次重燃。基于上述现场实测和分析，当模拟计算最大 VFTO 峰值时，可考虑以下情况，并只需进行一次模拟：负荷侧的残荷电压为电源电压负幅值，而 SF6 间隙击穿发生在电源电压为正幅值时，反之亦可。在现场对隔离开关 75111、75302 和 75321 共进行了 40 次操作，根据波形分析了其幅值，结果见表 2。表中同时也罗列了用外推法计算的幅值。现场实测最大 VFTO 峰值为 2.19pu，接近可能的最大 VFTO 峰值 2.46pu。在方式 1 中，对

12、隔离开关 75111 进行多次分、合操作，没有出现明显的暂态振荡过程，证明合/分闸电阻对 VFTO 有很好的抑制效果。用外推法估算的负荷侧 VFTO 第一峰电压上升速度见表 3。目前，我国 750kV GIS 和变压器的雷电冲击耐受电压分别为 2100kV 和 1950kV，即 3.21pu 和 2.98pu。标准规定的雷电波的波头时间为 1.2s，因此相应的电压上升速度分别为 2.68pu/s 和 2.48pu/s。虽然可能出现的最大 VFTO 峰值为 2.46pu，小于设备的雷电冲击耐受电压。但是，实测的 VFTO 上升速度达到 10.0012.64pu/s，远大于雷电冲击耐受电压的上升速

13、度。在如此高的电压峰值和上升速度下，绝缘性能的研究仍不充分，甚至在国内外标准中没有规定标准波形24-25。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数字模拟结果，建议在 750kV GIS 隔离开关中装设适当的合/分闸电阻，以限制 VFTO 的幅值和陡度。国内外标准中 VFTO 的典型波形由 2 个频率分量构成，分别为0.3MHzf1100MHz、30kHzf2300kHz，如图 3 所示24-25。但在本次试验中，VFTO 仅有 1 个主要频率，且靠近 f1 下限端。现场实测的 VFTO 的频率范围为 2.04.4MHz，具体数值见表 4。在变电站操作 750k

14、V GIS 中隔离开关 40 次，实测、分析了 VFTO 波形，可得出以下结论：1）每个 VFTO 持续时间小于 10s，远远小于隔离开关触头间SF6 间隙重燃的时间间隔。因此，当模拟 VFTO 时，无需考虑 2 个 VFTO 波形的重叠，但是前一次VFTO 导致的残余电荷是第二次 VFTO 的初值。2）残余电荷电压值可以是从电源电压零值到最大值之间的任意值。3）在一次隔离开关操作中，重燃次数一般小于11 次。4）最大 VFTO 峰值实测值为 2.19pu，通过外推法计算值为 2.46pu。5）通过外推法计算得 VFTO 上升速度可达 12.64pu/s，远远大于雷电冲击耐受电压的上升速度。6

15、）VFTO 的频率范围为 2.04.4MHz。7）限制 VFTO 幅值和陡度的有效措施为在隔离开关中装设合/分闸电阻。尚 勇（1973），男，博士，高级工程师，从事电力系统规划和运行方面的研究工作；施 荣（1977），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统优化运行、电压稳定；张 琳（1980），女，博士，高级工程师，从事电网系统规划、电网安全稳定方面的研究工作。【相关文献】1NAIDU M S.Gas Insulated GISM.New Delhi:I.K.International Publishing House Pvt Ltd,2008:98-120.2BOGGS S A,CHU E Y

16、,FUJIMOTO N,et al.Disconnect Switch Induced Transients and Trapped Charge in a GISJ.IEEE Trans on Power Apparatus and Systems,1982，101(10):3593-3602.3MEPPELINK J,DIEDERICH K,FESER K,et al.Very Fast Transients in GISJ.IEEE Trans on Power Delivery,1989,4(1):223-233.4SINGHA S,THOMAS M J.Very Fast Trans

17、ient Over-Voltages in GIS with Compressed SF6-N2Gas MixturesJ.IEEE Trans on Dielectrics and Electrical Insulation,2001,8(4):658-664.5KUMAR V V,THOMAS J M,NAIDU M S.Influence of Switching Conditions on the VFTO Magnitudes in a GISJ.IEEE Trans on Power Delivery,2001,16(4):539-544.6RAO M M,TOMAS M J,SI

18、NGH B P.Frequency Characteristics of very Fast Transient Currents in a 245kV GISJ.IEEE Trans on Power Delivery,2005,20(4):2450-2457.7POVH D,SCHMITT H,V 觟 LCKER O,et al.Modeling and Analysis Guidelines for very Fast TransientJ.IEEE Trans on Power Delivery,1996,11(4):2028-2035.8FUJIMOTO N,BOGGS S A.Ch

19、aracteristics of GIS Disconnector-Induced Short Rise Time Transients Incident on Externally Connected Power System ComponentsJ.IEEE Trans on Power Delivery,1988,3(3):961-970.9FUJIMOTO N,DICK E P,BOGGS S A,FORD G L.Transient Ground Potential Rise in Gas Insulated Substations-Experimental StudiesJ.IEE

20、E Trans on Power Apparatus and Systems,1982,PAS-101(1):3603-3609.10FUJITA S,HOSOKAWA N,SHIBUYA Y.Experimental Investigation of High Frequency Voltage Oscillation in Transformer WindingsJ.IEEE Trans on Power Electronics,1998,13(4):1201-1207.11DAVARI M,ALEEMRAN S M,MOBARHANI A R,et al.A Novel Approach

21、 to VFTO Analysis of Power Transformers Including FVL Based on Detailed ModelC/Proceedings of IEEE International Conference on Industrial Technology,Victoria:Institute of Electrical&Electronics Engineers,2009:1-5.12Peter G.BLANKEN PG.A Lumped Winding Model for Use in Transformer Models for Circuit S

22、imulationJ.IEEE Trans on Power Electronics,2001,16(2):445-460.13HOSSEINI S M H,VAKILIAN M,GHAREHPETIAN G B.Comparison of Transformer Detailed Models for Fast and very Fast Transient StudiesJ.IEEE Trans on Power Delivery,2008,23(2):733-741.14LIANG G,SUN H,ZHANG X,CUI X.Modeling of TransformerWindings

23、underveryFastTransient Over-VoltageJ.IEEE Trans on Electromagnetic Compatibility,2006,48(4):621-627.15NAVEED S A,AMARANATH J.Reduction of very Fast Transient Over-Voltages in GISC/Proceedings of ICHVE,Chongqing:Institute of Electrical&Electronics Engineers,2008:45-48.16刘青,张玉峰,施围.800kVGIS 中变压器的 VFTO

24、防护的研究J.高压电器,2007,43(2):122-124.LIU Qing,ZHANG Yu-feng,SHI Wei.Study on Transformer Protection from VFTO in 800kV GISJ.High Voltage Apparatus,2007,43(2):122-124(in Chinese).17项祖涛，刘卫东，钱家骊，等.磁环抑制 GIS 中特快速暂态过电压的模拟试验和仿真J.中国电机工程学报,2005,25(19):101-105.XIANG Zu-tao,LIU Wei-dong,QIAN Jia-li,et al.SimulationT

25、estandComputationofSuppressingveryFastTransient Overvoltage in GIS by Magnetic RingsJ.Proceedings of the CSEE,2005,25(19):101-105（in Chinese）.18LI Q,WU M.Simulation Method for the Applications of Ferromagnetic Materials in Suppressing High-Frequency Transients within GISJ.IEEE Trans on Power Deliver

26、y,2007,22(3):1628-1632.19余芳,金青,郭洁,等.750kVGIS 中金属氧化物避雷器对 VFTO 影响的研究J.电瓷避雷器,2009(3):31-33.YU Fang,JIN Qing,GUO Jie,et al.Research on the Influence of Operation Modes to VFTO in 750kV GISJ.Insulators and Surge Arresters,2009(3):31-33（in Chinese）.20尚勇，孙强，李刚，等.750kV 官亭变电站 GIS 特快速暂态过电压测试J.电网与清洁能源,2009,25(

27、12):11-15.SHANG Yong,SUN Qiang,LI Gang,et al.Very Fast Transient Overvoltage Field Testing in the 750kV Guanting GasInsulated SubstationJ.Power System and Clean Energy,2009,25(12):11-15（in Chinese）.21西北电网有限公司.750kV 官亭变电站 GIS 中特快速暂态过电压（VFTO）测试总结R.西安：西北电网有限公司，2009.22李云阁，侯清川，周斌，等.750kV GIS 中 VFTO 峰值J.电

28、网与清洁能源,2010,26(12):8-11.LI Yun-ge,HOU Qing-chuan,ZHOU Bin,et al.VFTO Magnitude Values on the 750kV GISJ.Power System and Clean Energy,2010,26(12):8-11(in Chinese).23(株)东芝公司.750kV 官亭变电站 GIS 隔离开关过电压测量结果R.西安：东芝公司，2009.24IEC 60071-11993-12Insulation Co-ordination,Part 1:Definitions,Principles,and RulesS.25全国高压试验技术和绝缘配合标准化技术委员会.GB 311.1-1997 高压输变电设备的绝缘配合S.北京：中国标准出版社，1997.