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4～20 ns,幅值一般低于3 Pu(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300 kV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500 kV GIS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500 kV GIS隔离开关分合时间近10 s)，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1 Pu，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4～20 ns。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) 1 MHz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)。

4 VFTO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1.3 Pu；当残余电荷电压为0.8 Pu时，VFTO幅值高达2.7 Pu。

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300 kV时，电容电流从0.25 A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300 kV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300 kV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300 kV以下，系统的雷电冲击绝缘耐受水平高，大于4.0 Pu；对于300 kV以上的GIS，冲击绝缘耐受水平较低，小于3.6 Pu。而300 kV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300 kV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。