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GIS快速暫態過電壓防護措施研究

文檔作者：李雷甘凌霞楊發榮沈永強潘葉富文檔來源：江西九江供電公司		點擊數：	更新時間： 2021年10月14日
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GIS 快速暫態過電壓防護措施研究
李雷，甘凌霞，楊發榮，沈永強，潘葉富
（江西九江供電公司，江西九江332000）
摘要：利用ATP-EMTP 仿真計算了GIS 系統中隔離開關操作時引起的快速暫態過電壓（VFTO），分析了防護措施
對設備的保護效果。
關鍵詞：變壓器；快速暫態過電壓；防護措施
中圖分類號：TM406 文獻標識碼：B 文章編號：1001－8425（2010）09－0030－04
Research on Protection Measure for VFTO of GIS
LI Lei, GAN Ling-xia, YANG Fa-rong, SHEN Yong-qiang, PAN Ye-fu
（Jiujiang Power Supply Company, Jiujiang 332000, China）
Abstract：The VFTO caused by switch of GIS is simulated and calculated with ATP-EMTP
program. The effect of protection measures on equipments is compared and analyzed.
Key words：Transformer； VFTO； Protection measure
1 引言
由于氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）具有可
靠性高、占地面積小、運行費用低及維修量小等優
點，因此，其在電力系統中得到了大量的應用。研究
表明，GIS 中隔離開關和斷路器的操作會產生波頭
極陡并伴有高頻振蕩的快速暫態過電壓（VFTO）。雖
然VFTO 幅值并不是特別高, 但在電力系統中所造
成的事故卻超過了雷電沖擊和操作沖擊下的事故
率。
VFTO 不但影響GIS 本身運行的可靠性， 而且
對高壓設備絕緣構成很大的威脅， 特別是對變壓器
繞組，其原因可歸納為兩方面：一是當觸頭擊穿瞬間
產生的VFTO，波頭極陡，使繞組上的電壓分布極不
均勻； 二是VFTO 中含有振蕩諧波的頻率與設備固
有頻率匹配時，產生幅值很高的高頻諧振過電壓，導
致設備絕緣破壞。我國的大亞灣核電站、天荒坪抽水
蓄能電站都曾發生過由VFTO 引起的變壓器損壞事
故。通常采用快速動作隔離開關減少擊穿次數，但不
能從根本消除VFTO 的危害。本文中筆者將常用的
幾種抑制方法進行仿真， 為VFTO 的防護提供新的
依據。
2 模型建立與參數選取
本文中筆者選取天荒坪抽水蓄能GIS 變電站來
建立模型,其主接線簡圖如圖1 所示。該電站安裝6
臺30 萬千瓦機組，以500kV 一級電壓接入，出線二
回接至瓶窯變電所進入華東電網， 在華東電網中擔
負調峰填谷、調相調頻及緊急事故備用等任務。
本次計算研究采用S.Ogawa 提出的GIS 元件的
電路模型。由于整個系統近似為三相對稱，可用單相
TRANSFORMER
第47 卷第9 期
2010 年9 月
Vol.47
September
No.9
2010
天瓶5405 線天瓶5406 線
CVT
CB5012 PT503
CVT
CB5023
PT502
PT501
B1 B2 B3
圖1 GIS 變電所主接線簡圖
Fig.1 Simplified diagram of main circuit in GIS
substation
CB5053
第9 期 李 雷、甘凌霞、楊發榮等：GIS 快速暫態過電壓防護措施研究
電路進行模擬。有文獻在研究變壓器波過程時，介紹
試驗8μs~20μs 期間，基本測不出勵磁電流，因此計
算中可采用入口電容等效變壓器， 發電機側的變壓
器作為電流，僅考慮入口電容和等值電感。GIS 管道
母線、電纜和架空線均采用無損傳輸線模擬，用波阻
抗Z 和波速v 來描述。GIS 套管、電纜終端和接地開
關均用集中電容模擬， 其值分別為550pF、500pF
和45pF。考慮線路為無限長度，在末端接入一數值
等于線路波阻抗的接地電阻， 則由GIS 傳出的過電
壓經末端后不再有反射波傳回。閉合狀態的斷路器
視為連線，斷開狀態的通過電容串接起來，兩端接頭
用對地電容模擬。隔離開關的模擬與斷路器一致，但
要模擬其重燃特性，因而要考慮其弧道電阻。電弧的
重燃和熄滅通過編程模擬， 當開關斷口間電壓超過
介質恢復強度時，電弧重燃并持續一段時間，若斷口
電壓低于介質恢復強度，電弧在過零時刻熄滅，為了
從嚴考慮不計動態火花電阻，弧道靜態電阻取2Ω。
其他各設備參數見表1。
3 仿真計算及相關措施分析
GIS 中CB 有專門的滅弧裝置，分閘時一般不會
產生重燃，而DS 分閘時可能在斷口間發生重燃，產
生VFTO。經計算當CB5012、CB5023 和CB5053 均
斷開時，考慮幅值為-1.0p.u.的殘余電荷對過電壓的
影響，對CB5053 側隔離開關進行分閘操作，則該斷
口的極間最大恢復電壓為2.0p.u， 此時開關重燃產
生的VFTO 最嚴重。主變B2 離燃弧點較近，其波形
如圖2 所示，變壓器上VFTO 幅值達1.6p.u，振蕩頻
率低頻部分約為102kHz,高頻部分在5MHz 左右，最
大振蕩幅度為0.63p.u,主變上過電壓雖然不高，但其
電壓上升陡度大，振蕩頻率分量高，因此會對變壓器
的匝間絕緣造成影響。
3.1 加裝分合閘電阻對其影響
目前在抑制GIS 中隔離操作產生VFTO 的措施
中，加裝分合閘電阻在實際中得到了一定的應用。本
次計算采用的隔離開關帶有500Ω 分合閘電阻，并
且分合閘采用同一電阻。加裝分合閘電阻后變壓器
B2 的波形如圖3 所示， 根據計算結果可以看出，并
聯電阻的接入加速了暫態過程的衰減， 各設備上的
VFTO 幅值有顯著下降， 變壓器上VFTO 最大值下
降到1.18p.u，而且限制了其陡度。通過對圖4 VFTO
的頻譜分析可知，各個分量均得到了明顯的抑制，高
頻部分主要頻率為1.5MHz，低頻部分約為98kHz。
經分析，雖然在DS 上選取合適的分合閘電阻，
可以使VFTO 由無衰減的自由振蕩變為阻尼振蕩，
表1 設備等值入口電容
Table 1 Equivalent inlet capacitances of equipment
CVT PT
斷路器CB 隔離開關DS
斷口 避雷器
電容
兩端對
地電容
斷口
電容
兩端對
地電容
5 000 400 300 100 40 40 50
16
14
12
10
8
6
4
2
0
×108
0 1 2 3 4 5 ×106
頻率/Hz
幅值
圖4 加入分合閘電阻后VFTO 幅頻特性
Fig.4 Amplitude-frequency characteristic of VFTO
after installation of on-off resistor
圖2 變壓器VFTO 波形
Fig.2 VFTO waveform of transformer
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0 5 10 15 20 25 30
電壓的倍數（p.u）
時間/μs
圖3 加入分合閘電阻后變壓器VFTO 波形
Fig.3 VFTO waveform of transformer after
installation of on-off resistor
1.20
1.15
1.10
1.05
1.00
0.95
0 5 10 15 20 25 30
電壓的倍數（p.u）
時間/μs
31
第47 卷
顯著降低VFTO 幅值。但是從技術經濟角度來講，由
于GIS 結構緊湊， 裝設合閘電阻必然會增加技術和
工藝上的難度，也增加了設備投資，更嚴重的是削弱
了系統的可靠性，元件越多，可靠性也越差。另外，裝
設合閘電阻， 還需要為其配備操動裝置， 使操作頻
繁，出現故障的概率也很大。所以該方法還需結合實
際考慮。
3.2 加裝MOA 避雷器對其影響
MOA 的特性使其特別適用于對伏秒特性平坦
的GIS 設備進行保護， 由于本文中筆者研究的是頻
率極高的VFTO，MOA 不能僅用非線性電阻模擬，
而且要將閥片的主體電容和雜散電容考慮進去。當
在靠近變壓器B2 側出線段電纜上加裝一組避雷器
時，其幅值降低為1.512p.u，變壓器VFTO 如圖5 所
示。
值得注意的是，MOA 的加入僅限制了VFTO 的
幅值， 對其陡度基本上無影響。其高頻分量仍然存
在，陡度大，雖然產生的VFTO 不會直接造成主變的
匝間絕緣擊穿， 但是由于主變可能在一個相當短的
時間內經受上千次的VFTO 沖擊， 而VFTO 陡波的
作用類似于截波， 因而每一次沖擊對主絕緣來說無
異于接受一種性質與截波相近的老化試驗， 會給絕
緣帶來一定程度的損傷， 這種損傷累積到一定程度
將會給主變帶來危險。
3.3 加裝R-C 濾波器對其影響
R-C 過電壓器曾經廣泛用于真空斷路器燃弧
過電壓的抑制， 其原理是利用電阻R 使能量衰減，
電容C 可以降低回路振蕩頻率，讓過電壓盡快衰減
振蕩。筆者將R-C 過電壓吸收器并聯在主變B2 旁，
改變R、C 的取值計算主變端部VFTO 幅值。結果表
明R 取100Ω、C 取0.2μF 時過電壓幅值和陡度下
降得較快，其波形圖如圖6 所示。當過電壓幅值下降
到1.32p.u，下降了約17.8%。通過對圖7 頻譜進行
分析可知，VFTO 的最高頻率降低，頻帶變窄，其高
頻分量在1MHz 左右， 這主要是電容吸收了過電壓
高頻分量，最后能量消耗在了電阻上。
VFTO 對變壓器的絕緣危害主要在于其極高的
頻率，因此R-C 濾波器對變壓器保護是非常有效果
的，但是無法對于GIS 母體內部的設備進行保護。此
外，R 和C 的選取因不同設備，不同條件而異，這給
裝設也帶來了不便。
3.4 加裝鐵氧體磁環對其影響
前面提到加裝分合閘電阻會帶來不少缺陷，文
獻[5]提出了在GIS 隔離開關導電桿上安裝鐵氧體
磁環來阻尼行波， 為抑制VFTO 開辟了一條新的途
徑。但這種方法并未在實際工程中應用。鐵氧體磁環
的作用可等效成電阻和電感， 當鐵氧體磁環的等效
電阻與GIS 母線的波阻抗相等且等效電感為
0.02mH 時，對VFTO 抑制作用最大。本文中加入鐵
氧體磁環后，其主變上VFTO 波形如圖8 所示，其最
大過電壓為1.06p.u，比未采取措施減少33.75%，其
0
5
10
15
1 2 3 4 5 6
×106
×108
頻率/Hz
幅值圖
7
加
裝
R-C
濾
波
器
后
VFTO 的
幅
頻
特
性
Fig.7 Amplitude-frequency characteristic of VFTO
after installation of R-C filter
圖5 加裝避雷器后主變上的VFTO 波形
Fig.5 VFTO waveform of main transformer after
installation of arrester
20 25 30
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0 5 10 15
電壓的倍數（p.u）
時間/μs
圖6 加裝R-C 濾波器后主變上的VFTO 波形
Fig.6 VFTO waveform of main transformer after
installation of R-C filter
1.4
1.2
1.0
0.8
0.9
0.7
1.3
1.1
0 5.8 11.6 17.4 23.2 29.0
電壓的倍數（p.u）
時間/μs
32
第9 期 李 雷、甘凌霞、楊發榮等：GIS 快速暫態過電壓防護措施研究
陡度也得到了降低。
對該措施進行相關試驗發現， 磁環材料的飽和
特性對VFTO 的影響很大， 剩磁也對其有一定的影
響，但該措施不會增加GIS 結構的復雜性，對GIS 母
體內設備也能起到保護作用，較加裝R-C 濾波器保
護面更大。
4 結論
筆者通過對GIS 中抑制VFTO 所采取的措施進
行的仿真計算可得出如下結論。
（1）加入分合閘電阻、R-C 濾波器和加入鐵氧
體磁環可顯著降低VFTO 的幅值和陡度， 但是裝設
合閘電阻削弱了系統的可靠性。
（2）R-C 濾波器吸收了過電壓高頻分量，消耗
VFTO 能量， 但是并聯在設備上的R 和C 無法對所
有設備進行保護。保護參數的選取對于不同設備也
是不同的。
（3）加裝避雷器雖可以限制VFTO 的幅值，但其
陡度和高的振蕩頻率不能抑制, 其他各種方式比加
裝避雷器更為有效。
（4）幾種抑制措施都各有優缺點，為減少VFTO
帶來的危害還應該制定合理的操作規程； 繞組設備
在設計上還要考慮承受截波能力，加強絕緣。
參考文獻：
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快速暫態過電壓VFTO 對變壓器影響的研究[J].變壓器，
46（8）：30-35.
收稿日期：2008-11-25
作者簡介：李雷（1984-），男，湖北天門人，九江供電公司工程師，主要從事電力系統過電壓、電力系統防雷接地技術等方
面的研究工作；
甘凌霞（1985-），女，江西高安人，九江供電公司工程師，主要從事電力系統過電壓、電力系統防雷接地技術等方
面的研究工作。
圖8 加入鐵氧磁環后主變VFTO 的波形
Fig.8 VFTO waveform of main transformer after
installation of ferrite rings
1.10
1.01
0.92
0.83
0.74
0.65
0 5 10 15 20 25 30
電壓的倍數（p.u）
時間/μs
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
第六屆全國變壓器技術自主創新研討會暨
“ 泰普杯” 有獎征文頒獎大會通知
《變壓器》雜志編輯部定于2010 年10 月16 日～
2010 年10 月18 日在杭州召開第六屆全國變壓器技
術自主創新研討會暨“泰普杯”有獎征文頒獎大會。本次
會議由沈陽變壓器研究院主辦，武漢泰普變壓器開關有
限公司協辦，《變壓器》雜志編輯部承辦。
有關會議通知的內容詳見變壓器行業信息網。
聯系地址：
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