〔摘 要〕 氣體絕緣金屬封閉開關設備在電力系統(tǒng)得到廣泛應用的同時，伴隨而生的陡波過電壓問題也逐漸引起人們的注意。闡述了陡波過電壓產生的機理、特性、傳播途徑及危害性，分析了陡波過電壓的影響因素，提出了防止陡波過電壓產生的措施。

〔關鍵詞〕 氣體絕緣金屬封閉開關設備；隔離開關；過電壓

近20多年來,氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)以其占地少、運行可靠、維修周期長等優(yōu)點得到了廣泛應用。但其隔離開關由于分合速度慢及滅弧性能差,在分合操作過程中,觸頭間隙會發(fā)生多次燃熄弧,引起高頻震蕩而形成陡波過電壓(VFTO),其上升時間短至4～20 ns,幅值一般低于3 Pu(額定電壓)。國外有研究表明，當電壓等級較低時，VFTO的危害甚小,但在一定條件下,VFTO會引起300 kV以上的高電壓，造成GIS內部或外接設備擊穿事故，給電力系統(tǒng)帶來很大損失。浙江北侖發(fā)電廠500 kV GIS系統(tǒng)就曾因隔離開關帶電操作引起的陡波過電壓使GIS盆式絕緣子對金屬套管外表放電。

1 陡波過電壓產生的機理

以隔離開關合上一段不帶電的GIS回路為例，后者可以近似看作是一個集中電容。當觸頭間距離漸漸縮短，電源側電壓達到一定值時，隔離開關會發(fā)生第1次擊穿，這一電弧在受觸頭運動、GIS內SF6氣流滅弧等因素影響下，極易熄滅，燃熄弧時間極短。因此，在發(fā)生第2次擊穿(重燃)時，電容上的殘余電壓便是前一次燃弧瞬間的電源電壓。由于隔離開關的觸頭是不對稱的，故不同極性電壓(因系統(tǒng)電壓為交流電壓，不同極性電壓即指X軸上下的電壓)下的擊穿電壓也不同，第2次擊穿前觸頭間的電壓差可能高于第1次，過電壓也可能比第1次高。但是隨著觸頭間距離漸漸縮短，擊穿電壓將越來越低，過電壓也隨之漸漸降低。由于隔離開關的分合速度太慢(如北侖電廠二期500 kV GIS隔離開關分合時間近10 s)，導致這種擊穿過程在隔離開關的一次操作過程中將發(fā)生數(shù)百次之多，從而產生一連串波頭極陡、頻度極密的特高頻操作陡波過電壓。

GIS設備被切斷后，由上述過程最終形成的殘余電荷會留在電容上，并保持相當長的時間。在下一次合閘的第一次擊穿時，觸頭間的電壓差往往大于1 Pu，這會使過電壓增高。

2 特 性

GIS中所充的SF6氣體具有很高的絕緣強度，因此間隙距離比在同電壓等級下的空氣間隙小得多。當隔離開關觸頭發(fā)生擊穿時，起弧過程非常迅速，使注入網(wǎng)絡的電壓波形具有極高的上升(下降)陡度，且上升(下降)時間僅4～20 ns。這個電壓波在距離很短的GIS系統(tǒng)內傳遞，發(fā)生多次折射與反射，形成含有多個頻率的震蕩波，其中包括3個主要頻率：

(1) 1 MHz左右的基本震蕩頻率，由整個系統(tǒng)決定，包括GIS及相鄰設備，主要由電源側和負載側的電感和電容震蕩形成，其幅值不高，對GIS的絕緣不造成威脅。

(2) 幾十兆赫的高頻震蕩，由陡形波在GIS內發(fā)展形成，其值取決于隔離開關觸頭第1次擊穿時刀閘二極間的等效電感和電容值及擊穿后系統(tǒng)的電感和電容值，它是VFTO的最重要部分，影響著GIS的絕緣水平。

(3) 更高赫茲的特高頻震蕩，這是由陡形波在GIS內相鄰部件間折反射形成的，通常幅值較低。

3 傳 播

陡波過電壓的傳播是一種行波過程。由于波頭陡度大，即使在相距很近的2個設備上，過電壓也會有明顯的差別，避雷器幾乎沒有保護作用。行波在GIS中傳播時，高頻電流的極膚效應使電磁波被限制在導體的外表面和外殼的內表面。當行波傳播到GIS與架空線路相連處時，電磁波的一部分會沿著套管的載流體傳輸?shù)郊芸站€上，如果架空線很短，VFTO仍會作用在相關的設備(如變壓器)上；而電磁波的另一部分則沿著GIS外殼對地構成的電路傳輸，使外殼對地電位升高，這種由外殼傳輸?shù)亩覆ㄟ^電壓稱為暫態(tài)電位升(TEV)。

4 VFTO的影響因素

4.1 殘余電荷電壓

VFTO幅值倍數(shù)的一個直接影響因素是殘余電荷電壓。圖1給出了母線側、電源側的VFTO與殘余電荷電壓的關系曲線，它們近似呈線性關系。殘余電荷電壓越高，VFTO越高。當殘余電荷電壓為0時，電源側VFTO幅值為1.3 Pu；當殘余電荷電壓為0.8 Pu時，VFTO幅值高達2.7 Pu。

殘余電荷電壓與負載側電容電流大小、隔離開關分合閘速度和母線上的泄漏有關，其中，電容電流的影響最大。開斷前電容電流越大，負載上儲存的電荷越多，泄漏越慢，因而殘余電荷電壓越高；當它與電源側電壓反極性時，燃弧前觸頭間的電壓差隨殘余電荷電壓的增高而增大，使得產生的VFTO幅值增高。表1給出了IEC對各種電壓等級GIS切合小電容電流的要求。從表中可看出當電壓等級大于300 kV時，電容電流從0.25 A增大到0.5A,這會使殘余電荷電壓升高，從而使得GIS系統(tǒng)內VFTO的幅值增加,這是300 kV以上電壓等級GIS易于產生VFTO而引起故障的原因之一。

4.2 變壓器入口電容

圖2給出了變壓器不同入口電容值時的VFTO值。由圖可知，VFTO的倍數(shù)隨著入口電容的增加而升高。這是因為在隔離開關燃弧前，變壓器的等值電容存儲了一定的電荷，觸頭擊穿后電容放電所致。變壓器入口電容值越大，存儲的電荷越多，因而過電壓倍數(shù)越高，VFTO的幅值就越高。

變壓器的入口電容與它的電壓等級、容量和結構有關。電壓等級越高、變壓器額定功率越大，入口電容就越大。表2為不同電壓等級下變壓器入口電容的范圍，由表可知，變壓器入口電容隨其電壓等級的升高而增大。所以隨著電壓等級的增高，變壓器入口電容增大，使得VFTO的倍數(shù)增大，這也是300 kV以上GIS 易于產生VFTO而引起故障的另一個主要原因。

4.3 絕緣配合水平

表3給出了不同電壓等級下的絕緣配合標準。

在300 kV以下，系統(tǒng)的雷電沖擊絕緣耐受水平高，大于4.0 Pu；對于300 kV以上的GIS，沖擊絕緣耐受水平較低，小于3.6 Pu。而300 kV以上GIS的VFTO幅值倍數(shù)又相對較高，所以在一定條件下VFTO會引起300 kV以上GIS設備事故。

另外，GIS的布置、內部結構、接線方式及外接設備對VFTO也有影響，而隔離開關的分合閘性能對VFTO的高頻振蕩頻率也有影響。

5 陡波過電壓的危害性

變壓器受到VFTO的影響最大。在受到陡波過電壓作用時，會有2種影響：一是在隔離開關觸頭擊穿剎那間產生的陡波傳播到變壓器時，在變壓器端部加上了一個陡波波頭，對與GIS系統(tǒng)距離比較近的變壓器，其陡波上升時間可能只有幾十毫微秒，遠遠低于雷電沖擊試驗時的波頭上升時間(約0.5 祍)，從而在變壓器繞組上產生極不均勻的匝間電壓分布。對與GIS相距較遠的變壓器，傳遞到的陡波波頭趨于平緩，與雷電沖擊波相近。二是高頻震蕩波可能在變壓器內部造成極高的諧振過電壓，這一點對與GIS系統(tǒng)相連的變壓器都有同樣的危害。上述2種影響會導致變壓器絕緣的損壞，從而導致變壓器事故的發(fā)生。

隔離開關在帶電操作時，GIS的盆式絕緣子表面將會產生瞬時的放電現(xiàn)象，從而會對在其附近工作的人員構成人身安全方面的威脅。

6 防止陡波過電壓產生的措施

有專家建議在隔離開關觸頭間并聯(lián)合閘電阻R，可限制陡波電壓。計算結果顯示，當合閘電阻R=100 絞保韉愕腣FTO幅值可降低很多，但加入合閘電阻會使機構更加復雜，增加了容易產生故障的環(huán)節(jié)，且對已投產設備來說，改造工作量相對較大，對此需作進一步認證。

為防止此類操作對主變的影響，在保證被隔離的設備能安全可靠隔離的情況下，北侖電廠提出了帶電冷備用的觀點,具體是:開關斷開,負荷側隔離開關斷開,電源側隔離開關仍在合上位置,這樣就可以盡可能減少帶電側隔離開關的操作,從而起到保護主設備的作用。當然，當開關本體有工作時，電源側隔離開關仍然必須斷開，否則無法工作。因此，這種措施僅適合在開關一次設備沒有工作，且有可靠閉鎖裝置的情況下才能采用。