VFTO的产生机理与特点详解

在变电站中，隔离开关切合空母线、断路器分合等操作都是例行操作，操作的概率和频率都很大。这些操作在一般的空气绝缘变电站中通常不会引起危害较大的过电压，但在GIS变电站或HGIS变电站中，这些操作，特别是对没有灭弧能力的隔离开关的操作，有可能会产生危害较大的快速暂态过电压，即VFTO。在中国500kV GIS的运行情况中，就已经有不少特快速暂态现象所导致GIS内部的击穿和外接设备的事故，如1992年广东大亚湾核电工程的系统调试中就曾出现快速暂态过电压引起主变压器一相主绝缘被击穿，2001年浙江北仑电厂一台500kV变压器也曾因快速暂态过电压而损坏。

通常，GIS或HGIS电站中的断路器灭弧性能很好，发生电弧重燃的可能性极低，可不考虑其重燃时产生的过电压，只考虑操作隔离开关时可能产生的VFTO。特高压中的GIS隔离开关结构如图7-1所示[8]。

图7-1　隔离开关示意图

隔离开关由于其分合速度慢、灭弧性能差，在分合闸操作过程中，动、静触头间隙容易发生多次燃、熄弧现象，如图7-2、图7-3所示。以隔离开关操作拉开一段不带电的GIS支路为例，该段不带电GIS支路作为一个电气“孤岛”（亦称为负荷侧），可以近似看作是一个对地的集中电容。在该段GIS支路被隔离开关切断后，残余电荷会在该段不带电的GIS支路上保持相当长的时间，随着隔离开关断口的拉大，隔离开关系统侧触头的电位跟随系统变化，当两个触头间电压差达到一定幅值时，隔离开关就会发生间隙击穿并形成电弧。这个过程与电网中断路器合切空载线路（或电容器）时的重燃现象很相似，能够产生幅值较大的过电压。由于GIS设备中的电场均设计为稍不均匀电场，而且GIS隔离开关断口比AIS（Air Insulated Switchgear）隔离开关小，使得隔离开关起弧的时间非常短，为纳秒级，过电压的波前时间极短，陡度极大。

图7-2　隔离开关附近VFTO典型波形

图7-3　主变入口处VFTO典型波形

GIS中触头间击穿而形成的高频电弧受隔离开关动触头运动、GIS内部SF6气流灭弧等因素的影响，极易熄灭，其燃弧时间非常短。随着电源电压的变化，电弧恢复电压又一次升高，从而在短时间内重复发生多次重燃而产生VFTO。由于隔离开关的分合速度太慢，导致重击穿在GIS隔离开关的每次操作过程中将发生数百次之多，从而产生一连串波前极陡、频度极密、正负极性都有的特快速暂态过电压（VFTO）。隔离开关在切合空载母线时的等值电路如图7-4所示，就过电压的幅值而言，其最大值为(www.xing528.com)

图7-4　隔离开关切合空载母线等值电路

式中，K为振荡或过冲系数，0≤K≤2；UTC为残留电荷电压，-1.0p.u.≤UTC≤1.0p.u.；Us为电源电压；对1000kV特高压。

在最极端的情况下，隔离开关合闸时UTC→1.0p.u.，Us→-1.0p.u.，K→2，这时ΔU→2.0p.u.，Umax→3.0p.u.。特快速暂态过电压的振荡频率则依赖于电站参数和GIS的布置，开合操作产生的冲击陡波将沿隔离开关断口向两侧母线传播，其传输速度略小于光速，在母线上相连的各电气节点上因各设备的特性阻抗不同而出现折反射将使快速暂态过电压的暂态波形趋于复杂。

由VFTO的产生机理及GIS设备的特征，VFTO具有以下普遍特点：

（1）波前很陡，其上升时间通常为2～20纳秒：由于隔离开关触头间隙发生重燃时，起弧过程非常迅速，故注入网络的电压波形具有极高的上升或下降陡度。

（2）VFTO幅值理论上最大可达3.0p.u.，这种极端情况是在所开断支路两端电压极性相反并均为最大值时发生的。考虑到残余电压、阻尼衰减等实际原因，实测和模拟试验中得出的VFTO大多数不超过2.0p.u.，考虑最严重情况，最大过电压可达2.5～2.8p.u.左右[9]。

（3）VFTO具有大量高频分量，一般在30kHz～100MHz范围内。这是因为GIS以SF6作为介质，绝缘强度远远高于空气，相邻电气设备的间距和母线长度都比同类型空气绝缘变电站小得多，VFTO行波在GIS中进行折射、反射的时间非常短，反复叠加造成过电压暂态振荡频率剧增。

（4）VFTO与GIS隔离开关重燃、熄弧时刻，以及隔离开关节点在GIS装置中的位置密切相关，而且与GIS的运行接线方式直接相关。