架空线长度对VFTO波前陡度的仿真分析

7.8.2.1　简化的仿真模型

由7.6节可知，操作DS101时，产生的VFTO对主变的威胁是最大的（因为它离主变最近），涉及DS101的操作是在发电厂主变停运或投运的过程中。根据操作规程，主变停运的常规倒闸顺序为：先分闸断路器CB102、CB103，再分闸隔离开关DS101；主变投运的常规倒闸顺序为：先合闸隔离开关DS101，再合闸断路器CB103、CB102。由上述常规操作顺序可知，无论是主变停运还是投运，操作隔离开关DS101时，断路器CB102、CB103均已处于分闸状态，其余断路器和隔离开关均处于合闸状态。主变停运或投运产生的VFTO对主变的影响可能会不一致，因此以下研究均是选取二者中更严重的情况。

对于不同的电厂，当操作DS101而产生VFTO时，均可采用图7-25所示的仿真计算入侵主变VFTO波前陡度的简化模型。为研究架空线对VFTO波头陡度的削弱作用，本节对变压器经架空线与GIS联接的情况进行了重点分析。VFTO入侵变压器的路径为GIS—套管—架空线—套管—变压器线圈。图7-25中虚线部分表示因主变的投运或切除而在断路器串上产生的“孤岛”，不同的发电厂“孤岛”侧的组成是相同的，包括DS101的一部分、两个闭合状态的隔离开关DS1022和DS1031、两个断开的断路器CB102和CB103的一部分以及GIS母线段。d3、d6表示隔离开关DS1022、DS1031与断路器之间的GIS母线段长度，d4、d5代表隔离开关DS1022、DS1031与变压器出线隔离开关DS101之间的GIS母线段长度。“孤岛”的结构一般是对称的，即可认为d3与d6相等，d4与d5相等。

图7-25　VFTO仿真计算简化模型

7.8.2.2　VFTO波前陡度与架空线长度的定量关系探究

1）计算参数

以浙江省六横电厂为例，六横发电厂500kV侧的接线以及设备布置与图7-15（b）类似，但两条主母线之间只有两个断路器串，其简化仿真计算等值电路如图7-25所示，其中隔离开关与断路器之间的GIS母线平均长度d3为2.5m，隔离开关与变压器出线隔离开关之间的GIS母线三相平均长度d4为3.3m，AB段GIS母线三相平均长度25m，波阻抗为70Ω，波速3×108m/s，CD段架空线型号为2×LGJQT-1440，三相平均架空高度为15m，三相平均长度为54m。（以下未作特殊说明，平均长度均指三相平均长度）

2）GIS与主变经油气套管直接连接的情况（即架空线长度为零）

架空线对VFTO波头陡度具有拉平作用，因此当主变经套管直接和GIS相连时（图7-25中d2为0m），电厂的1主变端口VFTO波前陡度最大。假设六横电厂的变压器和GIS母线经过油气套管硬连接，考虑最严重的情况，取隔离开关动静触头两端电压差为最大值2p.u.时发生燃弧，主变端口VFTO波如图7-26所示，波头陡度为2253kV/μs，这一数值远高于500kV主变对VFTO波前陡度的限制水平1291kV/μs，对主变纵绝缘具有很大威胁。

图7-26　主变端口VFTO波形

3）GIS与主变经架空线连接的情况

当架空线长度在0～15m之间变化时，入侵六横电厂1主变端口VFTO波形如图7-27所示。由于架空线长度不一样，VFTO波传至变压器入口处的时间不一样，故图中的四个波形在时间轴上会有一定的平移。由图7-27可知，架空线长度越长，相应的波前时间也越长，VFTO波前陡度越小。

图7-27　不同架空线长度下的主变端口VFTO波形

图7-28为不同架空线长度与主变端口VFTO波前陡度的关系曲线。图中水平实横直线代表波前陡度为1291kV/μs。

由图7-28可以看出，与低压实验结果类似，架空线限制VFTO波前陡度的效果很明显。架空线长度为3.8m时，到达主变端口的波前陡度降为1291kV/μs，同时波前陡度随着架空线长度的增加下降趋势趋于平缓。当架空线长度在0至5m之间时，随着架空线长度的增加，主变端口VFTO波前陡度下降趋势明显。当架空线长度取5m时，波前陡度已从原先的2253kV/μs下降至约1224.5kV/μs，降幅达45.6%，且与1291kV/μs之间有5%的裕度。当架空线长度超过5m后，随着架空线长度的增加，主变端口波前陡度下降趋于平缓，当架空线长度取10m时，主变端口VFTO波前陡度约为1032kV/μs，与1291kV/μs的限制水平间已有20%的裕度。

图7-28　架空线长度与主变端口VFTO波前陡度关系(www.xing528.com)

4）变压器出线隔离开关与GIS出口套管之间的GIS母线对VFTO波前陡度的影响

在图7-25中，AB段GIS母线对地杂散电容往往较大，对VFTO波前陡度具有削弱作用，该段GIS母线越长，VFTO波前陡度被削弱的越多。六横电厂的隔离开关DS101与GIS出口套管之间有一段平均长度为25m的GIS母线，不同的电厂该段母线长度不一样，对VFTO波前陡度的削弱作用各不相同。前文GIS与变压器之间架设5m的架空线即可限制住VFTO波前陡度至安全水平以下是针对六横电厂计算出的结果。如果某些电厂的AB段GIS母线较短，5m长的架空线可能并不能够满足要求。考虑极端情况，假设六横电厂的变压器出线隔离开关直接与变压器联接，即将DS101与GIS出口套管间的GIS母线的长度设为0m，得到该情况下连接于GIS出口套管与1变压器之间的架空线长度与到达变压器端口的VFTO波前陡度关系如下图7-29所示。

图7-29　架空线长度与主变端口VFTO波前陡度关系

注：六横电厂的典型情况指主变出线隔离开关经过一段长26m的GIS母线与变压器联接，极端情况指主变出线隔离开关直接与变压器连接。

由图7-29可以看出，当架空线长度相同时，极端情况下到达变压器入口的VFTO波前陡度要比典型情况下的大。在极端情况下，当架空线长为5m时，VFTO波前陡度为1443.7kV/μs，超过限制水平。

比较图7-29中的两条曲线可知，当架空线长度大于10m时，两种情况下的VFTO波前陡度相差不大。GIS母线与架空线都可以拉平VFTO波前，但当架空线的长度大于10m时，GIS母线的作用可以基本忽略了，此时主要是架空线起作用了。

针对六横电厂，在最为严酷的条件下，即主变出线隔离开关与GIS出口套管之间的GIS母线长度为0m、GIS出口套管与主变之间的架空线长度为10m时，到达变压器端口的VFTO波前陡度为1133kV/μs，此值低于1291kV/μs的限制水平，已被有效控制在限制水平下，并有超过10%的裕度。在用EMTP仿真软件探究架空线对VFTO波前陡度影响时，没有考虑架空线冲击电晕的作用，当计及电晕效应时，VFTO波前陡度会进一步减小[12]。

综上可知，针对六横电厂，当GIS与变压器之间的架空线长度为10m时，到达主变端口的VFTO波前陡度值可以被控制在限制水平以下，且有足够的裕度。实际中，六横电厂的GIS母线与变压器之间有一条平均长度为54m的架空线，该长度远大于10m，足以保证入侵变压器端口的VFTO波前陡度在限制水平以下。因此，该段架空线可以很好地保护六横电厂的主变，不需要采取其他措施来限制入侵主变VFTO的波前陡度。

7.8.2.3　最严酷情形分析

由7.8.2.1节可知，不同的发电厂“孤岛”侧的组成基本上是差不多的，各个发电厂中“孤岛”部分断路器、隔离开关以及GIS母线段的长度差异不大[20-22]。如图7-25中的d3～d6，其中d3近似与d6相等，一般500kV电厂或变电站中该段长度在3m左右，最大不会超过5m；d4近似与d5相等，一般500kV电厂中该段长度在5m左右，最大不会超过10m。因此，当参数d3在[1m，5m]内变化、d4在[1m，10m]内变化时，基本包括了所有500kV的发电厂中因操作DS101而产生的“孤岛”的参数d3、d4。7.8.2.2节得出AB段GIS母线长度越短，入侵主变的VFTO波前陡度越大，由此，从严考虑选取d1为0m。当参数d3在[1m，5m]变化、d4在[1m，10m]变化时（d1=0m），在不同架空线长度下到达主变端口的VFTO波前陡度变化如图7-30所示。

图7-30　架空线长度与主变端口VFTO波前陡度关系

从图7-30可以看出，当架空线长度为0m时，入侵主变的VFTO波前陡度约在3000kV/μs～3400kV/μs范围内变化；当架空线长度为5m时，入侵主变的VFTO波前陡度约在1400kV/μs～1800kV/μs范围内变化；当架空线长度为10m时，入侵主变的VFTO波前陡度约在1100kV/μs～1600kV/μs范围内变化；当架空线长度为15m时，入侵主变的VFTO波前陡度约在800kV/μs～1200kV/μs范围内变化。随着架空线长度的增加，入侵主变的VFTO波前陡度减小；当架空线长度从0m增加至5m时，主变端口VFTO波前陡度下降趋势明显。当架空线长度为15m时，在不同d3和d4的取值组合下，主变端口VFTO波前陡度最大约为1120kV/μs，与1291kV/μs的限制水平间之间仍有13%的裕度，该值为入侵主变的VFTO波前陡度为最严酷的条件下的计算结果。

另外，由图7-30可知，当d1、d2保持不变，而d3、d4分别从1m变化至5m和1m变化至10m时，入侵主变的VFTO波前陡度变化幅度较小。因此，相比于参数d1和d2，参数d3、d4对入侵主变的波前陡度的影响是比较小的。

当架空线长为15m时，即使在最为严酷的情形下，入侵1主变的VFTO波前陡度与限制水平间仍有超过10%的裕度。考虑冲击电晕的影响，可以认为，对于500kV发电厂，即使在最严酷的计算条件下，当GIS套管与变压器套管间的架空线长度大于15m时，到达主变的VFTO波前陡度不会超出限制水平。因此，仅靠15m长的架空线即可很好的保护主变纵绝缘，不需要再采取其他防护措施。

对于500kV水电厂、抽水蓄能电厂，这类电厂通常场地较为紧张，GIS与主变之间往往通过油气套管直接联接或通过电缆直接联接，VFTO对该类电厂的主变纵绝缘具有较大威胁，需采取相应措施进行防治。由于在GIS与主变之间联接一条15m长的架空线不需要太大空间，因此在设计规程以及场地条件允许的情况下[15，23]，也可以考虑采用架设一段15m以上的架空线来抑制VFTO的波前陡度。中国天荒坪抽水蓄能电站、四川二滩电站等电厂的主变与GIS之间未通过架空线联接，曾经发生过由VFTO引起的变压器绝缘损坏事故[24-25]。

考虑到入侵发电厂主变的VFTO通常比入侵变电站主变的情况更为严重，在500kV变电站加装一段15m长的架空线可以很好地保护主变。但实际上，根据前文分析，即使不加该段架空线，入侵500kV变电站主变端口的波前陡度也不会超过其限制水平。

综上所述，对于500kV发电厂，若GIS与变压器之间通过很短的架空线联接，该段架空线削弱入侵主变的VFTO波前陡度的效果非常明显；若GIS通过一段大于15m的架空线与主变联接，主变纵绝缘可以受到很好的保护，在进行电厂设计时需考虑这一点。对于已建成的联接于GIS与主变之间的架空线很短的电站或者电厂，在其他条件允许的情况下，也可进行线路改造，使该段架空线大于15m，否则，需采取其他措施限制到达主变端口的VFTO波前陡度。