萬亦如，杜 鵑，劉 莊

（國網(wǎng)浙江省電力公司杭州供電公司，杭州 310009）

目前，GIS設(shè)備已在我國特高壓、超高壓變電站廣泛應(yīng)用，而分合閘隔離開關(guān)是變電站的例行操作，操作的概率和頻率都很大，因此出現(xiàn)特快速暫態(tài)過電壓（VFTO，Very Fast Transient Overvoltage）是不可避免的[1]。隔離開關(guān)觸頭間隙多次擊穿的過程，涉及觸頭間隙擊穿電壓、等效電容隨觸頭間距的變化特性，以及燃弧電阻的變化，能較好地反映隔離開關(guān)操作過程中VFTO的全波形。因此，本文提出隔離開關(guān)多次重燃的模型，為仿真計算隔離開關(guān)多次重燃下的VFTO提供研究思路。

1 隔離開關(guān)多次燃弧模型

隔離開關(guān)在每次操作過程中都會發(fā)生多次重燃，重燃取決于動靜觸頭兩端電壓差（恢復(fù)電壓）和當(dāng)前動靜觸頭間距下的擊穿電壓。當(dāng)恢復(fù)電壓大于擊穿電壓時，電弧重燃，燃弧電阻快速衰減；當(dāng)高頻電流衰減完畢后，電弧熄滅，該次重燃結(jié)束。當(dāng)恢復(fù)電壓再次大于擊穿電壓時，進(jìn)入下一次重燃，周而復(fù)始，直至隔離開關(guān)操作結(jié)束。本研究根據(jù)上述機(jī)理，以平頂山某廠生產(chǎn)的特高壓隔離開關(guān)分閘操作為例，建立隔離開關(guān)多次燃弧模型。

在整個過程中，動靜觸頭間擊穿電壓隨著兩觸頭間距的變化而變化，是決定過電壓的關(guān)鍵；同時，燃弧電阻也是動態(tài)變化的，對過電壓有重要影響；動靜觸頭間存在斷口電容，在隔離開關(guān)操作過程中隨動靜觸頭間距而變化，會對負(fù)荷側(cè)殘余電壓產(chǎn)生影響。故本模型重點建立了這3個動態(tài)因素的模塊。

1.1 擊穿電壓模型

擊穿電壓隨動靜觸頭間距的增加而提高，總體而言，分閘時擊穿電壓由低變高，合閘時擊穿電壓由高變低。在均勻或稍不均勻的電場中，擊穿電壓與兩電極間距呈線性關(guān)系，現(xiàn)有研究一般也按擊穿電壓與動靜觸頭間距呈線性關(guān)系來處理。但SF6氣體中，動靜觸頭間的電場并不均勻，采用上述擊穿電壓的處理方法存在較大誤差。

SF6氣體中，不均勻電場間隙的擊穿電壓理論值[2]為：

式中：p為氣壓；S為電極距離；β為間隙利用系數(shù)，表征電場不均勻的程度；（E/p）kp=89×10-5p=ET，為均勻電場中擊穿場強的理論值。

圖1為無并聯(lián)電阻的特高壓隔離開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，圖2為根據(jù)圖1應(yīng)用ANSOFT軟件計算繪制的隔離開關(guān)動靜觸頭間電場圖。由于隔離開關(guān)左右對稱，圖中只畫出了右邊部分，將動靜觸頭間電位差10等分，等電位部分顏色相同，兩種顏色分界線即等位線，擊穿一般發(fā)生在等位線最密集處，即圖3所示動觸頭與靜觸頭屏蔽罩之間的放大部位。間隙利用系數(shù)β可利用圖3計算。

圖1 無并聯(lián)電阻的特高壓隔離開關(guān)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 特高壓隔離開關(guān)動靜觸頭間的電場分布

U1，U2為兩電極電壓，假設(shè)U2=0，ΔU為發(fā)生擊穿的兩電極間電壓差。平均場強為：

圖3 放大后的擊穿發(fā)生部位

式中：SAA′為A點的放電途徑A-A′。

繪出電位差為0.1ΔU的等位線，最高場強相應(yīng)的等于：

SA為等位線較密集一端最靠近電極的那根等位線與電極間的放電途徑的距離。也可選擇繪制電位差0.05ΔU或更小的的等位線，則式（3）中的系數(shù)0.1也要相應(yīng)變化。

在所研究的點上，間隙利用系數(shù)為：

將上式 βA代入式（1），式（1）中 S 即為 SAA′，得到不均勻電場中SF6氣體間隙的擊穿電壓為：

負(fù)極性的擊穿電壓與隔離開關(guān)分閘時間的關(guān)系曲線如圖4所示，擬合曲線表達(dá)式為：

Unp=（1.6×108×t+1.2×107）×t+2.2×105.

圖4 分閘時負(fù)極性擊穿電壓與分閘時間的擬合曲線

正極性擊穿電壓略低于負(fù)極性擊穿電壓，可見擊穿電壓近似于二次函數(shù)。

1.2 燃弧電阻模型

對于燃弧電阻的模型，通常僅考慮靜態(tài)電阻，但實際燃弧過程中，電弧并不是固定不變的。本文選用指數(shù)衰減形式的燃弧電阻模型，即：r=0.5+1012e-t/10-9，在擊穿的幾個納秒之內(nèi)，電阻從接近無窮大衰減到0.5Ω。

1.3 斷口電容模型

操作隔離開關(guān)過程中，隔離開關(guān)斷口的電容隨著觸頭間距的增大而減小，分閘時斷口電容由大變小，合閘時斷口電容由小變大。應(yīng)用AN SOFT軟件建立特高壓GIS隔離開關(guān)模型[3]，模型同圖2，應(yīng)用ANSOFT的電容計算功能，得出分閘過程中動靜觸頭間的斷口電容與分閘時間的關(guān)系如圖5所示，擬合曲線表達(dá)式為：

圖5 分閘時間與隔離開關(guān)斷口電容的關(guān)系曲線

1.4 隔離開關(guān)多次燃弧模型

應(yīng)用電磁暫態(tài)分析軟件EMTP構(gòu)建隔離開關(guān)多次燃弧的電路，如圖6所示。左端與右端之間為隔離開關(guān)多次燃弧模型，下側(cè)Ct支路為動態(tài)變化的斷口電容，上側(cè)RARC支路為動態(tài)變化的燃弧電阻，左端表示系統(tǒng)電源，右端對地電容表示負(fù)荷側(cè)孤島。

測量左端與右端兩點間電壓差（恢復(fù)電壓），通過外部的邏輯判斷模塊與擊穿電壓進(jìn)行比較，若恢復(fù)電壓大于擊穿電壓，邏輯判斷模塊控制燃弧電阻從無限大開始迅速衰減，從而起到接通電路的作用。測量左端與右端間高頻電流衰減完畢后，邏輯判斷模塊控制燃弧電阻又恢復(fù)無限大，起到斷開電路的作用，該次重燃結(jié)束。邏輯判斷模塊進(jìn)入下一個比較恢復(fù)電壓與擊穿電壓的判斷過程，如此循環(huán)，直至分閘過程結(jié)束。

圖6 隔離開關(guān)多次燃弧的仿真電路

2 仿真結(jié)果分析

在系統(tǒng)電源相角為0°時開始分閘，圖7為隔離開關(guān)恢復(fù)電壓與擊穿電壓的關(guān)系，當(dāng)恢復(fù)電壓到達(dá)正極性或負(fù)極性的擊穿電壓值后，發(fā)生擊穿，恢復(fù)電壓瞬時降為零，即圖中的垂直線部分。圖8為負(fù)荷側(cè)末端（End處）VFTO波形，重燃瞬間產(chǎn)生尖峰過電壓，重燃時間極短，電弧熄滅后負(fù)荷側(cè)等效對地電容上的電壓幾乎不發(fā)生改變，因此形成了獨特的“臺階”狀電壓波形。在電壓峰值處，電壓變化速率較慢，重?fù)舸┌l(fā)生概率較小，但產(chǎn)生過電壓幅值較高；工頻電壓過零時，電壓變化速率較快，重?fù)舸┌l(fā)生的概率較大，但過電壓幅值并不高。分閘初期，動靜觸頭間距較小，擊穿電壓也較小，因此VFTO值也較小，且擊穿較頻繁；隨著動靜觸頭間距的增大，擊穿電壓相應(yīng)增大，VFTO值也越來越大，最大的VFTO往往發(fā)生在觸頭拉開一定距離以后，該距離已較大但仍不至于大到擊穿電壓超過2 p.u.，最大VFTO幅值在1.95 p.u.左右。

圖7 隔離開關(guān)擊穿電壓和恢復(fù)電壓波形

圖8 負(fù)荷側(cè)末端（End）VFTO波形

3 結(jié)語

引入間隙利用系數(shù)，介紹了隔離開關(guān)不均勻電場間隙的擊穿電壓計算方法，計算了隔離開關(guān)分閘過程中隔離開關(guān)動靜觸頭不同距離下的擊穿電壓、觸頭間的等效電容。進(jìn)而建立了包含擊穿電壓、燃弧電阻、斷口電容等動態(tài)因素模塊的特高壓GIS隔離開關(guān)多次重燃模型，有利于更準(zhǔn)確地計算多次重燃下的VFTO幅值與波形，為評估VFTO危害性并制定有效的抑制措施提供了可靠依據(jù)。

[1]萬亦如，陳光，陳稼苗.交流特高壓GIS變電站的VFTO研究[J].華東電力，2010，38（7）∶1043-1047.

[2]波爾捷夫.高壓SF6開關(guān)設(shè)備的設(shè)計與計算[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979.

[3]林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M].北京∶機(jī)械工業(yè)出版社，2002.