隋文婧，馬一丁

(新東北電氣集團(tuán)高壓開關(guān)有限公司，遼寧 沈陽 110027)

隔離開關(guān)開合母線充電電流瞬態(tài)過電壓影響淺析

隋文婧，馬一丁

(新東北電氣集團(tuán)高壓開關(guān)有限公司，遼寧 沈陽 110027)

隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，電力設(shè)備需求量逐年增加，氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備增量迅猛。隔離開關(guān)作為其主要單元，運(yùn)行的長期性和穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵，其中瞬態(tài)過電壓對隔離開關(guān)的影響得到了越來越多的關(guān)注。重點(diǎn)介紹了瞬態(tài)過電壓的種類，其各自的產(chǎn)生原理、主要特點(diǎn)和典型危害。以800kV GIS隔離開關(guān)為典型實(shí)例，介紹了為耐受瞬態(tài)過電壓而進(jìn)行的特殊設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)對該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行考核，試驗(yàn)結(jié)果表明，特殊設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。另外還提出了一些其他的預(yù)防措施和方法。

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)；隔離開關(guān)；快速瞬態(tài)過電壓(VFTO)；瞬態(tài)殼體電壓(TEV)

1 引言

隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整步伐的加快，各行業(yè)對電力的需求不斷增長，電力設(shè)備的需求量也逐年增加。氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(以下簡稱GIS)以其占地面積小、集成化程度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、維護(hù)簡單易學(xué)、抗震性能高等優(yōu)點(diǎn)得到廣大用戶的青睞。

隔離開關(guān)作為GIS的重要組成單元在整套GIS中大量使用，他的穩(wěn)定可靠對GIS的影響極大。隨著電站規(guī)模的不斷擴(kuò)大、線路長度的逐漸變長、電網(wǎng)互聯(lián)的交錯復(fù)雜，隔離開關(guān)的操作越來越頻繁，而操作過程中形成的瞬態(tài)過電壓可能對一次設(shè)備、二次設(shè)備、電力系統(tǒng)和運(yùn)行維護(hù)人員造成傷害。

2 瞬態(tài)過電壓的種類

對電氣設(shè)備和運(yùn)行維護(hù)人員危害最大的瞬態(tài)過電壓有兩種：快速瞬態(tài)過電壓(very fast transient overvoltage,以下簡稱VFTO)和瞬態(tài)殼體電壓(transient enclosure voltage，以下簡稱TEV)。

3 快速瞬態(tài)過電壓(VFTO)

VFTO是斷路器、隔離開關(guān)或接地開關(guān)操作以及發(fā)生單相接地故障產(chǎn)生的，其中隔離開關(guān)操作是其產(chǎn)生的主要原因。隨著電壓等級提高，GIS設(shè)備的雷電沖擊耐受電壓與VFTO間的裕度減小，在超高壓和特高壓系統(tǒng)更為突出。

3.1 產(chǎn)生原理

GIS中隔離開關(guān)操作空載短母線時，由于觸頭運(yùn)動速度較慢，造成隔離開關(guān)斷口間隙多次重燃，產(chǎn)生陡變的行波，在GIS波阻抗變化的節(jié)點(diǎn)發(fā)生多次折反射和疊加，形成VFTO。VFTO的產(chǎn)生原理見圖1，圖中，US為電源電壓值；UI為殘余電壓值；UP為VFTO幅值。

圖1 VFTO的產(chǎn)生原理

3.2 主要特點(diǎn)

(1)VFTO上升時間短，少至數(shù)ns，主要頻率為幾MHz至幾十NHz，最高頻率可達(dá)100MHz。

(2)VFTO幅值的范圍一般為1.5～2.8p.u.，理論上計(jì)算得到的幅值最大值接近或超過3.0p.u.。

3.3 典型危害

(1)電弧多次復(fù)燃，當(dāng)觸頭屏蔽設(shè)計(jì)不良時，可能出現(xiàn)電弧漂移接地(見圖2)，形成接地故障；

圖2 電弧漂移接地

(2)由于電弧多次復(fù)燃，電弧產(chǎn)生的高溫和導(dǎo)電粒子使隔離開關(guān)觸頭部位對地絕緣強(qiáng)度下降，在VFTO作用下發(fā)生對地閃絡(luò)，進(jìn)而引發(fā)接地故障；

(3)當(dāng)GIS的絕緣支撐件表面附有導(dǎo)電粒子或GIS導(dǎo)體表面有尖角、毛刺時，產(chǎn)品耐受VFTO的能力下降；

(4)VFTO傳導(dǎo)到變壓器，也可能造成其絕緣破壞。

4 瞬態(tài)殼體電壓(TEV)

TEV是在GIS外殼和地之間出現(xiàn)的陡波前過電壓，是由于階躍電壓行波在外殼的各個斷點(diǎn)處(即與電纜或架空線的連接處)的折射引起的。該電壓對二次設(shè)備的影響尤為明顯。

4.1 產(chǎn)生原理

GIS母線導(dǎo)體和母線外殼構(gòu)成傳輸線①，母線外殼和地面構(gòu)成傳輸線②,當(dāng)內(nèi)部行波傳播到氣體和空氣套管時(即傳播在傳輸線①上)，一部分電磁場被耦合到GIS外殼和地的傳輸線②上形成TEV。TEV的產(chǎn)生原理見圖3。

圖3 TEV的產(chǎn)生原理

TEV的峰值取決于外殼離地面的高度、外殼與接地系統(tǒng)的連接方式及接地系統(tǒng)本身。

4.2 主要特點(diǎn)

(1)TEV的幅值為0.05～0.25p.u.，主要頻率為5～10MHz，持續(xù)時間達(dá)數(shù)ms。

(2)TEV在GIS周圍二次設(shè)備中產(chǎn)生電磁干擾。GIS外殼附近的電場強(qiáng)度一般為10kV/m，磁場強(qiáng)度幅值為數(shù)十A/m。

4.3 典型危害

(1)TEV將影響二次設(shè)備的絕緣，并對測量控制設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，造成二次設(shè)備的誤動作。

(2)GIS外殼多距離地面較近，人可觸及的部位較多，產(chǎn)生的TEV可能危及人身安全。

5 800kVGIS隔離開關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)例

800kVGIS作為我國西北地區(qū)的主干電網(wǎng)，在國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略不斷深化的背景下得到了快速的發(fā)展。我公司作為國內(nèi)800kVGIS電氣設(shè)備三大供應(yīng)商之一，有義務(wù)為西北電網(wǎng)提供安全、可靠、保證長期穩(wěn)定運(yùn)行的產(chǎn)品。因此，在產(chǎn)品開發(fā)初期我們就注意到了瞬態(tài)過電壓對隔離開關(guān)的影響，除了常規(guī)的新產(chǎn)品設(shè)計(jì)外，我們還從電場結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)和特殊工藝三大方面加以保證。

5.1 電場結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超高壓和特高壓GIS中的隔離開關(guān)發(fā)生對地閃絡(luò)的主要原因是其額定雷電沖擊耐受水平和額定電壓之比不夠高，耐受不住瞬態(tài)過電壓。本次在進(jìn)行靜態(tài)電場設(shè)計(jì)時，首先保證了設(shè)計(jì)場強(qiáng)值滿足許用場強(qiáng)值要求，800kV額定絕緣水平見表1。此外，還通過電場進(jìn)一步優(yōu)化，降低了產(chǎn)品的最大場強(qiáng)值。即所有部位在各種雷電沖擊加壓方式情況下，最大值不超過25kV/cm，各部位電場云圖見圖4。

表1 額定絕緣水平

圖4 隔離開關(guān)屏蔽罩電場分布云圖

為了防止電弧漂移接地，本次設(shè)計(jì)的屏蔽罩特殊加大了頭部尺寸。為保證電場結(jié)構(gòu)安全，隔離開關(guān)罐體也由原來的直筒結(jié)構(gòu)改為類似的“扁球形”結(jié)構(gòu)以配合加大的屏蔽罩頭部結(jié)構(gòu)。

5.2 動力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隔離開關(guān)發(fā)生對地閃絡(luò)的另一原因是斷口發(fā)生多次重燃，觸頭部位對地絕緣強(qiáng)度下降。為減少重燃次數(shù)，將隔離開關(guān)分合閘速度由一般的0.1m/s提高到0.25m/s，并對本體結(jié)構(gòu)剛度重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣重燃次數(shù)可以減少50%以上。

圖書的形態(tài)從長形式演變成長形式與網(wǎng)形式的結(jié)合，使傳統(tǒng)的長形式圖書在保持自身特有優(yōu)勢的基礎(chǔ)上又兼具了網(wǎng)形式的功能，延伸了圖書的產(chǎn)業(yè)鏈，圖書的商業(yè)價值與閱讀價值均得到了較好體現(xiàn)。

為了提高分合閘速度，對隔離開關(guān)的動力系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。第一，提高電機(jī)的額定功率和額定轉(zhuǎn)速增加了動力輸出；第二，設(shè)計(jì)了全新的傳動環(huán)節(jié)，通過更改齒輪的齒形和模數(shù)達(dá)到了高速、穩(wěn)定傳動的目的；第三，通過提高輸出級齒輪傳動比和更改齒輪材料、模數(shù)的方法，達(dá)到最終提高分合閘速度的目的。

5.3 特殊工藝設(shè)計(jì)

隔離開關(guān)斷口發(fā)生多次重燃，導(dǎo)致觸頭部位對地絕緣強(qiáng)度下降的原因除了速度問題還有工藝問題。隔離開關(guān)的觸頭一般為純鋁或純銅結(jié)構(gòu)，正常高電壓等級可以滿足要求，本產(chǎn)品為了減少斷口多次重燃對觸頭的燒損，觸頭頭部采用了斷路器中引弧觸頭增加銅鎢結(jié)構(gòu)的燒結(jié)工藝，提高了觸頭的耐燒蝕程度，減少了分解物的產(chǎn)生。動靜側(cè)引弧觸頭見圖5。

圖5 動靜側(cè)引弧觸頭

6 隔離開關(guān)開合母線充電電流試驗(yàn)

為了證明新研制的800kVGIS隔離開關(guān)能夠滿足瞬態(tài)過電壓的使用工況，我公司于2014年初在西安高壓電器研究院進(jìn)行了開合母線充電電流的其中兩個方式試驗(yàn)：試驗(yàn)方式(1)為非常短的母線(管)段的開合；試驗(yàn)方式(2)為在180°失步條件下對斷路器并聯(lián)電容器的開合。

6.1 試驗(yàn)依據(jù)

本次試驗(yàn)依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)為GB 1985-2004 高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)。其中試驗(yàn)回路原理圖見圖6，圖中，DT為被試隔離開關(guān)；DA為輔助隔離開關(guān)；CP為斷路器并聯(lián)電容器或等效電容器。

試驗(yàn)實(shí)施過程如下：方式(1)在DT開始合閘操作之前，先合DA，DA負(fù)載側(cè)施加規(guī)定的直流電壓數(shù)值，保持1min后分開DA，然后進(jìn)行DT合閘-分閘操作；方式(2)直接在回路中串聯(lián)800kVGIS斷路器。試驗(yàn)參數(shù)見表2，表中：Ur——額定電壓。

圖6 試驗(yàn)回路原理圖

表2 關(guān)合和開斷試驗(yàn)的試驗(yàn)電壓

按照GB 1985-2004的要求，在每個試驗(yàn)方式的整個試驗(yàn)系列中隔離開關(guān)不應(yīng)檢修和調(diào)整。我公司產(chǎn)品在本次試驗(yàn)中進(jìn)行了加嚴(yán)考核，試驗(yàn)方式(1)和試驗(yàn)方式(2)連續(xù)進(jìn)行，中間未進(jìn)行檢修和調(diào)整，各進(jìn)行了50次的合閘-分閘操作。

為了全面反應(yīng)GIS開關(guān)設(shè)備在試驗(yàn)中各個位置的TEV分布情況，特設(shè)置了多處TEV測量點(diǎn)。

6.3 試驗(yàn)結(jié)果

按照試驗(yàn)方式(1)進(jìn)行操作的合閘過電壓典型示波圖見圖7(a)，過電壓為2.1倍的p.u.；按照試驗(yàn)方式2進(jìn)行操作的合閘過電壓典型示波圖見圖7(b)，過電壓為2.6倍的p.u.；TVE的測量極值出現(xiàn)在控制柜的外殼上，發(fā)生在試驗(yàn)方式(2)的過程中，典型示波圖見圖7(c)，最大值為25.27kV。

7 結(jié)論

通過隔離開關(guān)開合母線充電電流試驗(yàn)方式1和試驗(yàn)方式2的考核，證明800kVGIS隔離開關(guān)在耐受瞬態(tài)過電壓方面的能力是經(jīng)得起試驗(yàn)驗(yàn)證的。VFTO的最大值為2.6倍的p.u.，在理論計(jì)算的范圍內(nèi)；TVE的最大值為25.27kV，實(shí)際工程中是可以控制的。

試驗(yàn)后動靜側(cè)引弧觸頭的燒損情況見圖8。

圖7 典型示波圖

圖8 動靜側(cè)引弧觸頭燒損情況

從試驗(yàn)結(jié)果來看，800kVGIS隔離開關(guān)有針對性的特殊設(shè)計(jì)起到了良好的效果。觸頭的重燃次數(shù)已大量減少；觸頭的燒損程度已相當(dāng)輕微；試驗(yàn)過程中也未發(fā)生電弧漂移接地的情況。

從測試結(jié)果來看，TEV峰值在控制柜外殼處最大。為了提高控制設(shè)備的抗干擾能力，在提高其自身抗干擾能力的同時還應(yīng)該選取距離隔離開關(guān)以及斷路器較遠(yuǎn)的位置安裝控制柜；同時控制柜的接地最好能夠與開關(guān)設(shè)備共用一個底架，并確保底架的良好接地。

[1] GB 1985-2004.高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)[S].

[2] 邱關(guān)源.電路[M].北京：高等教育出版社，1999.

[3] 黎斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[4] 陳維江，顏湘蓮，王紹武，等.氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中特快速瞬態(tài)過電壓研究的新進(jìn)展[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011,31(31):1-11

[5] 林莘.現(xiàn)代高壓電器技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

Analysis of Transient Overvoltage Influence of Disconnector Switching Bus-charging Current

SUIWen-jing,MAYi-ding

(New Northeast Electric Group High Voltage Switchgear Co.Ltd.，Shenyang 110027,China)

The quickening pace of industrial structure adjustment, the demand of electric power equipment increases year by year, gas insulated metal enclosed switchgear increment rapid. Disconnector as the main unit, it is important to run long-term and stability, in which the transient overvoltage effect on disconnector got more and more attention. This paper mainly introduces the types of transient overvoltage, their respective principles, main characteristics and typical hazards. In a 800 kV GIS disconnector as a typical example, this paper introduces the transient overvoltage for tolerance of special design, and through the test to examine the structure of the design, the test results show that the special design achieved the expected result. Also put forward some prevention measures and methods of the other.

gas insulated metal enclosed switchgear(GIS);disconnector;fast transient overvoltage(VFTO);transient enclosure voltage(TEV)

1004-289X(2015)03-0001-04

TM56

B

2014-11-24

隋文婧(1982-)，女，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)從事高壓開關(guān)設(shè)備的開發(fā)與設(shè)計(jì)工作； 馬一丁(1984-)，男，碩士學(xué)位，現(xiàn)從事高壓開關(guān)設(shè)備的開發(fā)與設(shè)計(jì)工作。