高电压GIS中VFTO的测量技术

摘 要：随着全封闭式气体绝缘变电站（Gas Insulated Substations，简称GIS）的广泛应用，GIS中的VFTO问题将成为目前GIS安全运行中越来越重要的问题。现对VFTO测量技术研究如下。

关键词：高电压GIS VFTO的测量 安全运行

中图分类号：TM201.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0125-01

电能是国家的经济命脉，关乎人们的日常生活。近年来，我国电力工业发展迅速，电压等级也得到不断的提高，使得全封闭式气体绝缘变电站（Gas Insulated Substations，简称GIS）应用越来越广泛。GIS—气体绝缘变电站，与传统的空气绝缘变电站（AIS）对比，采用了绝缘性能和灭弧性能较高的六氟化硫（SF6）气体作为绝缘和灭弧介质，并所有高压电器设备密封在接地金属筒中（将除变压器、架空线以外）。目前国外内GIS运行的电压等级有126 kV，252 kV，363 kV，550 kV，800 kV等。然而，随着电网的运行、电压的提高能及GIS的广泛应用，一些问题显露出来，GIS隔离开关接地开关和断路器在例行操作时，极易产生频率极高、波头极陡的快速暂态过电压VFTO（VeryFast Transient Overvoltage），这不仅会在GIS主回路引起对地故障，还会导致相邻设备的绝缘损坏。目前，为了解决这种过电压给设备运行带来的安全隐患，开始研究既能准确测量工频又能准确测量上百兆赫高频信号的宽频带VFTO测量系统，达到准确的得到VFTO的幅值及频率特性的目的。

1 VFTO的产生与危害

VFTO指波前时间在3～100 ns范围内的瞬态过电压。GIS内部的开关在进行关合和开断母线电容电流时，能够产生多次复燃，致使触头间隙两端的电压在瞬间几纳秒内突然跌落， 由于GIS结构紧凑，各元件间距较小而且节点较多，该电压陡波在GIS内产生行波后进行反复的传播，从而发生错综复杂的折射、反射和叠加，最后形成的GIS中含有高频、特高频分量的VFTO。其中，负载开关与断路器的运动速度很快，关合开断电流时发生复燃机率较小，引起的暂态过电压对GIS危害也比较小；而隔离开关动动速度较低，小电容电流关合开断时，会发生数十次甚至数百次的复燃，电弧的每次重燃都会引起一次高频振荡，所以隔离开关操作是引起GIS内部的VFTO的主要原因。VFTO能作用于GIS内部导体和壳体之间，危及GIS设备及与其相连的设备；传播到GIS外部引起GIS的壳体电位升高或是形成向外辐射的电磁波，对敏感的二次设备造成危害。近年来，随着运行电压及GIS内气压的提高，由于隔离或接地开关以及断路器操作造成的VFTO越来越严重。隔离开关切合小电容电流时的重击穿造成电压快速变化，会在GIS同轴母线中产生VFTO，这类过电压幅值高（最高达2.5 p.u.）、上升时间短（最小达数ns），对设备的危害极大。

2 VFTO测量方法

VFTO的测量难点在在于：脉冲波形很陡、频带宽，对测量系统要求较高；加上GIS本身对测量系统要求特殊，既要保证GIS的正常运行同时又不能改变GlS内部的电场分布，还要便于安装和移动。现讨论如下。

2.1 内部测量方法

对GIS内部的VFTO测量，主要通过下面两种方法获取过电压信号：（1）使用内置电场探头获取过电压信号，例如将无阻传感器直接连接到GIS断路器端盖上。其中，高压臂由GIS的高压母线与电容探头的上极板构成；低压臂由电容探头通过绝缘介质与GIS管壳构成，所测得的陡波前过电压为安装传感器点的电压值。此种方法的缺点是试验布置程序相对繁琐，不易测量。（2）使用外置传感器获取过电压信号，如使用微积分测量系统测量VFTO，在盆式绝缘子表面加装测量电极，再通过微积分电路引出信号。此种方法无需改变GIS的结构，对其内部电场分布也不会受到影响；同时可在多处安装测量电极，多点测量VFTO。此方法的不足之处是对测量电极有一定的要求，过宽或过窄都不适宜，须有经验的人员进行测量，与内置式传感器比较，其抗干扰能力较差。

2.2 外部VFTO测试方法

对于外部VFTO的测量，目前，外通常采用以下两种方法获取过电压信号，（1）通过电场探头。如J Christian等人采用电场传感器在变压器的高压入口处对外部VFT0进行测量，经过多次的测试，得到幅值1.5～2.5 p.u，频率在60 MHz内，由主变侧DS操作引起的电压峰值最大，尤其是与之相连的母线处。（2）通过电容分压器，虽然该类分压器对稳态和暂态波形的响应特性都不错，但是除了考虑交流冲击和阻抗匹配等问题以外，还需要考虑设备费用的问题。通常是利用已有的电网设备，在不增加电网一次设备能够保证系统安全运行的情况下，实现对VFTO的测量。对110 kV以上电器设备中，可埋有测量屏用于监测套管，在变压器套管末屏接上一个低压电容，形成一个电容分压器。西北电力试验研究院王森等人采用此方法对西安供电局高新北变电站110 kV的GIS投切空载主变时的VFTO进行了测量，结果显示：过电压幅值达2～2.5 p.u.频率达12.5 MHz。

3 结论

（1）近年来，随着我国国家电网1000 kV GlS的投入和运行，GIS中的VFTO问题成为GIS安全运行的越来越重要的问题，需要适当的方法去避免。所以，对VFTO测量技术的研究具有非常重要的意义。

（2）高电压G1S VFTO测量难点在于，其测量系统要求不改变GIS内部的电场分布，并且不能影响GIS测试件的绝缘强度。而内置传感器的优点是抗干扰性能好，灵敏度高；不足之处是需要提前安装，且会改变GIS内部电场分布。对于制造安装的要求较高，建议可将传感器安装在GIS舱盖板里面，使传感器的平板与外壳的内面平齐来降低GIS电场分布的影响；外置传感器的优点是安装灵活、对系统正常运行无影响、安全性较高，不足之处是灵敏度、抗干扰能力较差，建议可采用光纤测量系统来提高绝缘水平和抗电磁感应干扰能力。

参考文献

[1] 叶红豆.GIS中VFTO测量方法初探[J].科技创新导报，2012（6）：84.

[2] 金立军，郑元兵，彭格，等.抑制GIS中VFTO的铁氧体的特性研究[J].电工技术学报，2006（4）：7-10.

[3] 李环，李永林.GIS中VFTO过电压的数值分析[J].华通技术，2006（3）：8-13.

[4] 甘祥根，金立军，陈丽红，等.抑制GIS中VFTO的铁氧体特性参数分析[J].高电压技术，2004（9）：24-26.