南保峰，刘轩东，冯 磊，谭向宇，王 科，刘光祺，彭 晶

（1.西安交通大学电气工程学院，西安710049；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217）

GIS中VFTO防护措施研究综述

南保峰1，刘轩东1，冯 磊1，谭向宇2，王 科2，刘光祺2，彭 晶2

（1.西安交通大学电气工程学院，西安710049；2.云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明650217）

近些年来，SF6气体绝缘变电站（GIS）以优异的电气性能在国内外得到了广泛应用，但是运行中隔离开关（DS）的分合闸操作会引起快速暂态过电压（VFTO），对电力设备绝缘造成严重威胁，已经引起了许多电力系统专家与学者的高度重视。国内外学者针对GIS中VFTO防护的问题，从VFTO的产生和传播过程两个方面进行了大量研究，提出了利用快速动作隔离开关、慢速动作隔离开关、分合闸电阻、铁氧体磁环、金属氧化物避雷器等来抑制VFTO的方法。分析了目前所研究的几种主要防护VFTO方法的研究现状，讨论了不同防护措施的优点与不足，得到了相应的研究结论，并指出了VFTO防护后续的研究方向和关键点。

气体绝缘变电站（GIS）；快速暂态过电压；隔离开关；防护措施

0 引言

自20世纪60年代到现在，SF6气体绝缘变电站（gas insulated substation，简称GIS）因具有占地面积较小、可靠性高、运行方便、维护工作量小、检修周期长、运行费用低等优点，得到了迅速发展[1-4]。近年来的运行统计表明，GIS中开关正常操作时会产生快速暂态过电压（very fast transient over-voltage，以下简称VFTO），该电压具有上升时间短、陡度大及幅值高的特点[5-7]。VFTO不仅影响GIS内部的绝缘以及与之连接的二次设备的可靠运行，而且可能引起暂态地电位提高，更为重要的是VFTO对变压器和电压互感器等绕组类设备匝间绝缘的影响，由于VFTO陡度高，在绕组上分布不均匀，导致首端匝间绝缘承受严重的过电压。对于电压等级较低的GIS变电站来说，由于设备绝缘具有较大的裕度，VFTO对设备绝缘的威胁相对较小；随着变电站电压等级的提高，VFTO的幅值相应增大，设备绝缘裕度相对减小，因此VFTO的影响不可忽视。近些年已经发生不少VFTO造成电力系统事故，例如：广东大亚湾核电站、华东天荒坪抽水蓄能电厂和浙江北仓电厂都发生了VFTO引起主变压器主绝缘击穿的电力事故[8-10]。

近些年来，随着VFTO引发的事故越来越多，VFTO的危害及影响已经引起电力系统和电力设备专家和研究学者的高度重视。国外瑞士ABB、日本东芝等公司早已开展了VFTO及其防护措施研究并进行了大量的试验研究；国内中国电力科学研究院、国网武汉高压研究所以及清华大学、西安交通大学等高校近些年来对VFTO的特性及防护措施也开展了广泛的研究。

1 关于VFTO防护措施

从目前的调查可以发现，国内外电力系统中因VFTO发生电力设备故障的概率是很大的，VFTO对运行设备的安全威胁不容忽视。近年来随着我国电力系统的不断发展，电网的电压等级逐步提高，GIS设备应用的逐步广泛，对于电力系统的安全可靠稳定的要求也越来越高。GIS及主变压器等设备的造价也越来越高，发生VFTO引起的绝缘损坏事故后需要较长的时间来修复，对整个国家的经济利益带来很大的损失，因此通过开展对GIS中VFTO的防护措施研究，可以为GIS的安全可靠运行，乃至整个电力系统的稳定发展，都具有十分重要的意义。

考虑VFTO的产生机理及危害，可以从3个方向对其进行防护，一方面可以从隔离开关入手，即从源头上减少VFTO的产生；另一方面，可以在VFTO传播过程中采用不同的措施来降低系统中的VF⁃TO，主要是滤波与阻尼两种方法；最后，考虑到VF⁃TO的影响，可以对绝缘较薄弱的地方增大绝缘强度，从而起到保护的作用。

2 隔离开关处抑制VFTO产生

GIS中隔离开关的两极一般都是插入式的同轴圆柱体，见图1，造成分合闸速度变慢（大约1ms/s数量级）。隔离开关分合母线时，由于触头的运动速度慢，加上开关本身的灭弧性能差，导致触头间隙会发生多次重燃或预击穿，形成阶跃电压行波通过GIS以及与之相连的电力设备传播，由于GIS尺寸相比同电压等级的敞开式变电站明显较小，阶跃电压行波在每个阻抗突变处产生多次折反射，使得波形严重畸变，形成快速暂态过电压，即VFTO[1-2]。降低VFTO产生，可以通过减少VFTO产生次数、降低VF⁃TO幅值两个方面来实现。

图1 隔离开关示意图Fig.1 Schematic diagram of disconnector switch

2.1 减少VFTO产生

快速动作隔离开关：日本东芝公司最早开始通过实验并进行设计快速动作隔离开关，在电力系统中应用广泛。近些年来，国内平高电气公司与日本东芝公司合作对快速动作隔离开关进行研究并投产运营第一批国产快速动作隔离开关。由VFTO的产生机理可知，使用快速动作隔离开关可缩短隔离开关的切合时间，从而减少重燃弧的次数，降低VF⁃TO出现的次数。一般的电动操作机构的分合速度不能满足这一要求，现在的快速动作隔离开关大都采用弹簧储能的操作机构，在需要操作时弹簧脱扣，所储存的能量迅速释放，带动接地基本单元的动导电管高速射向隔离开关的静触头，使开关瞬间合闸，分闸时也是如此。使用快速动作隔离开关可以减少VFTO发生的次数，但并不能完全解决VFTO带来的问题。另一方面，使用快速动作隔离开关需要引入其他的电路设备，使电力系统的控制回路更加复杂，从而引起整个电力系统的故障率增加。

2.2 降低VFTO幅值

1）慢速动作隔离开关：尽管快速动作隔离开关可以减少VFTO产生的次数，进而降低对电力设备的危害，然而近些年来的研究表明：慢速动作隔离开关在进行分合闸操作时，虽然隔离开关断口两端重燃弧的次数增加，但是由于两次重燃弧的间隔时间变长，使得母线侧的断口端的残余电荷泄漏量增多，断口两端的压差减少，从而使重燃弧时VFTO的幅值减小。瑞士ABB公司对隔离开关动作速度进行实验，实测结果表明，99%的残余电压在0.4 pu附近（隔离开关动作速度小于0.3 m/s），随着操作速度的提高，残余电压增大。当隔离开关动作速度超过1m/s，残余电压急速增大[11]，结果见图2。国网武汉特高压研究所对快速隔离开关（2.75 m/s）与慢速隔离开关（0.54 m/s）动作时的断口残余电荷电压进行统计，同样发现慢速隔离开关的残余电压要低得多，采用慢速隔离开关产生的VFTO要低很多[12]。统计结果见图3。快速隔离开关与慢速隔离开关各有优劣，对于哪种隔离开关性能更优还需要进一步研究。

图2 ABB隔离开关速度实验结果Fig.2 Switching speed results of disconnector switch in ABB

图3 武汉高电压研究院统计结果Fig.3 Statistics in Wuhan High Voltage Research Institute

2）隔离开关加装分合闸电阻：自20世纪80年代起，日本东芝公司率先研究在超高压、特高压电力系统中采用隔离开关并联阻尼电阻来限制VFTO，其原理是当隔离开关进行分合闸操作时，先串入电阻，利用其阻尼作用来使行波上升时间下降、幅值降低。在主触头闭合时，并联电阻被短路，不接入回路，在触头击穿发生重燃弧时，电阻接入电路中，在触头完全断开时，电弧熄灭，并联电阻不接入电路中。日本东芝公司提出隔离开关并联合闸电阻来限制VFTO的措施并进行实验验证后，接连生产了完整系列的快速动作隔离开关并配备有分合闸电阻。我国兰州东的750 kV超高压示范工程隔离开关均带有并联电阻；日本的1 000 kV输电系统中，GIS隔离开关就采用装设500 Ω并联电阻来限制VFTO；我国特高压试验工程的长治站和南阳站也都采用了该方案，在隔离开关上装设500 Ω的并联电阻来限制VFTO。中国电科院相祖涛等人对晋东南-南阳站的特高压GIS输电系统进行仿真研究，得出隔离开关加装200 Ω的并联电阻可将VFTO幅值降低到1.5 pu一下，当合闸电阻为500 Ω时，幅值降低为1.25 pu[13-14]。但是加装分合闸电阻会使隔离开关结构变得复杂，考虑到GIS内部的电场均匀问题，GIS管道直径必将扩大很多，使设备整体体积变大，带来大幅度增加成本的难题；而且装设合闸电阻会带来潜供电流增大，单相对地闪络电弧燃弧时间长的问题。图4是隔离开关加装分合闸电阻的机构示意图，图5为电气原理图。

图4 隔离开关带阻尼电阻结构示意图Fig.4 Structure diagram of disconnector switch with a damper resistor

图5 隔离开关加装分合闸电阻等效电路图Fig.5 Equivalent circuit diagram of disconnector switch attached with closing resistors

3 抑制VFTO传播

在GIS中限制VFTO的传播，从电路原理上来看，主要有阻尼与滤波两种方法。

1）铁氧体磁环：国内电力专家最早提出采用磁环抑制VFTO的设想，这种想法是参考了电子电路中利用小型磁环对高频电磁干扰进行抑制的方法。从原理上讲，铁氧体材料是高频导磁材料，将铁氧体磁环套在GIS隔离开关两端的导电杆上，能够改变导电杆局部的高频电磁参数，相当于在开关断口和空载母线间串入了一个阻抗。应用变压器原理来看，将铁氧体磁环所套母线当做变压器原边，磁环内部的损耗当做变压器副边损耗，铁氧体磁环的作用可等效为电阻Rd、电感Ld共同对VFTO产生作用。清华大学刘卫东等人利用252 kV GIS试验系统对铁氧体磁环的抑制作用进行了研究，试验表明：磁环对VFTO的抑制效果非常明显，如当磁环串的长度为0.5 m时，VFTO的幅值已经从不加磁环的1.6倍降低到了1.1倍，随着磁环串长度的增加，抑制效果不再明显增加。实验还表明：同样尺寸的铁氧体磁环对VFTO的抑制效果优于非晶磁环，这是由于铁氧体的磁化曲线饱和点要比非晶磁环大很多，其实验原理图见图6[15-18]。中国电力科学研究院陈维江等人也对铁氧体磁环对VFTO的抑制效果进行了实验研究，得到了相似的结果，并且尝试通过有限元分析软件对磁环进行电路仿真，得到了铁氧体磁环的一阶、二阶和高阶模型，见图7。但是由于缺乏磁环的精确磁导系数和磁滞系数，难以得到精确计算模型。另外，铁氧体磁环虽然相对于非晶磁环性能较优，但是也存在容易饱和的缺点，如在超高压及特高压输电系统中运用，其体积要求制作的非常庞大，这样会造成GIS整体尺寸增大，大大地增加了设备成本，不利于整体设备的经济性，因此对磁环应用至实际电力系统尚需进一步探究。

图6 铁氧体磁环抑制VFTO实验回路Fig.6 Test circuit of VFTO inhibition with ferrite rings

图7 铁氧体磁环一阶、二阶及高阶电阻电感并联模型Fig.7 The first，second and high order resistance of the inductor parallel model of the ferrite rings

2）金属氧化物避雷器：20世纪90年代，IEC TR60071-4指出，在GIS中避雷器仿真模型可以简单地表示为对地电容。目前对于MOA在VFTO作用下的模型分析，国内外已进行了大量的实验研究，如CIGRE、日本东芝公司、IEEE、日本学者IKmo King都通过实验验证，提出了不同的MOA模型[19]。中国电科院李志兵等、西安交通大学张桂红、陈洁等也都通过实验对各种模型进行了验证[20-21]，结果表明：虽然不同模型在VFTO作用下尚且不是完全准确，但是MOA对VFTO的抑制作用却很明显。考虑到GIS中一般MOA的连接方式，相当于串联了一个较大的电感，使得MOA的响应时间一般在微秒级别。由于具有不同排列及连接方式，MOA对VFTO的抑制效果的讨论尚需进一步研究。

4 其他措施

近些年来有人提出采用接地开关泄放残余电荷的方法降低VFTO。研究表明，接地开关动作能将VFTO的幅值降低在2 pu以下，但是这种方法仅适用于隔离开关最后一次重燃弧过程结束后，对于隔离开关在多次重燃弧过程中，则没有办法实现，因此应用范围十分有限，一般仅用在系统短路故障时重合闸的情况下。

也有学者提出改变运行操作程序减少VFTO的概率和取消高压侧隔离开关来减少VFTO对变压器影响的想法，这要视具体情况而定[1-2]。

对于二次设备的保护，有学者提出在二次设备的入口处加装高频滤波器，或者采用屏蔽措施，以减小VFTO对二次设备的危害，这与通信系统防护高频干扰原理十分相似[2]。

有学者提出，在保持电场均匀度、隔离开关绝缘强度的前提下，适当地增加触头间的不对称度，以降低残余电荷的积聚量。这样做，一方面可以减少重燃弧过程，降低过电压幅值；另一方面可以减少分布在绝缘体表面的自由导电粒子，从而减弱其对绝缘强度的削弱。

如前所述，目前已有很多学者针对GIS中VFTO的防护措施进行了大量的实验研究，但是普遍都是以单一防护措施进行研究，对于VFTO的防护没有从系统本身出发，考虑不同防护措施相互之间的配合，从而达到最优的防护效果。因此，从这个角度出发，有必要针对以上问题，进一步深入开展VFTO防护措施的研究。

5 结论

由于具有优异的电气性能，GIS在电力系统中广泛应用，但隔离开关操作会带来VFTO，对GIS设备绝缘带来很大威胁。

关于VFTO的防护措施研究，国内外进行了大量的工作，主要是从VFTO的产生和传播两个方面进行防护。

从VFTO的产生方面入手，快速动作隔离开关、慢速动作隔离开关、分合闸电阻均对VFTO的产生有很大的抑制效果，虽然有各自的不足，但在电力系统中利大于弊，可投入运行。

GIS中抑制VFTO传播的方法主要有加装铁氧体磁环、MOA等。铁氧体磁环对VFTO的抑制效果非常明显，但是参数计算复杂，而且会使GIS结构尺寸变大。MOA本身对VFTO有一定的抑制作用，但是考虑到排列与连接方式，抑制效果降低。关于铁氧体磁环与MOA在抑制VFTO的实际运行中还需进一步研究。

接地开关、操作程序、二次设备安装保护滤波器等方法，原理简单，在实际电力系统中，可视情况而定。

随着电力系统的发展，关于不同VFTO防护措施之间的配合问题，仍需进一步深入研究。

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Review of Research on VFTO Protective Measures in GIS

NAN Baofeng1，LIU Xuandong1，FENG Lei1，TAN Xiangyu2，WANG ke2，LIU Guangqi2，PENG Jing2
（1.Xi′an Jiaotong University，Xi′an 710049，China；2.Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming 650217，China）

Recent years，gas insulated substation（GIS）has been widely used at home and abroad，due to its great electrical properties，but disconnector switch（DS）closing and opening operation may cause the very fast transient overvoltage（VFTO），which seriously threaten the insulation of power equip⁃ment，and has caused attention of many power system experts and scholars.To suppress VFTO for GIS，domestic and international scholars have a large study from the generation and propagation of VFTO two aspects，which proposed the use of fast action disconnector switch，slow action disconnector switch，open⁃ing and closing resistors，the ferrite rings，MOA，etc.This paper analysis of the current status of re⁃search studies of several major protective VFTO methods discussed the advantages and disadvantages of various protective measures，to give the corresponding conclusions，and point out the direction of future research VFTO protection and key points.

gas insulated substation（GIS）；very fast transient over-voltage（VFTO）；disconnector switch（DS）；protective measures

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.06.014

2016-08-08

南保峰（1991—），男，硕士，主要研究方向为电力系统过电压计算。