VFTO抑制措施仿真研究

王 宇 许卫东 娄 杰

（1．山东电力工程咨询院有限公司 2．山东大学电气工程学院）

0 引言

由于GIS中隔离开关的分合闸速度较慢，在切合容性电流时开关触头间会发生预击穿和多次重燃，形成上升时间很短的冲击波。因GIS中各部件的波阻抗不同，经过GIS内部经过多次反射、折射，形成特快速暂态过电压（Very Fast Transient Over voltage，以下简称VFTO）。如主变高压侧通过油气套管直接与GIS 相连，在隔离开关投切空载母线的例行操作时产生的快速暂态过电压将进入变压器并在绕组中传播，较大的振荡幅值可能对变压器的匝绝缘造成损害，从而引起绝缘击穿。

由于厂区地形以及安装空间受限等因素，大唐彬长发电厂的主变压器与750kV GIS 采用油—气套管直连方式，操作GIS隔离开关存在变压器高压侧匝间绝缘损坏风险。相对常规电站中500kV或220kV电气设备， 750kV 等级的电气设备的绝缘裕度更小，VFTO引起设备绝缘疲劳积累造成损坏的风险也更大。本文以大唐彬长发电厂为案例，利用ATP-EMTP搭建仿真模型，研究隔离开关操作引起的VFTO，并得到GIS隔离开关、变压器入口处等位置过电压波形，提出对能够抑制VFTO 的措施，并分析抑制措施对VFTO 的限制效果和对变压器匝间绝缘寿命的保护作用。

1 仿真模型和参数

大唐彬长发电厂升压站采用3/2 接线方式，其中4 回进线分别连接4 台750kV 主变（其中一期和二期主变额定容量分别为600MVA 和1000MVA），2 回750kV出线，组成3个完整串，共9台断路器。

本文中发电厂升压站采用“一线一变”的运行方式，在关合母线侧隔离开关的条件下仿真，此时隔离开关断口处的电压差最大，产生的VFTO 最为严重，由ATP的建立的仿真电路模型如图1所示。

图1 大唐彬长发电厂仿真模型

2 仿真波形分析

将各元件等效参数代入图1 所示模型，仿真得到隔离开关各侧、变压器入口和GIS 母线等处的VFTO波形和频谱。

通过上述模拟仿真结果可以看出，GIS 母线端部VFTO 幅值和频谱最高，其原因是过电压在母线末端多次折射叠加，而距离母线较远位置，回路中分支母线自身的阻抗对VFTO 产生了一定抑制作用。另一方面，回路中分支母线对地电容对高频波谱也起到一定滤波效果，所以在变压器入口处的VFTO 幅值最低，并且高频电压波也较少。

根据《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》（GB/T 50064—2014），电气设备相对地绝缘与VFTO 的绝缘配合应符合下式的要求：

式中，ul.i为电气设备雷电冲击耐压要求值；Utw.p为过电压水平；电气设备相对地绝缘VFTO 配合系数，取1.15。统计各设备处VFTO 幅值如下表，结合式（1），与电气设备雷电冲击耐压要求值做对比。

从上表可知，各设备处VFTO 幅值均不超过规范要求的上限，但从图2-9 可以看出，VFTO 波形陡度过高，当变压器与GIS 之间通过油气套管相连时，可能对变压器匝间绝缘造成损害，因此GB/T 50064—2014 中建议，避免引起危险的操作方式或在隔离开关加装阻尼电阻。

图2 隔离开关变压器侧VFTO波形

图3 隔离开关负载侧VFTO波形

图5 母线端部处VFTO波形

图6 隔离开关变压器侧VFTO频谱

图7 隔离开关负载侧VFTO频谱

图8 变压器入口处VFTO频谱

图9 母线端部处VFTO频谱

图11 隔离开关变压器侧VFTO波形

图12 隔离开关负载侧VFTO波形

图13 变压器入口处VFTO波形

图14 母线端部处VFTO波形

3 加装抑制措施及相应仿真分析

3.1 阻尼电阻抑制VFTO 的原理

阻尼电阻抑制VFTO 主要是两方面原因，一是其泄露残余电荷，二是吸收消耗电磁振荡的能量。隔离开关分闸时，若电弧重燃，则会产生重燃过电压，极端情况下过电压幅值会随电弧重燃次数增加而按1、3、5、7……倍数增加，但若隔离开关装设阻尼电阻R，既会使电弧重燃次数减少或不发生，又会在电弧重燃时起阻尼作用，使过电压幅值和流过R 的电流大大降低，阻尼电阻与隔离开关触头采取并联方式，原理图如下。

750 kV GIS 隔离开关的开断和关合时间约4s，三相不同期时间<1s，最大投入时间<0.2s。隔离开关开断时先在动、静触头间产生电弧，随着静动触头间的距离增大，动触头离开电阻屏蔽电极，在两者间产生断口重燃电弧，R 自动投入，从而抑制VFTO 幅值。

3.2 加装阻尼电阻后仿真分析

研究表明，当电阻由400Ω 增大到1200Ω 时，随着电阻值的增加，抑制效果逐步减弱。本文建模分析阻尼电阻取值为400Ω，其他等效参数与表1 取值相同，仿真得到隔离开关各侧、变压器入口和GIS 母线等处的VFTO 波形如下。

表1 各设备处过电压幅值

在设置阻尼电阻作为VFTO 抑制措施后，统计各设备处VFTO幅值如表2所示。

表2 加阻尼电阻后各设备处过电压幅值

为GIS隔离开关设置阻尼电阻，可以抑制各设备处的VFTO 幅值，变压器入口VFTO 下降了0.036p.u.，其他各设备处的过电压幅值均有明显下降，加装阻尼电阻在抑制VFTO方面起到积极效果。

4 结束语

通过仿真研究发现，大唐发电厂750kV GIS 中母线端部处VFTO 幅值高于隔离开关处和变压器入口处，达到2.381p.u.。通过在GIS 隔离开关加装阻尼电阻，可将同位置的VFTO 幅值限制到1.324p. u.，抑制效果比较明显。

通过分析可知，变压器高压侧前50%的饼间VFTO 峰值波动剧烈，而后50%绕组饼间的VFTO 峰值波形相对平滑。因此，除了为GIS隔离开关设置阻尼电阻，建议在该项目变压器订货时，相应提高其高压侧绕组前50%的匝间绝缘裕度，为变压器高压侧绝缘寿命提供更有利保障。