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500kV气体绝缘开关设备的快速暂态过电压波形

关键词：气体绝缘组合电器（GIS），快速暂态过电压（VFTO）

引言

在隔离开关和断路器动作期间，由于一系列的电弧点燃和熄灭，气体绝缘开关设备（GIS）中可能会产生快速暂态过电压（VFTO）。它们也可能在GIS内部闪络期间发生。近期一些报告表明，与电弧重燃相关的高内部过电压是造成电力变压器故障的可能原因; 这种内部过电压由影响变压器线圈的谐振频率产生[1]。为了更好地了解这一现象，总装机容量1400万千瓦的水电站Itaipu Binacional，与高压研究实验室LACTEC合作，组装了一个31米长的GIS测试装置，包括一个隔离开关，以研究隔离开关动作期间产生的快速暂态过电压（VFTO）。结果发现，电压峰值期间，内部频率带宽和电压峰值约为额定电压时的2至2.8倍[2]，符合IEC 60071-1建议的范围[3]。然而，暂态过电压形状包络线的测量频率至少是[2]和[3]中建议上限的10倍。详细结果如下。

在测试气体绝缘开关设备上进行的快速暂态过电压测量产生的数据与IEC 60071-1完全一致，除了暂态波包络的频率带宽。后者覆盖的频率远高于标准预测的频率。

快速暂态过电压的基础

VFTO是一种发生在电力系统中的著名电磁现象，通常在闭合/断开装置中，例如断路器和隔离开关[5]，它们使用加压的（六氟化硫）气体作为绝缘介质。

气体在常温常压条件下的击穿场强，远大于空气中的[6]，[7]。然而，当中发生击穿时，在间隙形成导电等离子体沟道桥的时间间隔内电压非常迅速地崩溃，从而将电极之间的电位差减小到非常低的值。在此间隔期间，电极之间的电阻从非常高的值（gt;gt;1MOmega;）下降到大约5Omega;。托普勒的经验关系式，其中是托普勒常数[8]，[9]，表明电压崩溃间隔为几纳秒。这种快速崩溃激发了电磁波，它沿着GIS许多部分来回传播，在传播途中不断衰减。

图1.实验气体绝缘开关设备测试装置。（a）尺寸以米为单位的布局示意图。VFTO=非常快的暂态过电压。（b）500kV空气/ SF6套管和沿母线90°连接的详细视图。

几篇论文[1]报道了VFTO与包含开断设备的电力变压器故障之间的关系。这些故障可能以三种不同的方式发生：

（a）振幅高于基本脉冲电平的峰值电压，

（b）一系列振幅低于基本脉冲电平的峰值电压的累积效应，和

（c）快速暂态（VFT）脉冲序列频率激励下的变压器绕组的内部谐振。

试验装置组件

在LACTEC高压实验室组装的实验性GIS，尽可能地重现了总长度31m的GIS变压器隔间。如左图1（1）所示，包含组件如下：

（a）空气/套管一端连接工频高压电源，另一端连接一个包含600 pF串联电容的 气室，后者代表断开的断路器（隔离开关动作时存在的情况）；

（b）在下一个隔室中，一个隔离开关安装在距离母线末端19.42米处，变压器连接在母线末端（类似于操作间内变压器 /油套管的长度）；

（c）在其余的隔室中，一系列母线以7个90°连接，最后一个600pF电容接地，模拟变压器和 /油套管的高频阻抗。VFTO传感器尽可能靠近变压器套管，这样记录的暂态过电压可以准确反映变压器中发生的情况。

图2.隔离开关打开操作期间的电弧重燃，改编自[11]。

图3.左侧是带有法兰的气体绝缘开关柜母线的剖视图，传感器组件安装在法兰上。 C1是母线和传感器电极之间的电容。 右侧是传感器组件的细节。 C2是薄双面玻璃纤维电路板的电容。

当隔离开关打开时，接触间隔距离在比正弦电压变化周期长得多的时间间隔内逐渐增加，并产生一系列电弧点火、熄灭和重燃，如Boggs[10]和Ragaller[11]所述，如图2所示。早期重燃产生低幅值的VFTO。随着时间流逝，接触间隔距离增加，下一次重燃需要更高的电压。最后一次重燃之后，接触间隔距离大到足够防止电弧连接间隙。接触间隔距离通常继续增加，直到重燃电压超过额定直流电压的两倍。

当隔离开关闭合时，发生的情况则相反。当第一次点火发生时，接触间隔距离开始缓慢下降，在非常高的电压下，产生最高幅值的VFTO。随后在不断降低的电压下发生重燃和熄灭，产生幅度不断减小的VFTO，直到触点彼此接触，完成闭合操作。

隔离开关打开或闭合时产生的VFTO在我们31米长GIS设置的隔间传播，其方式类似于真正的GIS变压器隔间中发生的情况，不只是单个电弧生成的VFTO在一个较短的GIS设置中传播。

图4.传感器校准单元。（a）Ontario Hydro [26]推荐的设置示意图。（b）LACTEC设置，显示前景中的示波器和脉冲发生器。

图5.隔离开关操作示波图：（a）打开操作，显示随着接触间隔距离的增加，峰值和峰值之间的时间增加；（b）闭合操作，显示随着接触间隔距离的减小，峰值和峰值之间的时间减小。

传感器设计和校准

准确测量VFTO需要特殊的传感器，以及校准系统，系统包括将传感器连接到测量设备的电缆。测量设备通常是千兆赫兹带宽的示波器。

文献[12]-[22]中有许多论文专门论述VFT测量。他们大多数使用电容分压器，如图3所示，其中是母线和传感器电极之间的电容，是传感器的内部电容，选择产生/的比率，确保用示波器安全测量传感器输出电压。传感器通常安装在GIS外壳的法兰上。

在研究了几种设计和材料选项[12]-[22]之后，我们选择了Burch的设计[12]和Meppelink [19]的改进，使用薄的双面玻璃纤维电路板作为提供C2的电介质。 这是一种“无源”传感器，不需要电源，但仅限于使用短电缆（最长10米）。 还开发了第二个“有源”传感器，用于可能需要长电缆（最长20米）的领域，其中包括缓冲放大器[23]和内部电池，用于原始的Burch / Meppelink设计。

为了校准传感器，建立了一个特殊的锥形测试单元（图4），其尺寸符合IEC TS61321-1和Ontario Hydro研究[25]的建议。该单元连接到脉冲发生器和示波器，脉冲发生器提供200 ps上升时间和幅值从500 V至5 kV的脉冲。

为了检查传感器在50/60 Hz到几百兆赫兹频率范围内的响应线性度，施加表1中列出的典型高压电力系统的波形（），测量传感器的输出响应（），并计算比例因子（）。线性度在plusmn;1.5％之内。

隔离开关的操作和波形分析

在开始研究隔离开关的闭合和打开操作之前，对GIS进行了耐压测试、局部放电测量，并检查了气体泄漏。

在研究期间共记录了120个波形图，其中60个与隔离开关闭合操作有关，60个与打开操作有关。施加的GIS电压为100kVrms。为了覆盖完整的打开和闭合操作，记录覆盖了50ms时间间隔的示波图，如图5所示（采样间隔=5ns，预触发间隔=10ms）。相反，为了观察重燃波形，记录覆盖了10mu;s时间间隔的波形图，如图6（a）所示（采样间隔= 100 ps，预触发间隔=3mu;s）。在图6（b）中详细展示了波前过电压波形，以及电压峰值、“内部”频率和过电压波包络的频率的时间值。

图7的最右列显示了快波前过电压的、和，并引用了[2]、[3]中的预期范围。为了完备性图中包含了其他列。

图6.（a）10mu;s单次重燃示波图，100 ps采样间隔；（b）波前暂态过电压的细节，显示了电压峰值时间为14ns，“内部”频率为50MHz，过电压波包络的频率为5.2MHz。、和的定义与[2]和[3]中的一致。VFTO=快速暂态过电压。

图7.符合IEC-60071-1 [3]和IEC TR 60071-4 [2]的过电压的类别和形状。

使用统计工具Minitab[26]分析从120个波形图获得的参数、和。 这些参数的累积分布函数如图8所示。纯正态分布的预期函数由中心蓝线表示，95％置信区间的上下界由上下蓝线表示。

在表2中，对于120个操作的集合，累计分布函数百分比为5%、50%和95％的计算值与[2]和[3]中提出的范围进行比较。

结论

主要结论是显而易见的，即我们的测量参数和在IEC 60071-1和IEC TR 60071-4建议的范围内，但（过电压波包络的频率）不是，至少是标准中建议上限的10倍。假设上面提到的结果是准确的，并且是GIS变压器隔室中的典型现象，那么可以合理地询问这样高的频率是否可能激发非设计用于处理它们的变压器线圈中的有害谐振。

目前，并没有变压器VFT测试的标准。巴西的一些公用事业公司，例如e.g.、Itaipu和COPEL，使用火花间隙来模拟雷电冲击测试期间的特快速斩波，从而在一定程度上测试变压器承受VFTO的能力。但是，此过程仅模拟GIS中的内部闪络，而不是隔离开关操作产生的重燃。

在我们看来，最好的操作方案是减少潜在有害谐振的幅值，同时进行GIS变压器的有效测试。将ATPDraw/EMTP(替代暂态程序[27]和电磁传输程序[2

资料编号：[3897]