摘要：氣體絕緣變電站GIS中的隔離開關在分合閘時，會產生快速暫態過電壓VFTO，對GIS本身及鄰近設備將造成極大危害。本文綜述了國內外現有抑制VFTO的研究現狀。從抑制VFTO的產生、改造GIS內部結構及抑制VFTO沿輸電路徑傳播三個方面，概要總結了各抑制方法的優勢及存在的問題。提出了抑制VFTO需要深化的研究內容：研制能精準控制開關合閘時間的成套設備，怎么樣控制電弧擊穿導通的時間，通過微機系統綜合控制實現精準相位合閘;探索場路論結合的方式準確仿真加裝阻尼母線前后VFTO的變化，建立阻尼母線抑制VFTO的特性參數關系;磁環抑制VFTO的理論，量化分析磁環的物理尺寸及磁材料特性參數對抑制效果的影響，在此基礎上進而研究半圓卡扣式磁環對抑制VFTO的影響，以便后續在運GIS的改造，最后還需進一步研究如何解決磁飽和增加磁損耗增強抑制效果。

　　關鍵詞：氣體絕緣變電站;快速暫態過電壓;隔離開關;抑制VFTO

　　0引言

　　全封閉式SF6氣體金屬絕緣開關設備(gasinsulatedsubstation，簡稱GIS)具有可靠性高、結構緊湊、占地面積小、檢修維護方便且周期長等優點[1]，因此從20世紀60年代開始就得到了快速發展并大量使用在電力系統中[26]。

　　在特高壓變電站隔離開關和斷路器開合閘時[7]，由于動靜觸頭兩端極大的電勢差使電子定向移動發生多次重燃弧，重燃弧在傳播過程中經過多次折反射，形成上升沿小于5ns、最高頻率成分達100MHz、幅值可超3.0p.u的快速暫態過電壓(veryfasttransientovervoltage，VFTO)[810]。依據國際大電網會議(CIGRE)A3.22和A3.28等相關研究工作[1112]，發現VFTO對GIS本身及二次側相鄰設備危害很大[13]。VFTO將導致：GIS內部發生盆式絕緣子閃絡、開關殼體放電燒融殼體及二次側變壓器匝間餅間短路變形絕緣損壞等現象[1415]。

　　真實事件有：1992年廣東大亞灣核電站切合空載變壓器導致主變絕緣擊穿;巴西Grajau500kV在運期間發生變壓器故障油紙套管炸裂;2001年浙江北侖電廠主變在運受損等[1620]。還會導致設備誤動作、電壓電流等測量設備采集數據有誤等問題，給電網穩定運行及人身安全帶來極大危害[11]。因此研究VFTO的抑制方法，保護GIS及鄰近設備安全成為研究重點，也是維護電力系統安全穩定運行的必由之路。

　　對抑制方法效果評價的基礎是對VFTO的準確測量。從20世紀80年代開始，國內外就有很多機構研究準確VFTO測量的方法。國外有日本東京電力公司研制的預埋環式測量系統[21]、印度IIT大學與東芝公司的手窗式測量系統等[22]。國內西安交通大學、清華大學、華北電力大學等科研單位，相繼研制出了多種內置于GIS內部的測量系統：盆式絕緣子預埋環傳感器[23]、寬頻窗口式傳感器[24]、窗口式內置探頭結構傳感器[25]、介質窗口式快速暫態過電壓測量傳感器等[26]。測量頻帶從近乎直流到300MHz，測量幅值滿足MV級電壓等級的測量，且這些測量系統都經過大量實測數據驗證[2733](3132)。滿足IEC600711:2019標準中VFTO(低頻10Hz以內到100MHz頻率成分)測量的需求。

　　國內外學者基于VFTO的測量系統研究之上，對VFTO進行實測及仿真波形的研究，通過波形特性進而對產生VFTO故障原因進行分析，并提出了一系列抑制措施[34]。本文就抑制VFTO的情況進行了詳細綜述。從20世紀80年代最初由日本學者提出加合閘電阻抑制VFTO開始[35]，后續學者相繼提出：加裝避雷器、控制開合閘速度、加裝鐵氧體磁環、架空線、改造成阻尼母線、控制隔離開關動作順序、加裝阻波器、加裝接地開關、并聯變壓器入口電容、加RC阻容分壓及高頻濾波器等抑制措施[3642]。根據國內外學者研究的眾多抑制措施，可大致分為：抑制VFTO的產生、改造GIS內部結構抑制VFTO以及抑制VFTO沿輸電路徑傳播三個方面。

　　1抑制VFTO的產生

　　VFTO是由操作GIS中的隔離開關和斷路器產生。在隔離開關開合閘時，動觸頭的動作速度較慢產生了燃弧現象，隔離開關上沒有滅弧裝置，導致在動靜觸頭上產生多次重燃弧。且VFTO行波傳播過程中，由于線路波阻抗的變化，導致VFTO發生多次折反射，最終形成幅值高達3.0p.u上升沿小于5ns的特性[43]。

　　1.1控制隔離開關操作速度減少

　　VFTO的產生華北電力大學許軍、中國電力科學研究院韓彬等人以及諸多國外學者，針對隔離開關分合閘速度快慢對產生VFTO的影響，進行了實測及仿真分析[4547]。對比了回路結構基本一致的平高和西開兩個公司的GIS，只是開關動作速度不同。發現無論分閘還是合閘，快速隔離開關擊穿次數都明顯少于慢速隔離開關。這是由于開關動作較慢，電源側的50Hz工頻電壓一定有一個時刻達到峰值，使得隔離開關兩端電壓差將達到最大，從而擊穿SF6絕緣氣體，所以開關動作速度越慢VFTO的重復擊穿次數越多。

　　縮短時間減少擊穿次數，從而降低VFTO出現概率[49]。有學者研究發現分合閘速度與產生VFTO幅值有關系。快速隔離開關相對慢速隔離開關的幅值更大，且各幅值點出現概率更均勻，慢速隔離開關分布集中在1.6p.u幅值附近[50]。慢速隔離開關產生的VFTO最大幅值更小且集中，所以慢速隔離開關也有它的優勢[51]。陳維江等學者就控制隔離開關速度對VFTO的影響，進行了大量實驗與仿真研究，發現將合適的隔離開關運行速度控制在0.5m/s~0.8m/s之間，能有效抑制VFTO幅值[52]。

　　1.2隔離開關開合閘操作方式抑制

　　VFTO產生西安科技大學劉青針對某550kVGIS，用電磁暫態程序EMTP，研究了隔離開關37種不同操作方式對產生VFTO的影響，發現在不同操作方式下會影響操作過電壓的幅值，最高和最低幅值可相差1.0pu[53]。西安交大余芳等人，也開展了相應的研究，但都是未發現操作方式對VFTO影響的一般規律，需要針對不同的氣體絕緣變電站具體分析[5458]。對每個變電站需要單獨分析，操作方式對產生VFTO的影響。

　　1.3控制隔離開關合閘相位抑制

　　VFTO產生在20世紀90年代國際大電網會議(CIGRE)，對于相控開關的優缺點進行了評述，通過一些學者研究理論仿真計算及現場試驗驗證該方法確實有效，已相繼投入使用[5964]。根據CIGRE研究組WGA3.07小組調查，截止2007年安裝在運的相控隔離開關已經超過4000臺[65]。可見相控隔離開關應用的增長非常迅速。 隔離開關在合閘時，由動觸頭向靜觸頭移動的過程。在兩者相距越來越近，達到某個距離時，兩觸頭之間的電壓差超過SF6氣體絕緣強度，此時觸頭間發生絕緣擊穿產生動態電弧[6667]。由此該技術核心就是控制開關在最佳電角度分合閘(即源端電壓與負載端電勢差最小)[6869]。

　　該技術是由相控開關(同步開關)來實現的，綜合微機系統時間、開關合閘機械時間以及電弧導通時間來控制開關合閘時的相角，從而能夠有效的抑制操作過電壓[70]。難點在于隔離開關本身機械合閘時間具有離散性和絕緣擊穿時間的具有離散性等，使得真實合閘電弧導通時間的離散度過大，控制誤差較大，達不到理想合閘相角。相控法經濟技術比傳統方法更優，且能簡單有效抑制VFTO，但怎樣精確控制隔離開關動作時間以及動態電弧擊穿導通時間非常困難，難以實現精準相控合閘。

　　1.4加裝接地開關抑制VFTO

　　當隔離開關斷開后，殘余電荷在母線上衰減很慢，將會導致負載端有一個很大的殘壓[71]。殘壓是殘余電荷聚集在負載側母線端部，形成的對地電壓。VFTO的幅值大小跟母線殘壓的大小成近似線性正比關系[72]。當隔離開關再次合閘時，在合閘過程中，源端是正弦50Hz交流電，其電壓相位一直在變化，相當于一直在一個區間波動的實時電壓值。

　　當母線端殘壓遇到極性相反的源端峰值電壓時，形成最大電壓差，從而容易產生VFTO的幅值更大[71,7376]。考慮到最嚴重的情況是負載側殘壓為1.0p.u時，隔離開關在合閘過程中，觸頭間的電壓差將達到2.0p.u[16,7778]。產生最嚴重的VFTO幅值將超過3.0p.u，因此加裝接地開關釋放殘余電荷及其重要[7980]。

　　2改造GIS內部結構抑制

　　VFTO2.1GIS內部隔離開關加裝阻尼電阻早在1986年日本學者就提出加裝電阻來抑制VFTO的產生，由操作機構使動觸點向靜觸點移動，當達到擊穿電壓閾值時，將擊穿SF6絕緣氣體介質產生電弧，電弧先流經阻尼電阻，則其幅值和陡度會被抑制。當動觸頭再繼續向前運動與靜觸頭接觸后，電阻與動觸頭的間隙會自動滅弧[40,8687]。國內外學者研究了各電阻值對抑制效果的影響，發現電阻為500Ω左右時有明顯抑制效果，并對電阻進行嚴謹的選型，考慮到過電壓大小、吸收能量大小以及溫度等因素，最后電阻能把VFTO幅值抑制在1.7pu以下[8897]。

　　3抑制VFTO沿輸電路徑傳播

　　VFTO產生之后，將通過GIS母線及連接二次設備的輸電線傳播到后端設備，導致后端設備損壞。當產生VFTO以及結構改變不了時，抑制它的傳播的方法將是最后防線。抑制VFTO傳播有后續幾點。

　　3.1避雷器抑制VFTO幅值

　　金屬氧化物避雷器能抑制VFTO的幅值[112]。如圖9MOA暫態電路模型所示，當VFTO經過MOV時，根據交變場電介質極化作用原理，將形成非線性特性的電導電流、位移極化的瞬態電流及松弛極化的松弛電流三部分電流[113115]。GIS中裝有金屬氧化物避雷器時，遇到傳播過來的高幅值VFTO，MOA就會迅速將形成的三種電流導通到地;并且非線性電阻會吸收一部分能量，從而達到對VFTO幅值限制的效果[116]。

　　國際上IEEE、CIGRE、日本等學者，都通過實驗驗證了MOA對VFTO有明顯的抑制效果[39,117120]。由于只有安裝避雷器附近的設備得到保護，所以需要進一步分析怎樣進行不同位置的排列布局[113,121122]。加裝避雷器能對幅值有效抑制[123]，但對陡度沒有較好的抑制效果，幅值低但陡度大也會對二次側設備造成如變壓器絕緣擊穿等危害。

　　4結論

　　國內外對抑制快速暫態過電壓已經開展了大量的研究，且獲得了很好的抑制效果。但現有抑制方法還存在一些問題以及需要進一步研究的點：

　　1)從VFTO的產生來看：隔離開關合閘速度能抑制VFTO的幅值，陳維江等學者研究建議最佳合閘時間為0.5m/s~0.8m/s;接地開關釋放殘余電荷后能有效抑制VFTO產生，但接地開關斷口和斷口對地在一定頻率下將產生諧振過電壓;相控法通過減小合閘電壓差能抑制VFTO的產生，但機械開關合閘時間及電弧導通時間的離散性，導致實現每次精準合閘難度極大。

　　2)從改造GIS內部結構抑制VFTO來看：隔離開關加裝阻尼電阻抑制好，但開關結構變復雜增加了整個系統的故障率;合適母線長度能抑制VFTO產生，以成為后期建設新GIS的依據，但對不方便改造目前在運GIS;阻尼母線能很好的抑制VFTO幅值及陡度，但制造加工非常復雜，且復雜結構帶來的可靠性沒有明確論證。

　　3)從抑制VFTO沿輸電路徑傳播來看：避雷器僅能抑制幅值;架空線僅能抑制陡度;RC濾波器、阻波器、并聯電容都存在使整個系統發生諧振，且加裝器件本身的可靠性也嚴重影響輸電系統的穩定運行;磁環抑制VFTO，經過各種驗證能有效抑制VFTO幅值及陡度，經過對磁環的材料選型、尺寸設計、電暈以及振動可靠性等一系列研究后，磁環已應用于工程實際，磁環的加工制造也相對容易，經濟技術性好，不足之處在于需要停運拆裝GIS，安裝維護不方便。

　　4)目前阻尼電阻、濾波器、阻波器、并聯電容都存在產生更嚴重的諧振過電壓及本身元器件的可靠性問題;架空線和避雷器只能單方面抑制陡度或者幅值不可取;最佳合閘速度，接地開關、母線長度以逐步應用于工程實際，但抑制效果有限;控制相位合閘、阻尼母線、磁環抑制能很好的抑制VFTO，但相控法由于開關動作及電弧導通時間的離散性難以控制精準相位合閘、阻尼母線加工制造工藝復雜、磁環的問題在于拆裝不便及磁環飽和問題。

　　相對而言磁環的經濟技術性好、前面已有很多理論及實驗研究基礎及成果驗證了磁環的可行性，磁飽和問題也還需要學者進一步研究;若將磁環套在GIS外殼上有抑制效果，加之研究開口式磁環抑制效果及各種因素的影響，就能做到向卡扣式磁環抑制電子設備中的高頻傳播信號那樣廣泛應用;在一定的條件下還能很方便的改造在運GIS，后期安裝維護也很方便，該方向值得深入研究。

　　參考文獻References

　　[1]CUKN,NISHIKAWARAKK,MCCRAEG.G,etal.SpecificationandApplicationofSF6CompressedGasInsulatedSwitchgearAUtility'sPointofView[J],IEEETransactionsonPowerApparatus&Systems,1980,99(6):22412250.

　　[2]項稷.六氟化硫(SF_6)密封組合電器的安裝與調試[J].電力建設，1987(6)：3741.XIANGJi.InstallationandCommissioningofSulfurHexafluoride(SF_6)SealedCombinedElectricalApparatus[J].ElectricPowerConstruction,1987(6):3741.

　　[3]陳天祥.電力系統選用GIS的一般問題[J].高壓電器，1989(2)：4550.CHENTianxiang.GeneralproblemsofchoosingGISinpowersystem[J].HighVoltageApparatus,1989(2):4550.

　　[4]陳飛.GIS設備的發展和應用研究[D].浙江大學，2007.CHENFei.InvestigationofGISDevelopmentandApplication[D].ChineseMaster'sThesesFulltextDatabase,2007.

　　[5]MOREIRADC,NUNESMVA,MOREIRADDC,etal.AnalysisofVFTOduringthefailureofa550kVgasinsulatedsubstation[J],ElectricPowerSystemsResearch,2020,189:106825.

　　[6]BOGGSSA,FUJIMOTON.TechniquesandInstrumentationforMeasurementofTransientsinGasInsulatedSwitchgear[J],IEEETransactionsonElectricalInsulation,1984:8792

　　作者：張文斌,胡洋