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核电厂GIS中快速暂态过电压（VFTO）的影响及分析

王涛
摘 要：随着GIS在核电厂的广泛应用，快速暂态过电压（VFTO）的危害引起了普遍的重视。特别是对于330kV以上的GIS，故障率有明显增加的趋势。目前国内外对500 kV及以上的VFTO的特性、影响及防护措施做了大量的研究工作，为核电厂GIS中VFTO影响的研究提供了良好的参考和借鉴。但是随着GIS制造技术的进步，与早期相比，其结构与元件均发生了很大的变化，如GIS的“小型化”和“紧凑型”的出现，导致VFTO特性的改变，因此结合目前核电厂中GIS运行的具体情况，研究GIS中快速暂态过电压的影响具有非常重要的现实意义。
关键词：GIS VFTO 隔离开关 过电压
：TM62 ：A ：1674-098X（2014）06（b）-0045-03
1992年6月广核大亚湾核电站对两台三相500 kV/900MVA有载联络变压器进行空载试验时发生事故，导致变压器绝缘被击穿、变压器烧毁。经分析，事故原因是与变压器高压侧直接相连的500 kV GIS内隔离开关操作时产生了VFTO，致使在合闸瞬间500 kV变压器高压绕组的第一段发生了匝间绝缘击穿。
GIS（Gas Insulated Substation），又称全封闭组合电器，因其具有结构紧凑、占地少、运行可靠、维护工作少等特点，在核电厂中一致有着广泛的运用。在目前核电厂运行的GIS设备中，按照电压等级分主要有220kV和500kV两种。
VFTO（Very Fast Transient Overvoltage），又称快速暂态过电压，经常发生于GIS中的隔离开关、断路器等开关设备的操作期间。VFTO的振荡频率往往高达几十兆甚至上百兆赫兹，对GIS设备本身以及与GIS相连的设备都有着极大的危害。
研究发现，在300 kV以下电压等级的GIS中没有发生过与操作有关的问题，因此电压等级在300 kV以下的GIS暂没有必要进行VFTO方面的专门研究。本文重点论述500KV GIS中VFTO的成因及其影响。
1 VFTO的成因及特点
1.1 VFTO的成因
VFTO主要成因是由于GIS中隔离开关、断路器的分合操作以及带电线路的对地放电。GIS中的断路器带有专门的灭弧室，所以由断路器的分合引发高幅值VFTO的可能性较小。而GIS中的隔离开关一般仅要求具有切合小电容性电流的能力，且没有专门的灭弧装置，所以由隔离开关的操作引发的VFTO在电厂中较为常见且较为严重。
以隔离开关合上一段不带电的GIS回路为例来具体说明VFTO的产生过程。隔离开关闭合时，当触头间距离渐渐缩短，电源侧电压达到一定值时，隔离开关触头间的气隙会发生首次击穿，形成电压的剧烈振荡。该电弧在受触头运动、GIS内六氟化硫气体灭弧等因素影响下，很快就熄灭，燃熄弧周期很短。发生首次击穿后，原本不带电的GIS回路带电，使隔离开关触头两侧电压相同，分闸后电源侧电压仍按电网工频电压变化，而GIS侧电压则会慢慢衰减。随着隔离开关闭合时间的推移，触头之间的距离越来越小，当两触头间的距离近到一定程度时，由触头距离决定的耐压强度低于当时两触头间的电压之差（又称恢复电压），两触头之间的气隙被第二次击穿，形成第二次电压振荡，也会出现第二次电弧重燃和熄灭的过程。待第二次击穿过程结束后，隔离开关触头间电压又重新恢复建立起来。反复如此，直至隔离开关两触头达到紧密结合为止。在这个过程中随着触头间距离越来越短，击穿电压也越来越低，由击穿产生的振荡电压也随之降低。
多次击穿现象同样也会发生在隔离开关的分断过程中，击穿次数主要取决于触头的运动速度和分闸时间。与隔离开关闭合过程不同的是，由于分闸过程期间两触头的距离越来越大，间隙击穿所需的电压也越来越高，两次击穿间的时间间隔也随之增长。
根据上述分析可以看出，因GIS隔离开关触头的分合速度比较慢（通常只有3～10 cm/s），相对于电力系统频率来说太低，又没有专门的灭弧装置，所以在分合小电容电流的操作时，在触头分开或闭合的过程中，隔离开关触头间的气隙不可避免地会发生反复击穿或者预击穿的情况，而每一次击穿和电弧重燃都极有可能引起VFTO。此外，由于GIS的绝缘结构紧凑，相应的线路长度较小，行波时间很短，因此这种VFTO的波形起始部分很陡，频率很高，达到几十兆甚至上百兆赫兹，波形初始前沿在3～200 ns时过电压幅值可能会达到2～3倍额定电压。
VFTO的行波前沿陡度很大，即使在距离很近的两个设备上，过电压幅值也会有明显的差别，所以避雷器几乎没有保护作用。若GIS内存在金属微粒或受损电极等因素，在操作隔离开关时就有可能引起GIS内的击穿事故。
同时，因为VFTO的频率很高，VFTO行波在GIS中传输时，电流的集肤效应使得电荷集中在导体的外表面和设备外壳的内表面。当VFTO行波传输到GIS与外连线路（架空线或GIL）的连接处时，行波的一部分沿着GIS外壳形成对地的回路，使外壳的对地电位升高；另一部分会沿着套管的传输到架空线或GIL上，对与架空线或GIL相连的其他设备（如核电厂主变压器）造成进一步危害。
1.2 VFTO的特点
经研究，VFTO的典型波形如下图所示：
从中可以看出VFTO的特点：
（1）行波前沿很陡，其上升时间很短，通常为纳秒级，相对于雷电冲击电压的波前时间要短很多。这是因为在一般情况下，GIS中的电气元件均是在稍微不均匀的电场下工作，只有在六氟化硫的间隙出现先导型放电时才会造成击穿，所以当隔离开关触头间隙发生击穿的时候，电弧的燃熄过程非常迅速，使得产生的电压波形上升或下降陡度很大。
（2）VFTO的电压幅值并不高，尽管理论上VFTO的幅值最大可达3倍额定电压，但实测和模拟试验均证明VFTO一般不超过2倍额定电压，最高也不会超过2.5倍的额定电压。endprint
（3）VFTO波形中部分分量的频率很高。这是因为GIS中相邻电气设备的间距和母线长度相对较小，VFTO行波在GIS中以接近光速的速度传输，中间有很多复杂的折射、反射和叠加，所需时间非常短，使得VFTO振荡频率很大。
2 VFTO的危害
2.1 对GIS内部的危害
VFTO对GIS的内部绝缘，尤其是盆式绝缘子的危害极大。
虽然目前世界上各个GIS设备制造厂在设计、制造时都能做到让GIS盆式绝缘子耐受VFTO的能力高于耐受雷电冲击的能力，但是在GIS运行期间中还是多次发生因VFTO而引发的故障或事故。多年的设备运行经验表明，GIS中的盆式绝缘子通常是GIS绝缘中最薄弱的环节，其根本原因是因为GIS在部件加工、装配或者开关操作时产生了导电微粒。导电微粒附着在绝缘子表面时，形成了GIS内部局部电场集中，使得受到VFTO作用的绝缘子表面放电电压低于雷电作用下的表面放电电压，从而产生放电，破坏绝缘。研究结果表明，当GIS中的盆式绝缘子表面无导电微粒附着时，VFTO作用下的六氟化硫气隙击穿电压并不比其在雷电作用下的击穿电压低。而当绝缘子表面存在导电微粒聚集等原因造成的局部电场集中时，即使在六氟化硫的实际应用气压范围（0.3～0.5 MPa）内，受到VFTO作用的绝缘子表面放电电压也远低于雷电作用下的表面放电电压。
另外，在GIS母线内的导电微粒在交流电压的作用下会发生跳动，微粒在跳动时一旦与母线导电杆接触则会吸附在其表面，造成该处的绝缘耐压强度降低。通过研究发现，导电微粒越长则绝缘破坏程度越大。
2.2 对GIS外部的危害
VFTO对GIS 外部电气设备如核电厂主变压器、架空线路绝缘均有较大危害，并会造成二次设备的干扰甚至损坏。
VFTO对核电厂主变压器最主要的危害是在于其行波前沿极大的陡度对主变压器首端绕组匝间绝缘的破坏。当VFTO行波通过母线传播到套管时，VFTO行波一部分会耦合到架空线（或GIL）上，并沿架空线（或GIL）传播至相连的设备上。当VFTO行波传输传至主变压器绕组时，因为绕组存在对地杂散电容，VFTO会引起变压器绕组匝间的电压分布不均匀，尤其是绕组首端的匝间电压远大于其他部分的匝间电压，极可能造成首端匝间绝缘击穿。另一方面，VFTO高达数十兆赫兹的行波进入变压器后可能会引起变压器内部的电磁振荡，引起内部过电压，也会对变压器绕组的匝间绝缘造成破坏，进而威胁变压器的安全运行。
此外，VFTO行波一部分会耦合在GIS壳体与地之间，造成GIS装置危险的暂态地电位升高和壳体暂态电位升高，这两种暂态电压的升高会引起与GIS相连的控制、保护和信号传输等二次设备的干扰甚至损坏。同时，由于VFTO而产生的外部暂态高频电磁场会从GIS壳体和架空线（或GIL）向四周辐射，周围的电子设备都会受到该电磁场的影响。
3 VFTO的影响因素
根据VFTO的成因及特点，我们可以分析影响VFTO的主要因素。
3.1 隔离开关并联电阻的影响
研究表明，在GIS隔离开关中装设并联电阻（又称分合闸电阻）可以有效的抑制GIS中各节点的VFTO幅值，同时也可以有效的对VFTO高频分量起到阻尼作用，降低VFTO波形的陡度。如图3所示。
3.2 剩余电压对VFTO的影响
剩余电压与GIS负载侧电容性电流大小、隔离开关分合闸速度以及GIS母线上的泄漏相关，其中电容性电流的影响最为显著。实验表明，GIS负载侧电容电流越大，负载上储存的残留电荷就越多，使得剩余电压越高。特别是当负载侧与电源侧电压为反极性时，隔离开关触头间隙击穿前的电压差很大，使得产生的VFTO幅值很高。
3.3 GIS支路长度对VFTO的影响
目前为止，各种研究还未发现GIS支路的长度对VFTO过电压幅值的影响有明显的规律，这主要是因为VFTO行波的最大幅值是行波在GIS支路上折、反射过程中反复叠加而成的，支路长度的变化一定会引起折、反射时间和过程的变化，使得行波的叠加更为复杂，所以支路长度对VFTO过电压幅值的影响并没有确定的规律。但是，相对于不同的母线段长度，GIS中支路不同位置的过电压幅值可能会相差50%以上。甚至在某些情况下，支路长度很小的改变都会引起VFTO过电压幅值的巨大变化。
3.4 变压器入口电容对VFTO的影响
核电厂500KV主变压器的入口电容一般都在4000pF以上，电厂电力系统VFTO的幅值会随变压器入口电容的增大而增大。此外，当变压器入口电容一定时，系统不同节点处VFTO的幅值相差也会较大，在设置保护时应特别注意保护VFTO幅值较高的节点。
3.5 避雷器对VFTO的影响
需要说明的是，目前在GIS上广泛使用的氧化锌避雷器对VFTO几乎没有多少限制作用。在模拟试验和计算中，避雷器可以等效于一组并联在变压器旁的电容（因避雷器本身具有对地杂散电容）和非线性电阻，由于VFTO的电压幅值不大而且行波前沿时间很短，使得避雷器中非线性电阻里流过的电流很小，流过避雷器的电流会以电容性电流为主，而电阻性电流很小。一般情况下，避雷器阀片的最大阻性电流不足10A。根据避雷器计数器特性可以知道，在这种情况下避雷器的计数器不会动作。但是，在发生VFTO时避雷器计数器也会动作，其原因主要是因为VFTO在避雷器的等效电容上产生了一连串的数十安培，甚至更大的电容电流，该电流通过避雷器时导致计数器动作。
虽然氧化锌避雷器对VFTO无明显的限制作用，但是实践表明，避雷器对VFTO产生的暂态地电位升高和GIS壳体暂态电位升高均有一定的抑制作用。
4 如何抑制VFTO
针对VFTO的成因和影响因素，可以从GIS设计、制造以及操作等几个方面对VFTO进行抑制。endprint
4.1 在隔离开关装设并联电阻（又称分合闸电阻）是目前较为常用的抑制VFTO的措施
这是目前各主要GIS制造厂抑制VFTO的通用办法。其原理是通过机械方法使电阻触头在隔离开关合闸操作时先于主触头闭合，在隔离开关分闸操作时晚于主触头分闸，从而使得分合闸电阻在隔离开关分合闸的整个过程中都是串联在回路中的，对VFTO起到了较好的抑制作用。实验表明，通过选用适当的电阻阻值（约几百欧，需根据具体情况计算得出），可以将VFTO幅值降至1.2倍额定电压以下。
分合闸电阻安装位置如图4。
4.2 通过优化GIS设备的制造工艺和内部结构来防止因导电微粒造成的局部绝缘水平下降
首先，在GIS的结构设计上会考虑即使出现导电微粒，也不会对GIS的绝缘水平造成影响，或者至少将影响降至最低。制造厂在设计GIS外壳尺寸时，考虑到导电微粒在GIS内部的运动特性，在绝缘子附近会设置捕捉微粒的陷阱，使微粒在交流电场作用下的跳动不足以与导电杆接触。同时在绝缘子内部设置屏蔽，减弱绝缘子附近的电场强度，使得落入陷阱的微粒不容易吸附在绝缘子上。具体结构优化形式见下图：
其次，从工艺设计上确保不产生导电微粒。如在图样上要求零件要去尖角毛刺，并且检查是否产生二次毛刺；避免使用不适当的材料，如铝材上加工的螺纹容易产生铝屑；装配图上指出容易产生导电微粒的地方并要求检查等。
还有，在制造环节尽量减少导电微粒的产生，防止微粒进入GIS内部。如零件端部倒圆角，及时清洗零部件，在灭弧车间装配，装配完成后利用超声波检测等措施来实施对导电微粒的控制。
此外，设计时应尽量提高隔离开关触头的分合速度。这样可以减少重燃次数、缩短燃弧时间，使出现VFTO的机率减少，同时，也可以在一定程度上降低最高过电压的倍数。
4.3 通过优化GIS操作来降低出现VFTO的可能性
空载母线越长，其上的残余电荷越多，剩余电压就越高，产生VFTO的可能性就越高。所以应规范操作人员的操作方式，不要通过隔离开关操作较长的GIS母线，以降低VFTO出现的概率。
操作人员应定期利用接地开关泄放残余电荷，降低剩余电压，也能达到降低VFTO出现可能性的作用。研究表明，利用接地开关泄放残余电荷，能把VFTO峰值有效地限制在2倍额定电压以下。
5 结语
VFTO问题的研究已成为近年来国内外高压电工领域的一个非常重要的课题。1988年国际大电网会议（CIGRE）在全球范围内进行的GIS用户调查报告中明确指出：GIS隔离开关操作产生的VFTO的确能造成套管和主变压器的绝缘击穿。近年来，国内对于500 KV等级及以上GIS中VFTO的影响和危害也做了较为深入的研究。鉴于500 KV等级的GIS已成为国内核电厂的重要电力设备，这些研究都为研究分析国内核电厂GIS中VFTO对周边设备的影响奠定了良好的基础。本文通过对GIS内VFTO的成因以及波形特点分析，提出了几种常用的抑制VFTO的方法。作为核电厂的运营方，对于VFTO对设备的危害应给予重点关注，在设备采购、安装、调试以及后续运行中都要时刻注意避免或者降低产生VFTO的概率。
参考文献
[1] Meppelink，J.， Diederich， K.J.，Feser，k.，Pfaff， W.R.Very fast transients in GIS[J].Power Delivery，IEEE Transactions on Volume 4，Issue l，Jan.1989（4）：223-233.
[2] 曾昭华，林集明，班连庚，等.特快速暂态过电压及其研究实例[J].电网技术，1996（20）：10-14.
[3] 何善庆.GIS中的快速暂态现象[J].高压电器，1995，31（2）：41-46.
[4] 王晓林，萧风良.GIS中的快速暂态过电压及影响因素分析[J].高压电器，1989 （5）：20-24.
[5] Boggs S.A. et al. Techniques and instrumentation for measurement of transients in gas-insulated switchgear[J].IEEE，1984， EI-19（2）：87-92.endprint
4.1 在隔离开关装设并联电阻（又称分合闸电阻）是目前较为常用的抑制VFTO的措施
这是目前各主要GIS制造厂抑制VFTO的通用办法。其原理是通过机械方法使电阻触头在隔离开关合闸操作时先于主触头闭合，在隔离开关分闸操作时晚于主触头分闸，从而使得分合闸电阻在隔离开关分合闸的整个过程中都是串联在回路中的，对VFTO起到了较好的抑制作用。实验表明，通过选用适当的电阻阻值（约几百欧，需根据具体情况计算得出），可以将VFTO幅值降至1.2倍额定电压以下。
分合闸电阻安装位置如图4。
4.2 通过优化GIS设备的制造工艺和内部结构来防止因导电微粒造成的局部绝缘水平下降
首先，在GIS的结构设计上会考虑即使出现导电微粒，也不会对GIS的绝缘水平造成影响，或者至少将影响降至最低。制造厂在设计GIS外壳尺寸时，考虑到导电微粒在GIS内部的运动特性，在绝缘子附近会设置捕捉微粒的陷阱，使微粒在交流电场作用下的跳动不足以与导电杆接触。同时在绝缘子内部设置屏蔽，减弱绝缘子附近的电场强度，使得落入陷阱的微粒不容易吸附在绝缘子上。具体结构优化形式见下图：
其次，从工艺设计上确保不产生导电微粒。如在图样上要求零件要去尖角毛刺，并且检查是否产生二次毛刺；避免使用不适当的材料，如铝材上加工的螺纹容易产生铝屑；装配图上指出容易产生导电微粒的地方并要求检查等。
还有，在制造环节尽量减少导电微粒的产生，防止微粒进入GIS内部。如零件端部倒圆角，及时清洗零部件，在灭弧车间装配，装配完成后利用超声波检测等措施来实施对导电微粒的控制。
此外，设计时应尽量提高隔离开关触头的分合速度。这样可以减少重燃次数、缩短燃弧时间，使出现VFTO的机率减少，同时，也可以在一定程度上降低最高过电压的倍数。
4.3 通过优化GIS操作来降低出现VFTO的可能性
空载母线越长，其上的残余电荷越多，剩余电压就越高，产生VFTO的可能性就越高。所以应规范操作人员的操作方式，不要通过隔离开关操作较长的GIS母线，以降低VFTO出现的概率。
操作人员应定期利用接地开关泄放残余电荷，降低剩余电压，也能达到降低VFTO出现可能性的作用。研究表明，利用接地开关泄放残余电荷，能把VFTO峰值有效地限制在2倍额定电压以下。
5 结语
VFTO问题的研究已成为近年来国内外高压电工领域的一个非常重要的课题。1988年国际大电网会议（CIGRE）在全球范围内进行的GIS用户调查报告中明确指出：GIS隔离开关操作产生的VFTO的确能造成套管和主变压器的绝缘击穿。近年来，国内对于500 KV等级及以上GIS中VFTO的影响和危害也做了较为深入的研究。鉴于500 KV等级的GIS已成为国内核电厂的重要电力设备，这些研究都为研究分析国内核电厂GIS中VFTO对周边设备的影响奠定了良好的基础。本文通过对GIS内VFTO的成因以及波形特点分析，提出了几种常用的抑制VFTO的方法。作为核电厂的运营方，对于VFTO对设备的危害应给予重点关注，在设备采购、安装、调试以及后续运行中都要时刻注意避免或者降低产生VFTO的概率。
参考文献
[1] Meppelink，J.， Diederich， K.J.，Feser，k.，Pfaff， W.R.Very fast transients in GIS[J].Power Delivery，IEEE Transactions on Volume 4，Issue l，Jan.1989（4）：223-233.
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[4] 王晓林，萧风良.GIS中的快速暂态过电压及影响因素分析[J].高压电器，1989 （5）：20-24.
[5] Boggs S.A. et al. Techniques and instrumentation for measurement of transients in gas-insulated switchgear[J].IEEE，1984， EI-19（2）：87-92.endprint
4.1 在隔离开关装设并联电阻（又称分合闸电阻）是目前较为常用的抑制VFTO的措施
这是目前各主要GIS制造厂抑制VFTO的通用办法。其原理是通过机械方法使电阻触头在隔离开关合闸操作时先于主触头闭合，在隔离开关分闸操作时晚于主触头分闸，从而使得分合闸电阻在隔离开关分合闸的整个过程中都是串联在回路中的，对VFTO起到了较好的抑制作用。实验表明，通过选用适当的电阻阻值（约几百欧，需根据具体情况计算得出），可以将VFTO幅值降至1.2倍额定电压以下。
分合闸电阻安装位置如图4。
4.2 通过优化GIS设备的制造工艺和内部结构来防止因导电微粒造成的局部绝缘水平下降
首先，在GIS的结构设计上会考虑即使出现导电微粒，也不会对GIS的绝缘水平造成影响，或者至少将影响降至最低。制造厂在设计GIS外壳尺寸时，考虑到导电微粒在GIS内部的运动特性，在绝缘子附近会设置捕捉微粒的陷阱，使微粒在交流电场作用下的跳动不足以与导电杆接触。同时在绝缘子内部设置屏蔽，减弱绝缘子附近的电场强度，使得落入陷阱的微粒不容易吸附在绝缘子上。具体结构优化形式见下图：
其次，从工艺设计上确保不产生导电微粒。如在图样上要求零件要去尖角毛刺，并且检查是否产生二次毛刺；避免使用不适当的材料，如铝材上加工的螺纹容易产生铝屑；装配图上指出容易产生导电微粒的地方并要求检查等。
还有，在制造环节尽量减少导电微粒的产生，防止微粒进入GIS内部。如零件端部倒圆角，及时清洗零部件，在灭弧车间装配，装配完成后利用超声波检测等措施来实施对导电微粒的控制。
此外，设计时应尽量提高隔离开关触头的分合速度。这样可以减少重燃次数、缩短燃弧时间，使出现VFTO的机率减少，同时，也可以在一定程度上降低最高过电压的倍数。
4.3 通过优化GIS操作来降低出现VFTO的可能性
空载母线越长，其上的残余电荷越多，剩余电压就越高，产生VFTO的可能性就越高。所以应规范操作人员的操作方式，不要通过隔离开关操作较长的GIS母线，以降低VFTO出现的概率。
操作人员应定期利用接地开关泄放残余电荷，降低剩余电压，也能达到降低VFTO出现可能性的作用。研究表明，利用接地开关泄放残余电荷，能把VFTO峰值有效地限制在2倍额定电压以下。
5 结语
VFTO问题的研究已成为近年来国内外高压电工领域的一个非常重要的课题。1988年国际大电网会议（CIGRE）在全球范围内进行的GIS用户调查报告中明确指出：GIS隔离开关操作产生的VFTO的确能造成套管和主变压器的绝缘击穿。近年来，国内对于500 KV等级及以上GIS中VFTO的影响和危害也做了较为深入的研究。鉴于500 KV等级的GIS已成为国内核电厂的重要电力设备，这些研究都为研究分析国内核电厂GIS中VFTO对周边设备的影响奠定了良好的基础。本文通过对GIS内VFTO的成因以及波形特点分析，提出了几种常用的抑制VFTO的方法。作为核电厂的运营方，对于VFTO对设备的危害应给予重点关注，在设备采购、安装、调试以及后续运行中都要时刻注意避免或者降低产生VFTO的概率。
参考文献
[1] Meppelink，J.， Diederich， K.J.，Feser，k.，Pfaff， W.R.Very fast transients in GIS[J].Power Delivery，IEEE Transactions on Volume 4，Issue l，Jan.1989（4）：223-233.
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[4] 王晓林，萧风良.GIS中的快速暂态过电压及影响因素分析[J].高压电器，1989 （5）：20-24.
[5] Boggs S.A. et al. Techniques and instrumentation for measurement of transients in gas-insulated switchgear[J].IEEE，1984， EI-19（2）：87-92.endprint

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