國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)旨在解決國家戰(zhàn)略需求中的重大科學(xué)問題，面向前沿高科技戰(zhàn)略領(lǐng)域超前部署基礎(chǔ)研究。“交直流特高壓輸電系統(tǒng)電磁與絕緣特性的基礎(chǔ)問題研究”作為國家973計劃項目，重點解決特高壓輸電線路安全性與經(jīng)濟性的協(xié)調(diào)，及關(guān)鍵設(shè)備核心設(shè)計技術(shù)的自主化難題。本報今起開辟“國家973計劃項目——特高壓電磁與絕緣特性科普系列”欄目，刊登該項目相關(guān)研究成果科普知識。

 

雷電是日常生活中常見卻令人害怕的現(xiàn)象，因其發(fā)生突然、放電猛烈、聲響巨大，且伴有極大的破壞力而成為不可忽視的自然災(zāi)害。人們常常被告知，雨天打雷時要關(guān)掉電視、不能在雷雨中接打手機，否則容易引發(fā)雷擊，造成人身傷亡、財產(chǎn)損失等。追根溯源，這就是過電壓對人身及家用電器造成的影響。

 

輸配電網(wǎng)中的各種電氣設(shè)備也會承受諸如雷電等各種類型的過電壓，即各種瞬態(tài)電壓沖擊。通過幾十年的研究，已基本能控制危害。隨著變電站封閉式組合電器(GIS)的廣泛應(yīng)用，尤其是輸電網(wǎng)電壓等級的逐漸提高，一種相對新型的過電壓現(xiàn)象——VFTO日漸凸顯，如何避免這類瞬態(tài)沖擊對輸配電網(wǎng)，尤其是特高壓電網(wǎng)的危害，成為了一個不容回避、亟待攻破的難題。

 

什么是VFTO

 

傳統(tǒng)過電壓可按電網(wǎng)內(nèi)部原因(操作過電壓、諧振過電壓等)和外部原因(主要指雷擊過電壓)進行分類，也可按持續(xù)時間分為暫時過電壓、操作過電壓、雷電過電壓等。一般而言，內(nèi)部過電壓持續(xù)時間長(毫秒級)，雷電過電壓持續(xù)時間短(微秒級)。而VFTO則兼具二者的特點，它由電網(wǎng)內(nèi)部原因——隔離開關(guān)帶電投切空載短管線操作產(chǎn)生，其沖擊波的頻率卻可能高達數(shù)百兆赫茲。簡而言之，VFTO可定義為波前時間在3～100納秒范圍內(nèi)的瞬態(tài)過電壓，主要來源于隔離開關(guān)操作，也可以稱為隔離開關(guān)操作過電壓。

 

VFTO產(chǎn)生的根本原因是隔離開關(guān)觸頭兩端的電壓差導(dǎo)致觸頭間隙擊穿，該擊穿瞬間會產(chǎn)生上升沿極陡的沖擊電壓，并在GIS內(nèi)部傳播。由于GIS回路各部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)不同，這種沖擊波經(jīng)過不斷的折、反射和波形疊加，最終形成可能對設(shè)備絕緣安全造成威脅的瞬態(tài)沖擊電壓。

 

與其他過電壓不同，因為觸頭的運動速度較慢，一次隔離開關(guān)操作中，可產(chǎn)生的VFTO波形可達數(shù)十甚至上百次之多。VFTO的大小會隨著觸頭間隙擊穿的情況而變化，簡單來說分閘過程中產(chǎn)生的VFTO幅值越來越大，合閘過程反之。而理論最大VFTO，即出現(xiàn)在隔離開關(guān)兩側(cè)電壓都處于峰值且極性相反時發(fā)生的擊穿。這種極端情況出現(xiàn)的次數(shù)多嗎，是不是可以避免?這些問題，都需要通過理論分析和實際試驗來回答。

 

既然是過電壓，VFTO的首要危害當(dāng)然是對一次設(shè)備絕緣的影響(如造成盆式絕緣子的閃絡(luò)故障)。除此之外，因智能變電站設(shè)備布置緊湊，一次設(shè)備和二次設(shè)備距離很近，也會導(dǎo)致二次設(shè)備易受到各種電磁污染的影響而發(fā)生誤動誤報(如繼電保護裝置誤報故障)，甚至出現(xiàn)直接失效(如密度繼電器損壞故障)的嚴重情況。

 

在我國特高壓工程投運初期，因?qū)μ馗邏篤FTO特性、危害和抑制方法的有效性等缺乏研究，在特高壓變電站中都盡量避免隔離開關(guān)帶電投切短母線的操作，這給變電站運行帶來極大不便，影響特高壓電網(wǎng)運營效益的提升。所以，從變電站設(shè)備安全性、運行可靠性等方面來說，深入研究特高壓變電站電磁暫態(tài)過電壓的機理及其防護方法，有著強烈的現(xiàn)實需求。

 

特高壓VFTO的特性

 

要搞清楚VFTO的特性，最直接的方法是通過實測得到VFTO的波形，而VFTO的特點決定了測量系統(tǒng)一方面需要準確記錄高達上百兆赫茲的高頻波形細節(jié)，另一方面還要準確記錄其中的低頻分量、工頻分量乃至準直流分量。這就要求測量系統(tǒng)為高低頻特性都要優(yōu)異的全能型選手。經(jīng)過多方攻關(guān)努力，最終這個問題通過高頻特性優(yōu)異的窗口式電容分壓器，外加集成阻抗變換器的測量方案獲得完美解決。

 

具備了性能優(yōu)異的測量系統(tǒng)，開展一系列實測工作以研究特高壓VFTO特性變得水到渠成。通過在特高壓交流試驗基地建立的特高壓真型GIS試驗回路，我國在世界上首次開展了4000余次隔離開關(guān)操作試驗，研究了各個因素對VFTO的影響，如GIS結(jié)構(gòu)型式、接線布置、安裝方式等。

 

從試驗結(jié)果看，試驗回路上得到的最大VFTO約為2037千伏，上升時間約30～60納秒，陡度約為30～40千伏/納秒。VFTO波形特性主要由隔離開關(guān)擊穿特性和回路參數(shù)所確定，且對GIS長度極為敏感，有時長度差別僅1米，VFTO波形的幅值可能相差數(shù)十甚至上百千伏。

 

出現(xiàn)最大VFTO的概率與隔離開關(guān)速度相關(guān)性較大，慢速隔離開關(guān)約為2%，快速隔離開關(guān)的概率不到5%。結(jié)合隔離開關(guān)動作的行程特性和間隙擊穿過程，通過仿真軟件對一次完整操作進行仿真計算，結(jié)果表明，當(dāng)觸頭速度低于一定值(如0.4米/秒)時，理論上可完全避免出現(xiàn)前述理論最大VFTO的條件。這就是說，通過一定的設(shè)計措施，可減小變電站的VFTO水平。

 

GIS在VFTO下會發(fā)生絕緣故障嗎?這涉及到在VFTO作用下的絕緣耐受特性研究。為此，我國率先在世界上研制了標稱3兆伏、輸出波形參數(shù)最高的VFTO和雷電沖擊交互產(chǎn)生一體化裝置，通過該裝置對VFTO作用下GIS典型絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿特性進行了較為深入的研究，在國際上首次獲得了真型尺寸GIS在VFTO下絕緣特性數(shù)據(jù)，奠定了絕緣配合的基礎(chǔ)。

 

特高壓VFTO的防護

 

談到VFTO的防護，首先要考慮的就是防護的必要性。對于不會造成絕緣損壞的過電壓，自然無須多慮，但變電站內(nèi)VFTO的水平到底有多高?最可行的方法是利用軟件進行仿真計算來評估。結(jié)合前述的實測波形，我們實際上已獲得準確性較高的模型及計算方法，仿真與實測的差別小于5%，已具備工程應(yīng)用的條件。

 

對于變電站仿真得到的VFTO水平可能引起絕緣損壞的情況，就有必要采取一定措施加以抑制。從最原始的理論出發(fā)，在發(fā)生過電壓時，串入一個電阻來消耗過電壓的能量，正常運行時為了避免產(chǎn)生過多的熱量，這個電阻需要退出運行。這也是工程上經(jīng)常采用的一種限制VFTO的措施的理論來源，在隔離開關(guān)觸頭間加裝阻尼電阻。在隔離開關(guān)靜觸頭側(cè)加裝阻尼電阻，隔離開關(guān)合閘過程中，動觸頭與阻尼電阻觸頭先放電，然后與靜觸頭接觸，將阻尼電阻退出運行;隔離開關(guān)分閘過程中，動、靜觸頭分開后，動觸頭與阻尼電阻觸頭間產(chǎn)生電弧;隔離開關(guān)開合過程中，阻尼電阻被串入放電回路，會對VFTO幅值及其振蕩產(chǎn)生明顯抑制。

 

隔離開關(guān)安裝阻尼電阻，是一種被工程實踐和理論都證明了的有效抑制VFTO的措施，但是增加了隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，使可靠性降低，造價提高15%以上。為此，研究提出了一種應(yīng)用磁環(huán)抑制VFTO的方法，其原理簡單、實現(xiàn)容易、對設(shè)備的結(jié)構(gòu)和可靠性影響很小，同時成本較低。

 

磁環(huán)抑制GIS中VFTO的方法是將磁環(huán)安裝在GIS隔離開關(guān)附近的中心導(dǎo)體上。正常工作時，導(dǎo)體上和電流為50赫茲，由于頻率很低，磁環(huán)表現(xiàn)出的感抗及對系統(tǒng)的影響可以忽略不計。VFTO產(chǎn)生時，導(dǎo)體上流過的行波變電流頻率很高，在兆赫茲以上，磁環(huán)表現(xiàn)出較大的感抗，相當(dāng)于在導(dǎo)體中串接入一個非線性電感，行波的陡度將被降低。磁環(huán)的等效電感越大，行波的陡度將降低越多。同時，磁環(huán)的材料在高頻下將產(chǎn)生渦流損耗，行波的能量將被磁環(huán)吸收并轉(zhuǎn)化成熱量，行波幅值因而被衰減。

 

利用磁環(huán)串裝置抑制特高壓GIS中VFTO的試驗已經(jīng)在上述試驗回路上開展，結(jié)果表明所用磁環(huán)裝置可以有效抑制VFTO，VFTO最大幅值被限制在1.4p.u.以下，高頻振蕩受到明顯抑制，不失為一種工程上可推薦的VFTO防護措施。