毕业论文-GIS中快速暂态过电压的影响因素

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文哈尔滨理工大学学士学位论文-PAGEII--PAGEII-GIS中快速暂态过电压的影响因素摘要GIS(GasInsulatedSwitchgear)就是气体绝缘全封闭组合电器，是高压配电装置的一种形式。由于GIS具有结构紧凑、占地面积小、运行可靠、维修方便且周期长、与周围环境隔绝等优点，近年来得到广泛应用。但随着GIS的不断发展，GIS在运行操作过程中产生的快速暂态过电压(VFTO)对设备本身以及相邻设备的影响受到了越来越多的关注。GIS中的VFTO是由于GIS内开关操作（隔离开关、断路器、负载开关和接地开关）或GIS内部放电引起的快速暂态过电压。GIS中的VFTO主要由隔离开关的操作引起。GIS隔离开关由于分合速度慢、灭弧能力差等原因，在分合闸操作过程中，动、静触头很容易出现多次燃熄现象，很容易引起快速暂态过电压。快速暂态过电压由于幅值较高、陡度大、频带宽的对GIS设备的绝缘支撑件、套管以及传播到外部对GIS所连的二次设备都有很大的危害。为了提高GIS的可靠性，减少GIS故障，针对VFTO的影响因素及抑制措施，国内外对VFTO已经作了大量研究。本文主要对GIS的特点，VFTO国内外研究现状，VFTO的特点、产生原因和危害，影响VFTO的主要因素和对VFTO抑制的主要措施进行阐述。关键词:气体绝缘全封闭组合电器（GIS）；快速暂态过电压(VFTO)；影响因素；抑制InfluenceFactorsonVFTOinGISAbstractGIS(GasInsulatedSwitchgear)whichisgasinsulationmetalclosesswitchequipment,isonekindformofhigh-voltagepowerdistributiondevice.Becauseofsomanyadvantagessuchascompactstructure,smallarea,reliableoperation,repaireasyandlongcycle,withthesurroundingenvironmentisolatedetc,itisthatGISisputtinginusebroadlyinrecentyears.ButwiththedevelopmentofGIS,GISintheoperationprocessresultinginveryfasttransientovervoltage(VFTO)onthedeviceitselfandtheinfluenceofadjacentdeviceshasattractedmoreandmoreattention.VFTOofGISthatisproducedbyswitch(disconnector,circuitbreaker,loadswitch,groundswitch)operationinGISorinternaldischargeinGIS.VFTOofGISismainlycausedbydisconnectoroperation.Intheopeningclosingminutesduringoperation,becauseofdisconnectorinGISduetoslowspeed,quenchingcapacityandotherreasons,dynamic,staticcontactiseasytoappearmultipletimesignitionquenchingphenomenon,itiseasytocausefasttransientovervoltage.Fasttransientovervoltagebecauseofhighamplitude,biggradient,widefrequencybandbadlyendangersGISequipmentinsulatedbolster,bushing,andtransmittedtotheexternalGISattachedthesecondapparatusgreatharm.InordertoimprovethereliabilityofGIS,decreaseofGISinVFTOfault,influencefactorsandcontrollingmeasures,bothathomeandabroadresearcherhavedonemuchresearchonVFTO.ThispaperfocusesonthecharacteristicsofGIS,VFTOresearchstatusathomeandabroad,thecharacteristicsofVFTO,thecauseandhazard,themajorinfluencefactorsofVFTOandVFTOinhibitiononthemainmeasureswerereviewed.Keywords:GIS(GasInsulatedSwitchgear);influencefactors;VFTO(veryfasttransientovervoltage);suppressionPAGEII---PAGEIV-目录摘要 =1\*ROMANIAbstract =2\*ROMANII第1章绪论 11.1课题背景 11.2GIS中VFTO的研究背景 21.2.1实验室实验 31.2.2现场实测 41.2.3影响因素 41.3本文主要内容 4第2章快速暂态过电压的产生及其特性 52.1快速暂态过电压(VFTO)的形成和传播 52.1.1VFTO的形成机理 52.1.2VFTO的传播 72.2GIS中特快速暂态现象的特点和分类 82.2.1GIS中特快速暂态过程的特点 82.2.2GIS中的特快速暂态现象的分类 92.3本章小结 11第3章快速暂态过电压的危害 123.1VFTO作用下绝缘损坏的原因 123.2VFTO过电压产生的危害 133.2.1内部VFTO对GIS装置内部绝缘的危害 143.2.2外部VFTO对GIS装置外部电气设备绝缘的危害 143.2.3VFTO对二次设备的危害 163.2.4VFTO的累积效应 163.3本章小结 16第4章影响VFTO的因素 174.1残余电荷电压的影响 174.2熄弧时间的影响 204.3GIS支路长度的影响 204.4弧道电阻的影响 214.5变压器入口电容的影响 214.6支撑绝缘子等值电容的影响 234.7隔离开关合分闸速度的影响 244.8变压器进出线长度的影响 244.9绝缘气体组分的影响 244.10接点位置的影响 244.11高压电缆长度的影响 254.12本章小结 25第5章VFTO抑制方法 265.1隔离开关装设并联电阻 265.2主变压器入口处加装并联电容器 305.3加装MOA避雷器 315.4加装R-C滤波器 345.5加装铁氧体磁环 355.6采用架空线连接主变和GIS套管 375.7其他措施 375.8本章小结 37结论 38致谢 41参考文献 42附录 46-PAGE10--PAGE67-绪论课题背景随着现代社会的飞速发展，经济的增长对能源的需求也愈来愈大，特别是电力资源，电力建设的规模也逐渐变大，电力建设对资源的消耗也愈来愈大，为了既满足经济对能源的需求，又能够节约现有的有限资源，合理的建设设计电力设施、设备就显得尤为重要了。其中SF6气体绝缘全封闭组合电器（GasInsulatedSwitchgear,即GIS）就是一个很典型的例子，GIS就是气体绝缘金属封闭开关设备，它将一座变电站中除变压器以外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、母线、电缆终端、进出线套管等，经优化设计有机地组合成一个整体，并封闭于金属壳内，充SF6气体作为灭弧和绝缘介质组成的封闭组合电器。它与传统的空气绝缘变电站(AIS)相比，除了变压器、架空线以外，其他的所有电器设备都已密封在金属外壳中，并且以绝缘和灭弧性能良好的SF6为介质。因为GIS具有占地面积小，可靠性高，安全性强，环境影响小，安装方便，维护工作量很小等优点，使得高压、超高压输变电直接进入市区成为可能，近年在世界各地的应用越来越广泛。目前，世界上GIS电压等级已经达到1100kV，我国电力系统中，GIS电站在110kV、220kV、500kV等电压等级被广泛的使用，我国最高运行电压为750kV。尤其是举世瞩目的三峡水电厂等，在我国高压示范线路中使用了GIS设备。随着GIS额定电压等级的提高，GIS的不断完善和电力系统发展的需要，土地资源、环境保护和人才费用的上扬，其应用优势更趋于明显，GIS的发展更加可观。GIS正在朝共筒化、复合化、小型化、智能化、超高压大容量化方向发展。在GIS中，由于断路器、隔离开关、以及接地开关操作或带电线路对地闪络，甚至雷电波的入侵，都可能会在GIS内部产生一个上升速度极快（一般为几到几十纳秒）的雷电陡波，这个电压陡波沿着GIS管道传播，遇到波阻抗发生改变就会发生反射和折射，所有在GIS中产生的多次发射和折射的各行波分量叠加在一起，导致高频振荡，就会形成波头很陡、频率高达几到几十兆赫兹数量级的过电压，该过电压称为快速暂态过电压(VFTO，VeryFastTransientOvervoltage)。大多数情况下很高过电压峰值在1.5～2.5p.u.。研究表明，GIS变电所隔离开关开合短线时可能产生高达3p.u.的左右VFTO，对GIS本体绝缘和二次设备可能构成危害[1]。VFTO的波形中有多个振荡频率，若VFTO含有的振荡频率位于变压器的某些频率的谐振点，还可能产生谐振荡电源,对设备影响极大。VFTO幅值较高、陡度大，频带宽，由数百千赫兹到高达200MHz，对GIS本身及周围的其他设备都构成极大的危害[2]。因此抑制VFTO对电力设各正常运行显得特别重要[3]。国内外已经运行的GIS电站中，就曾出现VFTO损坏电站设备的严重事故，仅500kVGIS变电站就有[4]：(1)亚湾核电站两台400kV/500kV、900MVA的联络变压器，分别在调试期间和投入运行一年后在隔离开关的操作过程中发生了绝缘击穿，造成变压器最后烧毁的事故。导致变压器烧毁的原因是隔离开关操作向母线充电，在GIS内部产生了特快速暂态传输电压。VFTO从线圈端头注入线圈后，在线圈内部电压分布严重不均，导致匝间绝缘击穿。(2)华东天荒坪抽水蓄能电厂的500kVGIS，曾出现由于例行操作而造成变压器保护用氧化锌避雷器频繁动作的现象，也认定是快速暂态过电压引起。广东抽水蓄能电厂、四川二滩水电厂等拥有500kVGIS的单位都有快速暂态过电压引起保护用氧化锌避雷器计数器频繁动作的事例发生。(3)巴西的Grajau500kVGIS在运行初期，曾因隔离开关例行操作产生特快速暂态过电压造成500kV油纸套管的炸裂和变压器故障。(4)2001年浙江北仑电厂一台500kV联络变压器因快速暂态过电压导致损坏。因此将VFTO的幅值和陡度以及频率抑制在一定的范围内对电力设备正常运行显得特别重要，特别是要研究能对VFTO起到影响作用的因素，进而通过人为措施能够减小VFTO对电力设备的危害，保证安全和人们正常生活，减小经济的损失。国内外已经对VFTO做了很多相关的研究。GIS中VFTO的研究背景GIS变电站中，断路器、隔离开关和接地开关操作以及发生单相接地短路故障都会产生VFTO，其中隔离开关操作是其产生的主要原因。由于VFTO具有幅值高、波前陡、频率高和多次连续脉冲的特点，它对GIS及其连接的绕组类设备（如变压器）绝缘有重要影响；同时，它也会在GIS外壳与外部引线连接处产生瞬态壳体电位，引起二次设备的误动作。因此，VFTO已成为国内外研究人员关注的焦点。针对VFTO国内外对此也进行了大量研究。70年代中期开始对VFTO的起因、组成、特性、影响因素、传播机理、危害等进行了研究；1988年多国联合，集中研究了VFTO的模拟计算、测量技术以及对各种设备的影响[6]。近年来有很多专家学者在抑制VFTO的措施方法等方面作了大量的开创性研究工作，但由于VFTO现象复杂、影响因素众多，现有的抑制措施中还存在着一些缺陷和不足。近年来随着国内高电压等级GIS的使用越来越普遍，电力系统受VFTO的影响也越来越突出，我国学术界也正在进行大量这方面的研究。针对GIS的产品设计，20世纪80年代开始国外一些厂商对超高压系统中隔离开关操作产生的VFTO现象进行大量研究，设计了VFTO测量系统，采用模拟试验和数字仿真方法分析VFTO的特性、对设备绝缘的影响和二次设备的电磁干扰等，提出了隔离开关加装阻尼电阻抑制VFTO的措施。国内在252kV试验回路中进行了VFTO研究，结合750kV输电工程调试对VFTO进行了现场实测。国内对500kV、750kVGIS变电站的VFTO进行仿真计算，结合750kV输电工程调试进行了实测[5]。国内外VFTO的研究极少1000kV系统，只有日本对特高压交流试验示范工程开展了VFTO的仿真计算。随着电压等级的提高，GIS设备的雷电冲击耐受电压与VFTO间裕度减少，特高压系统，更为突出。在中国着力推进特高压骨干网架建设的形式下，研究特高压GIS的VFTO特性及其影响显得尤为必要和迫切。为此，国家电网公司2009年立项开展“特高压GIS/HGTIS设备VFTO实测及仿真研究”，对特高压系统的VFTO测量、仿真及VFTO下的绝缘特性、TEV和电磁干扰等进行了研究，取得了阶段性进展。英国、日本、瑞典、巴西和南非等国家对超高压系统的VFTO特性进行了实验室试验和少量的现场实测,分析VFTO的影响因素。随着我国近年来500kV变电站和气体全封闭组合电器GIS的投入运行，由于VFTO所带来的问题也越来越突出，中国电力科学研究院、清华大学、华北电力大学等单位已经开展了一些研究工作。实验室实验为优化设计GIS产品，国内外一些厂商和科研机构在实验室建立VFTO试验回路，对VFTO特性进行了大量的试验研究。如20世纪80年代英国NEIReyrolle公司设计了420kVGIS隔离开关操作产生的VFTO模拟试验平台，进行了30次隔离开关操作。测量结果表明，隔离开关合闸过电压水平为1.3~2.1p.u.，分闸过电压范围为1.4~1.7p.u.，分闸后负载侧的残余电压为−300~300kV。西安高压电器研究所在20世纪90年代初建立了252kVGIS试验回路，对隔离开关进行了15次合分操作，测量到的VFTO上升时间为18~28ns，频率为9~14MHz，最大值为1.775p.u.。1988年，CIGRE总结国际上VFTO特性试验的研究成果，出版了VFTO研究的技术专论。在此基础上，IEC制定了相关标准，提出了能产生相对严重VFTO并用于隔离开关带电操作考核的典型试验回路。目前，该回路也被用作试验研究VFTO特性的典型回路。日本建立了实验室的VFTO模拟试验回路，对1100kV隔离开关带阻尼电阻操作产生的VFTO进行了一些试验研究，表明阻尼电阻可有效限制VFTO。现场实测现场实测能得到实际的VFTO波形，国内外在实际工程调试中进行了少量的VFTO实测。巴西对500kVGrajauGIS变电站中隔离开关操作在变压器上产生的过电压进行了测量，过电压上升时间为6~20ns，幅值为0.3~0.46p.u.。为验证VFTO仿真模型和计算方法的正确性，南非对765kV示范工程中的VFTO进行了实测，得到了VFTO的幅值和频率特征。中国在750kV输电工程调试时，用套管末屏法对银川东变电站的隔离开关操作产生的VFTO进行了测量，最大过电压为763kV，低于设备的LIWV，VFTO的最高频率为1.75MHz。影响因素隔离开关操作速度是影响VFTO的重要因素。阻尼电阻是限制VFTO的主要手段。目前国外对抑制VFTO种方案ABB认为操作速度慢，残余电压低,VFTO幅值也低，不需要采用阻尼电阻；东芝公司则认为操作速度快，重击穿次数少，对于高幅值的VFTO可采用阻尼电阻进行限制。ABB对慢速隔离开关的实测结果表明，99％的残余电压为0.4p.u.左右，500kV和1100kV隔离开关操作产生的残余电压概率分布接近对称分布是由隔离开关两侧分别施加电源电压产生的残余电压组合而成的；操作速度对残余电压的影响，随着操作速度提高，残余电压增加。东芝公司提出的隔离开关安装阻尼电阻限制VFTO的措施，在开关动作过程中，阻尼电阻被串入放电回路，VFTO的幅值及其振荡受到了明显抑制。本文主要内容(1)本文对GIS中的VFTO的产生机理和VFTO传播以及VFTO的特点进行阐述。(2)叙述VFTO产生的危害，阐述GIS中产生VFTO对电力设备和安全的影响。(3)分析产生VFTO的影响因素。(4)说明VFTO的抑制措施。快速暂态过电压的产生及其特性GIS中快速暂态过程形成的原因主要是：(1)GIS中的隔离开关、接地开关和断路器的操作；(2)雷击或其他原因引起的跳闸；(3)运行中的绝缘故障。GIS的VFTO主要由隔离开关的操作引起。GIS隔离开关由于分合速度慢、灭弧能力差，在分合闸操作过程中，动、静触头很容易出现多次燃熄现象,由于短时间内重复发生多次重燃，从而可能会导致快速暂态过电压的形成。操作断路器在GIS中也有可能产生VFTO，但因为断路器触头运动速度非常快，很少发生复燃，因而产生VFTO的概率极小[7]。由于VFTO具有幅值较高、陡度大、频带宽等特点，它在产生之后以行波的方式通过母线传播到套管，在壳体和对直接构成壳体暂态地电位升高，另一部分耦合到架空线路上，沿架空线路传播，会对GIS本身绝缘和相邻设备及二次设备产生危害。本章主要介绍快速暂态过电压形成机理和传播，并简单介绍快速暂态过程的特点。快速暂态过电压(VFTO)的形成和传播VFTO的形成机理本文以隔离开关操作合上一段不带电的GIS支路为例对VFTO的形成机理进行简单的分析如图2-1[8]，该段不带电GIS支路为一个电气“孤岛”，可以近似看作是一个集中电容。当前次该段GIS支路被GIS断路器切断后，残余电荷会保留在集中电容（该段不带电的GIS支路）上，并保持相当长的时间。当隔离开关操作合上该段不带电的GIS支路时，触头间电压差达到一定幅值时就会发生间隙击穿并形成电弧。这个过程与电网中断路器合切空载线路（或电容器）时的重燃现象很相似。理论上，GIS中触头间击穿而形成的电弧要一直维持到振荡衰减完毕，约几十微秒时，才会熄灭[9][10]；但是事实上，该电弧受隔离开关动触头运动、GIS内部SF6气流以及灭弧等因素的影响，极易熄灭，其燃熄弧时间非常短，因此当隔离开关间隙再次发生重燃时，集中电容上的残余电压便是前一次燃弧瞬间的电源电压，随着触头间距离缩短，击穿电压变得越来越低。随着电源电压的变化，触头间恢复电压又一次升高，从而在短时间内重复发生多次重燃而产生多次VFTO过电压。由于隔离开关的分合速度很慢，导致重击穿在GIS隔离开关的操作过程中将发生几十次甚至数百次之多。从而产生一连串波前极陡、频度极密、正负极性都有的快速暂态过电压。隔离开关在切合空载母线时的等值电路如图2-2所示，就过电压的幅值而言，其极值为：（2-1）式中：K为振荡或过冲系数；UTC为残留电荷电压；US为电源电压。图2-1隔离开关示意图图2-2隔离开关切合空载母线等值电路有文献[11]指出VFTO在最高峰值在关闭操作附近。隔离开关在GIS中是一个比较复杂的开关元件，它主要用于电路无电流区段的投入和切除。隔离开关操作时产生的VFT和它在GIS母线上的来回折反射所形成的VFTO，具有上升时间短及幅值高的特点。其上升时间为2~20ns，对正常设计的GIS，估计这一上升时间最快可达3ns[6]。幅值为1.5~2.0p.u.，最高可达2.5p.u.在最极端的情况下，隔离开关合闸时UTC→1.0p.u.；US→-1.0p.u.；这时△U→2.0p.u.，Umax→3.0p.u.。基本振荡频率为5~10MHz，但高频分量在100MHz范围内，这种过电压对GIS设备的母线支撑件、套管等以及所连接的二次设备都有很大的危害，也是VFTO的最主要形式。快速暂态过电压的振荡频率依赖于电站参数和GIS的布置，开合操作产生的冲击陡波将沿隔离开关断口向两侧母线传播，其传输速度略小于光速，在母线上相连的各电气节点上因各设备的特性阻抗不同而出现折反射，使得快速暂态过电压的暂态波形趋于复杂。对于GIS隔离开关分闸操作VFTO过电压，形成机理也基本一致。其差别在于：对于GIS隔离开关合闸操作，动、静触头距离逐渐变小，VFTO过电压波形呈现出先疏后密的特点；而与之相反，对于分闸操作，由于动、静触头距离逐渐变大，VFTO波形呈现先密后疏的特征。断路器在合闸空载线路时会产生快速暂态过电压。断路器在GIS中通常执行正常的合闸任务，即正常合闸和自动合闸。由于初始条件的差别，重合闸的VFTO是合闸过电压中比较严重的情况。因为在重合闸以前，线路上存在残余电荷，它将影响过电压的倍数。利用断路器切除空载变压器、并联电抗器及电动机等式常见的操作方式，它们属于分断小电流情况，也可以产生VFTO。VFTO的幅值与断路器的截流值有关，其他条件相同，截流值愈大，过电压的幅值愈大，变压器的参数对过电压的幅值也有一定的影响。其中文献[8]指出操作断路器在GIS也很有可能产生VFTO，但因为断路器触头动作速度非常快，很少发生复燃，因此产生VFTO的概率很小。VFTO的传播当GIS产生的VFTO以行波方式通过母线传播到套管时，瞬态的一部分耦合到壳体与地之间，构成壳体暂态地电位升高，另一部分耦合到架空线路上，沿架空线路传播。壳体暂态地电位升高的原因是由于集肤效应，电流波在壳体外表面流过，产生地电位升高。外壳暂态地电位的存在将产生一电磁场，对二次设备产生共模感应电压，在此电压作用下，二次设备上可产生一暂态感应电压，它可通过控制电缆传输至控制室。这将影响到与GIS相互的继电保护、测量仪表、信号等二次设备，并造成损害。尤其是目前二次设备中微电子元器件的应用使此问题更加突出和敏感。架空线路及与其连接的设备上的瞬态过电压是VFTO沿架空线路传输过来的，其电压上升率可在10~30MV/μs范围之内，其作用电压和载波相似，甚至可以超过它[12]。因此，与GIS外接高压设备的绝缘，会受到VFTO过电压的损害。由于GIS系统内外装备的布局、管道传输损失、集肤效应等引起行波折射、反射不同，且VFTO波头陡度很大，即使相距很近的两个设备VFTO波形，也可能出现明显的不同。当VFTO在GIS管道内流动时，高频电流的集肤效应使电磁波被限制在导体的外表面和外壳的内表面，并且遇到波阻抗改变时，就会产生折射和反射,所有在GIS管道产生多次反射和折射的各行波分量叠加在一起，形成VFTO波形。对直接与GIS连接的变压器，高达数兆赫兹频率的VFTO，可以通过SF6套管侵入变压器内部；对通过两个套管和架空线，与GIS非直接连接的变压器，传播的频率约为1MHz左右。在上述两种情况下，VFTO均可侵入变压器绕组内部，危害变压器绕组内部绝缘。GIS中特快速暂态现象的特点和分类GIS中特快速暂态过程的特点GIS中的快速暂态过程和快速暂态过电压来源于隔离开关、断路器的例行操作及接地故障，甚至可能是雷电波入侵，是操作或故障时电弧不断重燃所引起的，该过电压的特点为[13]：(1)波前很陡，其上升时间通常为纳秒级，远小于雷电冲击电压的波前时间。GIS中的电气元件均在稍不均匀电场下工作，只有SF6间隙出现先导型放电时才会形成击穿现象，所以在隔离开关触头间隙发生击穿时，起弧过程非常迅速，使得注入网络的电压波形具有极高的上升或下降坡度。(2)持续时间短，一般只有几毫秒，以及隔离开关节点在GIS装置中位置密切相关，而且在GIS的运行接线方式直接相关。(3)VFTO有频率很高的高频分量，一般在0.1～100MHz范围内。GIS中由于SF6的绝缘强度远远高于空气，相邻电气设备的间距和母线长度都比同类型空气绝缘电站小很多，过电压行波在GIS中以接近光速的速度进行复杂的折射，反射和叠加，所需时间非常短，使得VFTO过电压暂态振荡频率很大。(4)VFTO的幅值并不高，实测和模拟试验表明VFTO一般不超过2.5p.u.[29][30]，但可能会更高[14]。(5)发生频率高，每次操作会有数十到数百次不同幅值的暂态发生。其中IEC60071-1：1993和GB311．1-1997L33提出的VFTO或陡波前过电压典型波形见图2-3，开始部分的振荡波的频率可达300kHz～100MHz[4]。图2-3VFTO典型波形实际上，在任何变电站都会有隔离开关，断路器例行操作及接地故障，但在空气绝缘变电站中，开关操作而引起的暂态过程远没有GIS中的严重，而在GIS中会引起波头很陡的特快速暂态过电压，这是因为[4][23]：(1)GIS以SF6气体为介质，一般GIS中SF6气压为0.3~0.4Mpa，比常压下的空气绝缘强度高十多倍，其电子雪崩临界值E/Po为890kV/(em·Mpa)，是空气的3.7倍，只有在等于或大于此I临界值时，才出现预击穿或重击穿，因此过电压有一定幅值。(2)GIS的绝缘介质SF6其它的绝缘和灭弧性能，在2个大气压下即可和绝缘油相比拟。这使得GIS可大幅度缩小带电部分对地的有效距离。故GIS的对地电容比常规线路增大l~2个数量级，它的容性电流较大，所以GIS的残留电荷电压较高，这也使其过电压有一定幅值。(3)GIS中所有的电气元件是在稍不均匀电场下工作的。在均匀或稍不均匀电场中，形成的冲击陡波上升时间Tr的计算公式为：(2-2)式中，Δu为击穿电压(kV)；Kt为Toepler常数(Kt=50kV·ns/cm)；s为火花长度(cm)；Δu/s=(E/P0)·P·η。对于采用SF6气体为绝缘介质的GIS而言，E/P0为860KV/(cm·Mpa)，P=0.3~0.4MPa，而通常GIS的利用系数η=0.5~0.8，由此估算出正常的GIS中冲击陡波的上升时间Tr是纳秒级的。D.povh等人对420kVGIS中快速暂态过电压的测量结果也表明，快速暂态过电压冲击陡波的上升时间的范围为2~20ns。并随着电极的粗糙、电场分布不均匀性的增加，Δu/s会下降，Tr会有所增大，但是产生的波头仍然是非常陡的。(4)GIS中的冲击陡波形成后，将沿GIS的母线传输，其问引起的暂态振荡频率与母线的长度有关。由于SF6的绝缘强度远高于空气，因而GIS中相邻电气设备的间距和母线长度都比同型空气绝缘变电站小的多，冲击陡波在GIS中折、反射所需时间很短，另外GIS中各元件和管形金属壳体基本同轴布置，GIS的波阻抗约20~96Ω，约为常规线路的1/2~1/5，所以暂态振荡的频率极高，一般在0.1~100MHz范围内。GIS中的特快速暂态现象的分类GIS中陡波前过电压分为内部暂态和外部暂态。内部暂态是指在GIS内部的暂态过程，所形成的过电压作用于GIS内部导体与壳体之间，危及GIS内部的设备。外部暂态是由GIS内部暂态过电压波传播到GIS外部引起的，它可以危及GIS外的一次设备或使GIS的壳体电位升高，也可形成向外辐射的电磁波，危及敏感的二次设备。由于GIS内、外的布局及阻尼效应（如传输损失，集肤效应等）不同，冲击陡波的折射、反射也不同，所以这些瞬变过程具有不同的波形。GIS内部VFTOVFTO的振荡频率由GIS母线的电气长度决定，这是行波的一个特点。GIS中的隔离开关在切合电容性电流时，会产生多次重燃。触头间隙两端的电压在几个毫微秒内突然跌落。该电压陡波在GIS内产生行波，引起内部VFT，它主要包括以下3个部分。(1)数百千赫兹的基本振荡频率f1，它是由系统决定的，包括GIS及邻近设备。其幅值不高。绝缘设计不取决于它的数值。(2)约50MHz的VFT的频率f2，它是陡行波在GIS内通过节点间的波反射形成的，是构成VFTO最重要的部分，它决定绝缘的设计。(3)约200MHz的振荡频率f3，它是由GIS内部相邻部件波反射形成的，它叠加到极快速瞬态过程上，通常其幅值比较低。GIS内部产生的VFTO以行波方式通过母线传到套管，一部分在管道内部流动，到达管道终端时，耦合到GIS的架空线上，沿架空线传播，另一部分耦合到GIS壳体与地之间，构成壳体的地电位升高，称为外壳暂态地电位升。GIS外部过电压当GIS内部隔离开关操作所产生的VFTO以行波方式沿母线传播，到达套管后，一部分沿着架空线传播，作用到邻近设备上；另一部分则耦合到壳体与地之间，使GIS壳体上形成暂态地电位升高(TGPR，TransientGroundPotentialRise)，又叫做暂态外壳电位升(TEPR，TransientEnclosurePotentialRise)；沿架空线传播的外部暂态过电压与接地系统的暂态电位升高都会形成暂态电磁场，产生空间辐射干扰。它们包括：(1)外壳瞬态电压(TEV，TransientEnclosureVoltage)当隔离开关操作所产生的过电压以行波方式在管道内流通时，由于电流的集肤效应，电流仅沿母线管道的表层流通，并通过管道与外壳间的耦合电容流回。当行波流到GIS管道的终端，如GIS母线与架空线相连的套管处，电磁波的部分将通过架空线对地及外壳对地的电容耦合回路返回，使外壳对地电位升高，它的幅值范围一般在0.1~0.25p.u.之间。(2)瞬态电磁场沿架空线传播的外部暂态过电压与接地系统的TGPR都会形成暂态电磁场，该电磁场从壳体和架空线向四面辐射，会危害到二次设备，如电子设备的外壳受到暂态电磁场的影响，会在电子电路内感生电压或电流。靠近壳体电场的典型幅值为数十kV/m。电磁场的频率取决于GIS的布置，典型范围为10~20MHz。GIS周围的空间暂态电磁场(TEMF，TransientElectromagneticFielsd)电场强度为E=1~10kV/m，变化率dE/dt=103~105kV/μs，因此，在微电予设备广泛应用于电力系统的今天，必须考虑二次弱电设备的电磁兼容问题。这些干扰的途径主要有:a.对GIS周围空间的弱电设备产生干扰；b.由于接地系统注入暂态涌流、暂态电磁场对邻近GIS的二次电缆和其它弱电设备产生共模干扰；c.VFTO在沿GIS内的母线导管传输时，对其间所接的电磁式电流、电压互感器通过电容耦合会产生附加的干扰信号。(3)架空联结线及其邻近设备上的瞬态过电压架空线联结及其邻近设备上的瞬态过电压的快速上升部分的幅值通常小于内部VFTO值，但电压上升率可在10~30MV，此范围内，其作用和截波相似，甚至超过它。因此GIS外界高压设备的绝缘，会受到快速暂态过电压的损害。有研究表明，GIS在VFTO作用下绝缘水平对于雷电波[15]，但实践表明，在一定条件下，VFTO会对300kV以上系统造成危害，应引起重视[16]。在GIS内的瞬态振荡，可能传到变压器内部，而在变压器绕组内产生极高的谐振电压。对直接连接的变压器，高达数兆赫兹的频率可通过SF6套管传播，对非直接连接的变压器，通过两个套管和架空线传播到变压器的暂态波频率约为1MHz。在上述两种情况下，均有可能在变压器内部绕组出现足以危害匝间绝缘的电压。本章小结本章介绍了产生VFTO的主要机理和其特征及其分类。VFTO的产生主要是由于GIS隔离开关由于分合速度慢、灭弧能力差，在分合闸操作过程中，动、静触头很容易出现多次燃熄现象,由于燃熄弧时间非常短，引起高频振荡，形成了上升时间极短的快速暂态过电压。该过电压具有波前很陡，持续时间短，幅值较高，有很高的高频分量，发生频率高等特点。它会对设备产生很大的危害，下面将对VFTO产生的危害进行阐述。快速暂态过电压的危害文献[18]指出根据国内外多年的GIS运行维护经验，在300kV电压等级以上的GIS中，出现VFTO的现象是不可避免的。由于快速暂态过电压具有幅值较高，产生时陡度大，上升时间短，持续时间短，电压变化快，产生频率高等特点，所以对有绕组电气设备的绝缘具有一定威胁，且其在支持绝缘子上和开路末端的过电压幅值较高，容易引起GIS内部的闪络故障，而且它也会对二次设备产生危害。实际运行中因快速暂态过电压引起的事故也逐渐增多。包括变压器绝缘损坏、线饼烧损、GIS内部火花放电、系统解裂、套管炸裂等[21][22]。本章将对VFTO作用下绝缘损坏的原因，和其主要产生的危害进行阐述。VFTO作用下绝缘损坏的原因VFTO对会使设备产生绝缘损坏的原因主要有三点，下面对其原因进行了归纳[18]：(1)老化效应。与一般切合容性负荷的原理相同，GIS隔离开关在切、合容性负荷时，会产生多次重燃。重燃燃弧时间一般仅为数ms，它相对隔离开关的操作时间是非常短的，因此重燃次数很多。每重燃1次，就可能产生一定幅值的快速暂态过电压。该过程不同于一般电力系统的暂态过程。每当隔离开关操作1次，就会产生很多次的重燃和由它引起的很多次具有一定电压幅值的快速瞬变过程。又因隔离开关操作属常规操作程序，于是GIS及其他电气设备就有可能在一个相当短的时间内经受成千次VFTO的考验，这对绝缘来说无异于接受一种性质和截波相近的老化试验，这会给绝缘带来一定程度的损伤。(2)上升时间极短的VFT陡波在变压器内部造成极不均匀的匝间电位分布VFTO的最大受害者是变压器，不论是与GIS直接连接的还是非直接连接的变压器，在受到VFTO作用时，都会有2种影响：a.隔离开关触头击穿瞬间产生的阶跃波到达变压器时，在变压器端部加上1个陡波头波，对直接连接变压器，其上升时间可能只有几十纳秒，远远低于雷电冲击截波试验时的波头上升时间，在变压器绕组上造成极不均匀的匝间电压分布，危害极大；对非直接连接的变压器，因为经过了2个套管和一段架空线，使陡波头趋于平缓，与雷电冲击截波相近。b.高频振荡可能在变压器内部激发起极高的谐振过电压。在变压器承受VFTO过电压时，变压器内部线圈绕组的首端数段内，电压高度非线性分布。段问最大梯度百分数可在标准雷电冲击电压梯度百分数的3倍以上。按绝对值来说，VFTO最大峰值为70％雷电冲击电压时(如对水电站自动控制500kV变压器最大工作电压为550kV，冲击耐受电压为1550kV，则VFTO的峰值约为70％)，则端间梯度电压可达2.1(3×0.7=2.1)倍以上；VFTO的梯度电压值可在标准雷电冲击梯度电压值的2倍以上。VFTO过电压的低频部分将会引起绕组内部的谐振，在绕组的某些部位会产生峰值很高、频率更高的谐振过电压。[19](3)多次遭受同类截波作用的后果由于VFT陡波的作用类似于截波，一般变压器能承受住几次截波的作用，但设计时并未考虑要多次承受截波的作用，因而也会因这个原因发生故障。VFTO过电压产生的危害图3-1VFTO的分类及危害在国内外都有报告表明，由于VFTO的产生，或多或少地导致GIS内部故障以及GIS外接设备的事故，实际运行中VFTO引起的事故包括变压器绝缘损坏、绕组破坏、GIS内部火花放电，系统解列、绝缘套管炸裂等严重事故。与操作断路器产生的VFTO相比，操作隔离开关产生的VFTO危害更为严重，这是因为隔离开关处在比较不均匀场内，触头击穿瞬间会产生上升时间为4~7ns的冲击电压，并向断口传播，当电流减小后，电弧熄灭，当隔离开关两侧触头间恢复电压增大至一定程度时，断口将被再次击穿。由于隔离开关触头动作较慢且灭弧性能较差，整个开断过程出现多达200多次的重燃[20]。通常采用快速动作隔离开关减少击穿次数不能从根本除VFTO的危害。如图3-1所示，内部暂态是指在GIS内部的暂态过程，所形成的过电压作用于GIS内部导体和壳体之间，危及GIS内部的设备。外部暂态是由GIS内部暂态过电压波传播到GIS外部引起的，它可以危及GIS一次设备或使GIS的壳体电位升高，也可以形成向外辐射的电磁波，危及敏感的二次设备。由于GIS内外的布局及阻尼效应（传输损失、集肤效应等）不同，冲击陡波的折射、反射也不同，所以这些瞬变过程具有不同的波形[17]。内部VFTO对GIS装置内部绝缘的危害VFTO对GIS装置支持绝缘子绝缘的威胁较大，一般将这种VFTO过电压称为内部VFTO过电压。GIS在制造和运行中都难免会产生由于导电微粒等原因所导致的电场集中，特别是GIS在加工、装配过程中以及开关操作时的电弧燃烧都会产生一些导电微粒，这些导电微粒在电场作用下会附着在绝缘子表面，使绝缘子沿面闪络电压显著降低。研究结果表明：当绝缘子表面存在由金属微粒或表面电荷积聚等原因造成的局部电场集中时，即使在实际应用气压范围(0.3~0.5MPa)内，VFTO作用下的绝缘子沿面放电电压也可能远低于雷电作用下的沿面放电电压值。外部VFTO对GIS装置外部电气设备绝缘的危害传输到外部电气设备上的VFTO即外部VFTO过电压。外部VFTO过电压主要危害与GIS相连的电力变压器、电压互感器，测量和监测设备等，同时VFTO会耦合到壳体与地之间，造成GIS装置危险的暂态地电位升高(TGPR)和壳体暂态电位升高(TEV)。(1)外部VFTO对电力变压器的危害在所有与GIS相连的电气设备中，电力变压器受外部VFTO过电压的危害最大。电力变压器的特殊结构决定了外部VFTO首先损害的是与GIS直接连接的变压器入口段匝间绝缘。一般而言，VFTO过电压对电力变压器绝缘主要有以下两方面：a.在VFTO过电压陡波传播到变压器时，等于在变压器端部加上了一个陡波波前。VFTO陡波上升时间可能只有几十纳秒，远远低于雷电冲击试验时的波前上升时间（约1.2ps）。对于GIS电站距离比较近的变压器，在陡波前电压波作用下等值电容的阻抗值远小于其绕组电感的阻抗值，使得变压器绕组的简化等值电路如图3-2中下图所示，从而必然在变压器绕组上产生极不均匀的绕组初始电位分布，如图3-3所示，使得变压器绕组首端的匝间电压很大，威胁变压器匝间特别是变压器绕组首端的绝缘安全[24~26]。对与GIS相距较远的变压器，或非直接连接的变压器，因为经过了两个套管和一段架空线，将使陡波前波趋于平缓，与雷电冲击截波相近。b.外部VFTO过电压丰富的暂态振荡频率可能在变压器内部激发起极高的谐振过电压。这一点对直接和非直接连接的变压器都有同样的危害，只是后者的VFTO过电压谐振频率较低。图3-2瞬态电压传至单相绕组时的简化等值图图3-3单相绕组初始电位分布(2)暂态地电位升高(TGPR)和壳体暂态电位升高(TEV)外部VFTO耦合到壳体与地之间，造成危险的暂态地电位升高(TGPR)和壳体暂态电位升高(TEV)。TEV或TGPR会引起与GIS相连的控制、保护、信号等二次设备的干扰甚至损坏；同时与VFTO过电压相关的高频暂态外部电磁场是从壳体和架空线向四周辐射。任何电子设备都会受到瞬态电磁场的影响。所以，二次电气设备可能会因此受到危害。VFTO对二次设备的危害VFTO的高频分量幅值很大，当发生VFTO过电压时，与之相关的外部瞬态电磁场是从GIS壳体和架空线向四周辐射，任何电子设备都会受到瞬态电磁场的影响。根据IECl988年的特别报告，当GIS发生VFTO过电压时，GIS周围的空间暂态电场强度为E=1~10kV/m，交化率dE/dt=103~105kV/μs。这种高幅值瞬态电磁场会对GIS外壳周围的电子设备（包括二次设备）受到影响[27]。VFTO的累积效应当隔离开关操作一次时，就可能产生一次VFTO过电压，并造成一次对电气设备绝缘的破坏。由于隔离开关的操作十分频繁，VFTO过电压对电气设备绝缘的破坏作用就会不断的累积。破坏的积累会加速绝缘的老化，绝缘的老化反过来会加重累积效应的破坏程度，从而最终可能造成绝缘的严重损坏[28]。本章小结本章主要介绍了VFTO产生的危害。由于其波前很陡，频率很高，具有较高的幅值等特点对GIS本身设备、相邻设备及其二次设备产生了很大的危害。VFTO的产生可能设备绝缘产生老化效应，特别是由于快速暂态现象上升时间极短对有绕组的电气设备会产生很大的影响，并且他多次遭受这种类似截波的作用很容易使设备发生故障。其中导电微粒等原因所导致的电场集中，使绝缘子沿面闪络电压显著降低，使得快速暂态现象的内部暂态对GIS内部设备的危害；传输到GIS外部的外部暂态对二次设备以及相邻设备有很大的危害；快速暂过电压有累积效应，会对绝缘产生老化，从而使绝缘产生严重的损坏。因为对VFTO对设备有很大的危害，国内外很多专家对VFTO的影响因素及抑制措施进行了研究。影响VFTO的因素由GIS中的断路器和隔离开关的切合或破坏性放电所产生的VFTO波形和幅值都不相同，也就是说VFTO受很多因素的影响，比如GIS内设备的布置、内部结构、布线方式等。本文将对影响GIS不同部位发展起来的VFTO幅值、频率的主要因素进行分析，影响因素主要有残余电荷电压、熄弧时间、GIS支路长度、弧道电阻、变压器入口电容、气体组分、接地位置、支撑绝缘子、隔离开关合分闸速度、变压器进出线长度、高压电缆长度等。残余电荷电压的影响由于隔离开关DS切合小容性电流时产生过电压的根源是DS重燃，因此在重燃时被切线段上残余电荷电压的大小将直接影响VFTO幅值。GIS中操作隔离开关开断空载母线时，可能会有残余电荷留在开断的空载线段上并引起能对重燃过程产生VFTO幅值的残压，母线上的残留电荷电压衰减很慢，通常为几小时甚至几天[31][32]。残存电荷是一个随机量，极性可正可负，大小与位置、负载侧电容电流大小、母线泄漏、开关速度及开关重燃时刻有关，其值影响重燃过电压的大小，其中电容电流对过电压影响较大。开断前电流越大，泄漏越慢，残存电荷电压越大，VFTO越大；电源侧电压为负时，燃弧前触头间的电位差越大，VFTO也越大；重燃时刻晚的比早的VFTO要小[34]。表4-1出了IEC对各电压等级GIS切合小电容电流的要求[35]。从表中可见,当电压等级大于300kV时,电容电流从0.5A增大到0.8A,这会使隔离开关触头击穿前母线上的残余电荷电压升高。从图4-1可见,残余电荷电压升高0.1p.u.,VFTO则要升高0.13p.u.[36]。所以,电压等级大于300kV时,VFTO的倍数有明显的上升,估计会升高0.3p.u.以上,这是VFTO易于引起300kV以上电压等极GIS故障的原因之一。表4-1IEC对GIS切合小电容电流的规定额定电压，kV72.5100.0123.0145.0170.0245.0300.0362.0420.0525.0765.0电容电流，A050.250.500.500.500.80图4-1VFTO幅值倍数与残余电荷电压UC关系残余电荷电压与负载侧电容电流大小、断路器速度、重燃时刻和母线上的泄漏有关。其中，电容电流的影响很大，开断前电容电流愈大，母线上存储的电荷愈多，泄漏愈慢，因而残余电荷电压愈高；当它和电源侧电压反极性时，燃弧前触头间的电压差随残余电荷电压的增高而增大，使得产生的VFTO幅值增高。尤其当负载侧与电源侧电压变为反极性时，燃弧前触头间的电压差很大，使产生的VFTO幅值很高，最严重的情况是电源侧为1p.u.，而母线侧的残留电荷为-1p.u.，被操作隔离开关断口上恢复电压将达到2p.u.。残余电荷电压对VFTO的影响非常大，因此，控制分合闸时刻，并采取措施降低负载侧残余电荷电压，例如利用电磁式电压互感器的泄流作用，可以有效地降低VFTO的幅值。当GIS隔离开关合闸操作，触头间发生第一次击穿时，负载侧母线电压就是该时刻电源的电压。若负载侧母线泄漏电阻很大，就可以保持残余电荷电压不变。过渡过程结束后，电弧熄灭。当电源电压达到反极性峰值时，隔离开关触头间可能发生重击穿。因此，负载侧残余电荷电压UC与触头间隙发生击穿时电源电压幅值有关，可正可负，最高可达-1.0p.u.，一般情况下残余电荷电压不超过-0.3p.u.[33]。GIS中各主要节点VFTO的最大幅值，计算结果如图4-2所示[4]。图4-2不同残留电荷电压时GIS中各点VFTO最大幅值同时还在不同残留电荷电压水平下，计算了GIS中各节点VFTO的上升时间，计算结果如表4-2所示[4]。根据计算结果分析可见，开断处、主变处和电流互感器CT2A处VFTO的上升时间随残留电荷电压的变化基本保持不变，电流互感器CT2B处的上升时间随残留电荷电压的减小略为增大。表4-2不同残留电荷时GIS中各点VFTO的上升时间时间/ns残余电荷(p.u.)-1-0.7-0.5-0.3-0.5开断处555555555主变处153153152153153153153153154CT2A141414141414141515CT2B252626272728313434绝缘配合的角度而言，人们最关心VFTO的幅值倍数。VFTO幅值倍数的一个直接影响因素是母线上的残余电荷电压，残余电荷电压越高，VFTO越高。当残余电荷电压为0时，VFTO为1.3p.u.；残余电荷电压为1p.u.时，极端情况下，VFTO高达2.7p.u.。不同残余电荷情况下设备上过电压如表4-3示，主变上过电压波形如图4-3所示[20]。残余电荷电压对波形频率几乎无影响，振荡的频率低频部分约为101.4kHz，高频部分在5.5MHz左右，主变上过电压虽然不高，但其电压上升陡度大，振荡频率分量高，会对变压器绝缘造成影响。从图4-3可以看出，过电压最大值随残余电荷电压减小几乎呈线性下降关系。因此，降低被切合线段上的残余电荷电压对降低快速暂态过电压是非常有利的。表4-3同残余电荷下设备上的过电压幅值(p.u.)残余电荷（p.u.）开关触头变压器避雷器-1.02.6131.53121.7083-0.51.90761.36741.7066-0.31.80311.29831.668401.60521.25721.5632残余电荷为-1.0p.u.残余电荷为0p.u.图4-3不同残余电荷是主变上VFTO波形残余电荷对VFTO幅值有很大的影响，降低残留电荷电压，能在一定程度上减小GIS中各点的VFTO幅值。为了减小线路的残留电荷水平，结合工程实际中，在隔离开关处采用高速接地开关，使线路的残留电荷保持在一个较低的水平，这样就能防止隔离开关的触头在很高的恢复电压下产生击穿，从而降低VFTO幅值[37]。熄弧时间的影响在时域内，修正的单位陡波信号的数学公式[38]为：（4-1）频域内的表达式为：（4-2）上边两式中的x是陡波函数的上升时间，由此两式函数知：随着电弧熄灭时间的增长，VFTO的幅值和陡度在减小。GIS支路长度的影响GIS支路长度对VFTO过电压幅值的影响并没有明显的规律，这是因为过电压波的最大幅值是波在支路上折反射过程中叠加而成的，支路长度的变化会引起折反射所用时间的变化，使叠加更为复杂，从而使得支路长度对VFTO过电压幅值的影没有确定的规律。但是，相对于不同的母线段长度，支路不同节点的过电压幅值（即整个回路的最高过电压）可相差50％以上。在某些情况下，支路长度很小的改变都可能引起过电压值的巨大变化【39】【40】。弧道电阻的影响隔离开关触头间产生电弧时，弧道等效电阻对VFTO有一定的阻尼作用。电弧起始时，弧道电阻非常大，但是随着电弧电流的增大。弧道电阻逐渐变小，最后趋于稳定。根据公式可以计算弧道电阻的大小，一般为几个欧姆[41]。离开关操作引起电弧时，弧道电阻的大小为[3][45]:(4-3)式中：RS=0.5Ω，R0=1012Ω，T=1ns。由上式可知，在25ns的时间内，弧道电阻已由百万欧姆级下降到10Ω。但由于弧道电阻本身很小，使得这种限制作用是非常有限的。由上式可知[6]：燃弧时间越长，弧道电阻愈小；而弧道电阻的大小又影响着VFTO的值，弧道电阻增大，VFTO的幅值和陡度都变小，因此燃弧时间长短影响到弧道电阻对VFTO的能量消耗，影响到VFTO幅值和陡度降低的程度。过电压的最人值随弧道电阻的增加呈下降趋势，所以增加弧道电阻可以降低VFTO，因而隔离开关触头串联一电阻可降低VFTO，但结构变得复杂。变压器入口电容的影响当分析变电站的防雷保护时，因雷电冲击波作用时间很短，流过变压器等效电感的电流很小，忽略电感的影响，变压器对外的作用可以用归算到首端的对地电容岛来代替，通常叫做入口电容,其值如下式得到[42]:（4-4）式中CT为入口电容为变压器绕组全部对地电容、匝间电容的几何平均值。变压器的等值入口电容与它的电压等级、容量、结构等因素有关，对于固定电压等级和容量的变压器而言，可以采取等值电容较大结构的变压器，如纠结式绕组变压器，从而降低主变处的VFTO[43]。一般而言，电压等级越高、变压器额定功率越大，入口电容相对较大。表4-4为不同电压等级下变压器入口电容的范围[36]。由表可见，变压器入口电容随其电压等级的升高而增大，而C0增加1000pF，VFTO约增高0.2p.u.。所以随着电压等极的增高，变压器入口电容增大，使得VFTO的倍数升高，它的危险性也就增加。这是VFTO易于引起300kV以上GIS故障的另一个主原因。表4-4不同电压等级下变压器的入口电容值额定电压，kV35110220330500入口电容，pF500～10001000～20001500～30002000～50004000～6000外部设备的入口电容对GIS产生的VFTO影响很小，设备入口电容参数在操作该设备附近隔离刀闸时，对隔离刀闸附近的设备影响较大，但都在一个数量级内，对经过开关的设备基本没有影响。变压器入口电容的大小将对VFTO的幅值产生直接的影响，如图4-4所示[36]，随着入口电容的增加，VFTO幅值也增大。这主要是因为隔离开关在触头重击穿之前，变压器入口电容上存储有一定的能量的电荷且在其它条件相同的情况下电容越大储存的电荷越多，隔离开关一旦被击穿，入口电容的电荷将作为初值条件对VFTO的幅值抬高起到较大的作用，纠结式绕组的变压器入口电容比连续式绕组变压器容量大。一般500kVGIS的变压器入口电容为4000pF以上。入口电容越大，储存能量越多，各节点处VFTO幅值也就越高[43]。变压器入口电容一定时，不同节点处VFTO的幅值相差较大，应特别注意保护VFTO幅值较高的节点。图4-5为不同主变压器等值入口电容时开断处、主变处、电流互感器CT2A和电流互感器CT2B处VFTO的最大幅值[4]。图4-4变压器入口电容对VFTO的影响图4-5不同变压器入口电容时各节点的VFTO最大幅值文献[4]指出开断处VFTO的振荡频率不随主变入口电容的改变而变化，但其对应的幅值随主变入口电容的增大而减小，主变处、电流互感器CT2A和电流互感器CT2B处VFTO的振荡频率随变压器入口电容时的增大而有所减小，同时，各频点对应幅值也减小。隔离开关操作产生的过电压将受变压器等值入口电容不同的影响，变压器等值入口电容若增大，VFTO的幅值将减少，相反若等值入口电容减少，幅值将升高。因而，可以采取像纠结式绕组变压器类的等值电容较大结构的变压器来降低主变处的VFTO。支撑绝缘子等值电容的影响支撑绝缘子是GIS必不可少的部件，在计算VFTO时，可以用一个等值电容来等效。研究表明，该等值电容量为几皮法到几十个皮法，但它对各节点VFTO的幅值变化没有明显的规律。VFTO的最大幅值出现在支撑绝缘子和断路器断开处。支撑绝缘子的位置、等值电容的大小对VFTO都有影响，其中等值电容的影响较大。一般电容量越大，过电压值也越大，主要是因为电容器在燃弧前充有电荷，电容越大，充电越多，致使VFTO越大[6]。改变支撑绝缘子的对地电容，进行VFTO计算，结果见表4-5[44]。当电容值增大时，VFTO幅值略有上升，尤其对GIS内部的暂态过程而言，支撑绝缘子等效电容的变化对VFTO影响不明显，这是由于在GIS外部设备中，支撑绝缘子的电容大小仅为变压器入口电容的十几分之一，当变压器端口电容为一定值时，其等效电容值的改变不足以影响GIS外部VFTO幅值，因此影响不大。表4-5支撑绝缘子等值电容对VFTO的影响测量点套管电容/pF100300400600变压器端口1.081.051.051.02高压电缆终端81.07GIS内部VFTO2.492.592.612.651隔离开关合分闸速度的影响无论是合分闸，快速隔离开关击穿持续时间和击穿次数都要明显少于慢速隔离开关。快速操作隔离开关平均击穿次数明显少于慢速操作隔离开关。这是因为当隔离开关越慢时，在隔离开关断口耐受电压低于两侧电压时，其击穿的机会更多。慢速操作隔离开关出现高幅值残余电荷电压的概率比快速操作隔离开关低。所以可以预计，不预加直流电压情况下，慢速操作隔离开关产生的最大VFTO有可能比快速操作隔离开关低，但这需要下一步开展试验验证。有文献[26]指出提高触头的分合速度。可以减少重燃次数、缩短燃弧时间，使出现VFTO的机率减少,也可以在一定程度上降低最高过电压的倍数。变压器进出线长度的影响进出线长度的改变实际是改变计算中的分布参数，如果与变压器侧连接采用油气套管，会对变压器侧的VFTO产生较大的影响。但通过试验表明改变变压器进行长度对VFTO有一定的影响，但影响不大；改变出线长度，对VFTO几乎没有影响。进出线长度的变化对VFTO幅值幅值影响不大[46]。绝缘气体组分的影响目前气体绝缘高压电器普遍采用SF6绝缘介质。然而，由于SF6气体的使用，带来诸如温室气体效应、放电时产生的有毒和腐蚀物质很难从大气中分离出来等问题，近年来开始试验用混合气体来替代纯SF6气体，结果产生了双赢的效果。如在SF6气体中加入氮气(N2)，一来可以减少对大气的污染，二来对电场的不均匀性没有纯SF6那么敏感，但在一定的压力下随着混合气体中氮气含量的提高，VFTO作用下GIS中的绝缘击穿电压幅值在减小[47]。接点位置的影响在相同的操作条件下，接地位置越接近操作点，VFTO的波形越陡峭、振动的频率越高，即陡度越大；同时隔离开关操作时，VFTO的幅值在靠近操作点较大，而断路器操作时，VFTO的值在GIS和架空线的连接点处取得较高[48]。因此开关操作时，切合母线点的位置决定了VFTO的幅值和陡度，即VFTO波形的形状。另外绝缘气体的压力也影响到VFTO的值。一般随着气体压力的增加，VFTO的幅值也随之增大。高压电缆长度的影响表4-6、4-7[44]分别给出了高压电缆长度及其波阻抗变化对VFTO幅值的影响。结果表明，随着波阻抗的增大，出现在GIS外部变压器端部的VFTO幅值有所增大，而GIS内部VFTO幅值无明显变化。高压电缆较长时，VFTO幅值较低 。表4-6高压电缆长度对VFTO的影响测量点高压电缆长度/pF550300500800变压器端口1.261.151.081.001.00高压电缆终端1.301.02GIS内部VFTO3.102.802.552.422.29表4-7高压电缆波阻抗对VFTO的影响测量点高压电缆波阻抗/Ω550300500变压器端口1.001.001.011.18高压电缆终端1.071.081.151.20GIS内部VFTO2.612.622.592.64本章小结本文主要介绍了影响VFTO的因素。对VFTO影响的因素很多，主要影响因素有残余电荷电压、熄弧时间、GIS支路长度、弧道电阻、变压器入口电容、气体组分、接地位置、支撑绝缘子、隔离开关合分闸速度、变压器进出线长度、高压电缆长度。这些因素对VFTO的产生和对设备的影响起起着很重要的作用，所以对VFTO的抑制措施很有必要，下文将对抑制VFTO的措施进行分析。VFTO抑制方法由于VFTO具有幅值较高、陡度大、频带宽等特点，它对GIS自身设备，二次设备及其相邻的电气设备有很大的危害。近些年来，国内外对GIS中产生过电压的抑制措施进行了大量的研究，对VFTO的抑制主要是对其频率、陡度及幅值的抑制，本章将介绍几种有效的抑制方法。隔离开关装设并联电阻目前在抑制GIS中隔离开关操作产生VFTO的各种措施中，隔离开关加装并联电阻效果最为明显，技术也比较成熟，已在实际中得到了广泛应用。隔离开关并联电阻可以有效抑制VFTO的水平[49]。含并联电阻的隔离开关工作原理，并联电阻在触头闭合时将不接入电路；而在触头击穿或重燃时，动触头与并联电阻间将形成一个燃弧通道，电阻接入电路，即通过机械方法，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迟于主触头分闸。可以看出，合闸过程中发生击穿时，合分闸电阻首先接入电路，当动触头和弧形电极接上后，将不再发生击穿，此时合分闸电阻也被短接；分闸情况和合闸类似，击穿时合分闸电阻也接入电路中。隔离开关加装并联电阻原理图如图5-1，结构和动作过程如图5-2所示。当合分闸电阻接入电路后，电弧击穿时，可以使“孤岛”上的残余电荷通过并联电阻向电源释放，这个并联电阻会承受很高的瞬时电压和电流，合闸电阻上消耗一定