GIS中快速暂态过电压的测试技术
周瑜等:GIS中快速暂态过电压的测试技术
绝缘材料2009,42(4)
GIS中快速暂态过电压的测试技术
周瑜,李军,徐世山,孟可风,张仲秋,谢彭盛
(青海电力科学试验研究院,西宁
810008)
摘要:分析了气体绝缘封闭式组合电器(GIS)中快速暂态过电压(VFTO)现象,介绍了目前国内外VFTO测试装置的原理、技术特点和存在的问题,针对是否预置传感器及不同的测试点,提出了VFTO的有效测试方法。
关键词:气体绝缘组合电器(GIS);快速暂态过电压(VFTO);快速暂态电流(FTC);传感器中图分类号:TN304.07
文献标志码:A
文章编号:1009-9239(2009)04-0068-04
TestTechnologyofVFTOinGIS
ZHOUYu,LIJun,XUShi-shan,MENGKe-feng,ZHANGZhong-qiu,XIEPeng-sheng
(QinghaiElectricPowerResearch&TestInstitute,Xining810008,China)
Abstract:Inthispaper,thetheoryandtechnologyofthetestofVFTOinGISreintroduced.TheprincipleandfeaturesofseveraltypicalmeasurementdeviceswerepreFordifferentGISandtestpoints,effectivemethodsformeasuringTOesKeywords:gas-insulatedswitchgear(GIS);veryfasttntrag()fasttransientcurrent(FTC);sensor
言
SF6(InsulatedSwitchgear,GIS)年首次投入运行以来,以其不受环境条件的影响、运行可靠、维护工作量小等优点,愈来愈多地应用于电力系统中。目前国内GIS运行电压等级有126kV,252kV,363kV,550kV,800kV,国外GIS己广泛应用到72.5～800kV电压等级的电力系统(试验电压己达1100
[1]
kV)中。
随着电网运行电压等级的提高和GIS的广泛使用,其运行质量问题也日趋显露出来,特别是对于330kV及以上电压等级的GIS,其内部操作产生快速暂态过电压(VeryFastTransientOver-voltage,VFTO)的问题也越来越突出。VFTO幅值虽然不高(一般不超过2.5p.u),但其波头上升时间极短(约3～20ns),等值频率可达数百MHz,对与GIS直接相连的设备(如电缆出线、变压器等,特别是对于变压器等绕组式设备的匝间绝缘)造成不良影响,例如由VFTO引起的变压器纵绝缘损坏,甚至击穿的例子国内外均有多次报道[2-4]。与AIS相比,GIS故障的修复时间更长、工艺更为复
1
收稿日期:2008-12-22
作者简介:周瑜(1982-),男,甘肃白银人,硕士,从事电力试验工作,(电子信箱)[email protected]。
前
杂、维修费用更高,一旦出现故障,将严重影响电力系统的供电可靠性,因此,VFTO成为国内外学者研究的热点问题之一。
2
VFTO现象
当GIS中出现故障、外部雷电侵入波或隔离开关(DS)、断路器(CB)操作时,由于GIS结构紧凑,各元件间距小且节点数较多,开关动作产生的操作波或雷电侵入波在GIS内部传播时,会在不同节点处发生复杂的折射和反射,最终导致频率剧增,产生含有高频、特高频分量的快速暂态过电压(VFTO),由于GIS的同轴结构,导电部分表面圆滑,不产生电晕,且载流体截面大,故损耗小,高频振荡衰减慢。VFTO可以作用于GIS内部导体和壳体之间,危及GIS设备(内部VFTO);或危及与GIS相连的设备(外部VFTO,如危及变压器的纵绝缘);也可以传播到GIS外部引起GIS的壳体电位升高
(TEV);或形成向外辐射的电磁波(TEM),危及敏
感的二次设备[5]。GIS内外的布局及阻尼效应(传输损失、集肤效应等)不同,冲击陡波的折射和反射也不同。所以,这些瞬变过程具有不同的波形。研究发现,影响VFTO的主要因素有残余电荷电压、VFTO陡波上升时间、GIS支路长度和弧道电阻等。
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VFTO测试技术VFTO的波形,但并不会影响波前时间。NFujinm-oto等人
尽管从20世纪80年代中期开始,国际上已着
手对操作GIS隔离开关引起的特快速暂态(VeryFastTransient,VFT)过程进行了研究,开展了VFT的特性、传播过程的研究。特别是近十年来,在模拟计算、测量技术及试验方法等方面做了一定的工作,但许多方面的研究工作不够深入,有待进一步展开。目前对VFTO研究的基本方法有:计算机仿真、实验室模拟测试和现场测试。
实践表明,利用计算机辅助计算是一种很好的方法,它灵活,成本低,节省时间。主要是通过建立数学模型的方式,来模拟各种运行方式,通过软件的计算得到相关的VFTO数据。目前,使用比较普遍的是EMTP(Electro-MagneticTransientsProgram)软件。但在用仿真软件研究设备的绝缘配合时,电气模型没有考虑到频率效应,致使计算结果较为保守。因此,进一步研究GIS中的电磁暂态现象,需要考虑各模型的频率效应,以便得到更准确的仿真结果,为GIS可靠运行提高理论依据3.1实验室模拟测试
[6]:GIS模型装置,V。它比较接近实际情况,VFTO,但调波电感安装于GIS模型内部,不易于调节波形,而且VFTO幅值与触头间电弧重燃有关,也与被断开母线上的残余电荷量有关,具有随机性,波形重复性不好;另一种用阶跃电压叠加单一频率的衰减振荡波模拟VFTO,其装置简单,频率易调,波形重复性好,便于研究不同频率下GIS中SF6间隙及绝缘子沿面击穿特性。但受回路固有参数影响,常规模拟产生振荡波形频率受到一定限制。长期以来,这种方法对VFTO的研究做出了巨大的贡献。这种方法的局限之处在于:实际情况错综复杂,影响因素很多,有可能多种原因交织在一起。因此实验室模拟测试不可能完全等同现场真实的情况。
实验室模拟测试一般采用两种结构,如图1所示。一般包括GIS试样、电容式套管、架空线,分压器、示波器等。图1(a)中GIS与方波发生器之间的连接采用圆锥形,是为了保持终端在整个长度上特征阻抗相同。比较图1中(a)图和(b)图,发现有两个不同之处,一是图1(a)使用匹配的终端来测量VFTO,图1(b)使用导体开路测量VFTO。二是两种测试装置第二个套管不同。这种差异会影响
的研究表明:由于GIS和连接外部设
备(如变压器)的传输线的特征阻抗不同,会引起外部VFTO波形的畸变,电容式套管会使VFTO波头变缓,架空线或电缆较长时,也可明显使VFTO波头变缓。
[7]
(a)
(b)
图1实验室模拟测试图
在实验研究中能满足VFTO测试的分压器有3种[8]:一是特制的电阻分压器(普通电阻分压器对振荡波有严重的衰减作用,故不适用于VFTO的测试),如NewiProbe[9]。,二是由分布电容构成的低电感、高响应的电容分压器[10-11]。三是在高压套管外放置集中电容的方法构成电容式分压器[12]。3.2现场测试
对于VFTO的现场测试,难点在于:一是波形陡、频带宽,对测量系统有较高的要求;二是GIS本身测量系统有特殊的要求,即要求测量系统便于安装和移动,但不能改变GIS内部的电场分布,不能影响GIS的正常运行。下面将分别进行讨论。
(1)内部VFTO测试技术
对于内部VFTO的测试,一般通过以下两种形式获取过电压信号,一是使用内置电场探头获取过电压信号,如使用无阻传感器直接连接在GIS断路器端盖上,电容分压器的高压臂电容为GIS导电杆与传感器电极之间的分布电容,低压臂为平板式电容
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探头。它所测到的陡波前过电压是安装传感器该点的过电压值,传感器结构和测量原理如图2所示。
表明:基本振荡频率约为13MHz,叠加了30MHz左右的高频振荡,实测到最快的上升沿时间约为10ns。这种方法的缺点是测量电极不宜太宽或太窄,需要有经验的人员进行测量,并且与内置式传感器相比,外置测量法的抗干扰能力要差一些。
(2)外部VFTO测试技术
对于外部VFTO的测试,目前一般通过以下两种形式获取过电压信号,一是通过电场探头,其电场传感器原理图如图4所示。
(a)测试结构图
结构图
(b)图2[13]使用这种方法对西安供电局朝阳门变电站110kVGIS投切空载主变时的VFTO进行测量,无阻传感器接在母联断路器的Ⅱ母侧B相,响应频率100MHz,实测结果表明:合闸瞬间出现高频过电压,每个周期为100ns,频率达10MHz左右,上升沿时间为25ns,幅值达2.75倍。这种方法的缺点在于程序繁琐,测量不易进行;二是使用外置传感器获取过电压信号,如使用微积分测量系统系统测量VFTO[14],将微积分系统的测量电极安装于GIS外部,不必改变GIS的结构,也不影响其内部的电场分布,并且可以同时在多处安装测量电极,实现了VFTO的多点测量。其测量原理如图3所示。
图3微积分法测量VFTO原理图
广东省电力试验研究所史保壮等人[15]使用这种方法对某国产500kVGIS进行测量,实测结果
[16]等人采用电场传感器在变压VFTO进行了测量,多次测试结果表明:幅值为1.5～2.5p.u,频率在60MHz内,主变侧DS操作引起的电应力最大,特别是对与之相连的母线;一是通过电容分压器,可以采用特制的高压分压器,尽管该类分压器对稳态和暂态波形的响应特性都较好,但除需考虑阻抗匹配、交流冲击等问题外,还需考虑设备投入费用;目前更为普遍的做法是利用电网已有的设备,在不增加电网一次设备并保证系统安全运行的前提下,实现对VFTO的测试。110kV以上电器设备中,套管是电容均压,埋有测量屏用于监测套管,在变压器套管末屏接上一个低压电容,就可形成一个电容分压器,结构如图5所示,西北电力试验研究院王森等人使用这种方法对西安供电局高新北变电站变电站110kV的GIS投切空载主变时的VFTO进行测量,实测结果表明:过电压幅值达2～2.5p.u,频率达12.5MHz。
除以上测试方法外,还可以通过磁场探头或测量快速暂态电流(FastTransientCurrent,FTC),进而重建波形,这种方法的缺点是,FTC不能直接反映VFTO,即使FTC的波形相同,不同的网络和设备可能出现的VFTO也是不一样的,需要根据不同情况具体分析。如TKraun[17]等人采用磁场传感器对VFTO进行测试,实测结果表明:VFTO上升沿时间小于10ns。
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(1)随着青海电网750kVGIS的投运,GIS中
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的VFTO问题将成为GIS安全运行的重要问题。因此,对VFTO测量技术的研究具有重要的意义。
(2)GIS要求测量系统不改变GIS内部的电场
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分布,不影响GIS测试件的绝缘强度,这是测量的难点。内置传感器特点是抗干扰性能好,灵敏度高,需提前安装,并且会改变GIS,造安装的要求较高,盖板的里面,以减小对GIS;外置传感器安装灵活、不影响系统正常运行、安全性较高,但灵敏度、抗干扰能力要差一些,建议采用光纤测量系统提高绝缘水平和抗电磁感应干扰能力。
(3)实测具有风险性以及受时间与设备的限
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制,而仿真计算可消除现场试验的限制,因此,采用现场实测和计算相结合的方法来确定GIS操作引起的快速暂态过电压是一个较好的方法,以现场实测验证仿真计算的合理性,用仿真计算对现场实测加以补充及完善。参考文献:
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