【解析】浅谈特高压VFTO机理探索与防护技术

       国家重点基础研究发展计划（973计划）旨在解决国家战略需求中的重大科学问题，面向前沿高科技战略领域超前部署基础研究。“交直流特高压输电系统电磁与绝缘特性的基础问题研究”作为国家973计划项目，重点解决特高压输电线路安全性与经济性的协调，及关键设备核心设计技术的自主化难题。本报今起开辟“国家973计划项目——特高压电磁与绝缘特性科普系列”栏目，刊登该项目相关研究成果科普知识。

　　雷电是日常生活中常见却令人害怕的现象，因其发生突然、放电猛烈、声响巨大，且伴有极大的破坏力而成为不可忽视的自然灾害。人们常常被告知，雨天打雷时要关掉电视、不能在雷雨中接打手机，否则容易引发雷击，造成人身伤亡、财产损失等。追根溯源，这就是过电压对人身及家用电器造成的影响。

　　输配电网中的各种电气设备也会承受诸如雷电等各种类型的过电压，即各种瞬态电压冲击。通过几十年的研究，已基本能控制危害。随着变电站封闭式组合电器（GIS）的广泛应用，尤其是输电网电压等级的逐渐提高，一种相对新型的过电压现象——VFTO日渐凸显，如何避免这类瞬态冲击对输配电网，尤其是特高压电网的危害，成为了一个不容回避、亟待攻破的难题。

　　什么是VFTO

　　传统过电压可按电网内部原因（操作过电压、谐振过电压等）和外部原因（主要指雷击过电压）进行分类，也可按持续时间分为暂时过电压、操作过电压、雷电过电压等。一般而言，内部过电压持续时间长（毫秒级），雷电过电压持续时间短（微秒级）。而VFTO则兼具二者的特点，它由电网内部原因——隔离开关带电投切空载短管线操作产生，其冲击波的频率却可能高达数百兆赫兹。简而言之，VFTO可定义为波前时间在3～100纳秒范围内的瞬态过电压，主要来源于隔离开关操作，也可以称为隔离开关操作过电压。

　　VFTO产生的根本原因是隔离开关触头两端的电压差导致触头间隙击穿，该击穿瞬间会产生上升沿极陡的冲击电压，并在GIS内部传播。由于GIS回路各部件的结构及参数不同，这种冲击波经过不断的折、反射和波形叠加，最终形成可能对设备绝缘安全造成威胁的瞬态冲击电压。

　　与其他过电压不同，因为触头的运动速度较慢，一次隔离开关操作中，可产生的VFTO波形可达数十甚至上百次之多。VFTO的大小会随着触头间隙击穿的情况而变化，简单来说分闸过程中产生的VFTO幅值越来越大，合闸过程反之。而理论最大VFTO，即出现在隔离开关两侧电压都处于峰值且极性相反时发生的击穿。这种极端情况出现的次数多吗，是不是可以避免？这些问题，都需要通过理论分析和实际试验来回答。

　　既然是过电压，VFTO的首要危害当然是对一次设备绝缘的影响（如造成盆式绝缘子的闪络故障）。除此之外，因智能变电站设备布置紧凑，一次设备和二次设备距离很近，也会导致二次设备易受到各种电磁污染的影响而发生误动误报（如继电保护装置误报故障），甚至出现直接失效（如密度继电器损坏故障）的严重情况。

　　在我国特高压工程投运初期，因对特高压VFTO特性、危害和抑制方法的有效性等缺乏研究，在特高压变电站中都尽量避免隔离开关带电投切短母线的操作，这给变电站运行带来极大不便，影响特高压电网运营效益的提升。

　　所以，从变电站设备安全性、运行可靠性等方面来说，深入研究特高压变电站电磁暂态过电压的机理及其防护方法，有着强烈的现实需求。

       特高压VFTO的特性

　　要搞清楚VFTO的特性，最直接的方法是通过实测得到VFTO的波形，而VFTO的特点决定了测量系统一方面需要准确记录高达上百兆赫兹的高频波形细节，另一方面还要准确记录其中的低频分量、工频分量乃至准直流分量。这就要求测量系统为高低频特性都要优异的全能型选手。经过多方攻关努力，最终这个问题通过高频特性优异的窗口式电容分压器，外加集成阻抗变换器的测量方案获得完美解决。

　　具备了性能优异的测量系统，开展一系列实测工作以研究特高压VFTO特性变得水到渠成。通过在特高压交流试验基地建立的特高压真型GIS试验回路，我国在世界上首次开展了4000余次隔离开关操作试验，研究了各个因素对VFTO的影响，如GIS结构型式、接线布置、安装方式等。

　　从试验结果看，试验回路上得到的最大VFTO约为2037千伏，上升时间约30～60纳秒，陡度约为30～40千伏/纳秒。VFTO波形特性主要由隔离开关击穿特性和回路参数所确定，且对GIS长度极为敏感，有时长度差别仅1米，VFTO波形的幅值可能相差数十甚至上百千伏。

　　出现最大VFTO的概率与隔离开关速度相关性较大，慢速隔离开关约为2%，快速隔离开关的概率不到5%。结合隔离开关动作的行程特性和间隙击穿过程，通过仿真软件对一次完整操作进行仿真计算，结果表明，当触头速度低于一定值（如0.4米/秒）时，理论上可完全避免出现前述理论最大VFTO的条件。这就是说，通过一定的设计措施，可减小变电站的VFTO水平。

　　GIS在VFTO下会发生绝缘故障吗？这涉及到在VFTO作用下的绝缘耐受特性研究。为此，我国率先在世界上研制了标称3兆伏、输出波形参数最高的VFTO和雷电冲击交互产生一体化装置，通过该装置对VFTO作用下GIS典型绝缘结构的击穿特性进行了较为深入的研究，在国际上首次获得了真型尺寸GIS在VFTO下绝缘特性数据，奠定了绝缘配合的基础。

　　特高压VFTO的防护

　　谈到VFTO的防护，首先要考虑的就是防护的必要性。对于不会造成绝缘损坏的过电压，自然无须多虑，但变电站内VFTO的水平到底有多高？最可行的方法是利用软件进行仿真计算来评估。结合前述的实测波形，我们实际上已获得准确性较高的模型及计算方法，仿真与实测的差别小于5%，已具备工程应用的条件。

　　对于变电站仿真得到的VFTO水平可能引起绝缘损坏的情况，就有必要采取一定措施加以抑制。从最原始的理论出发，在发生过电压时，串入一个电阻来消耗过电压的能量，正常运行时为了避免产生过多的热量，这个电阻需要退出运行。这也是工程上经常采用的一种限制VFTO的措施的理论来源，在隔离开关触头间加装阻尼电阻。在隔离开关静触头侧加装阻尼电阻，隔离开关合闸过程中，动触头与阻尼电阻触头先放电，然后与静触头接触，将阻尼电阻退出运行；隔离开关分闸过程中，动、静触头分开后，动触头与阻尼电阻触头间产生电弧；隔离开关开合过程中，阻尼电阻被串入放电回路，会对VFTO幅值及其振荡产生明显抑制。

　　隔离开关安装阻尼电阻，是一种被工程实践和理论都证明了的有效抑制VFTO的措施，但是增加了隔离开关的结构复杂性，使可靠性降低，造价提高15%以上。为此，研究提出了一种应用磁环抑制VFTO的方法，其原理简单、实现容易、对设备的结构和可靠性影响很小，同时成本较低。

　　磁环抑制GIS中VFTO的方法是将磁环安装在GIS隔离开关附近的中心导体上。正常工作时，导体上和电流为50赫兹，由于频率很低，磁环表现出的感抗及对系统的影响可以忽略不计。VFTO产生时，导体上流过的行波变电流频率很高，在兆赫兹以上，磁环表现出较大的感抗，相当于在导体中串接入一个非线性电感，行波的陡度将被降低。磁环的等效电感越大，行波的陡度将降低越多。同时，磁环的材料在高频下将产生涡流损耗，行波的能量将被磁环吸收并转化成热量，行波幅值因而被衰减。

　　利用磁环串装置抑制特高压GIS中VFTO的试验已经在上述试验回路上开展，结果表明所用磁环装置可以有效抑制VFTO，VFTO最大幅值被限制在1.4p.u.以下，高频振荡受到明显抑制，不失为一种工程上可推荐的VFTO防护措施。