09-劉衛(wèi)東-GIS特快速暫態(tài)過電壓VFTO_293101871

1、劉衛(wèi)東劉衛(wèi)東 岳功昌岳功昌 清華大學(xué)電機(jī)系清華大學(xué)電機(jī)系20112011年年0909月月0202日日1.1.電力系統(tǒng)的過電壓電力系統(tǒng)的過電壓 超過系統(tǒng)額定運(yùn)行電壓幅值的異常電壓升超過系統(tǒng)額定運(yùn)行電壓幅值的異常電壓升高，稱為過電壓。過電壓決定了電力系統(tǒng)的絕高，稱為過電壓。過電壓決定了電力系統(tǒng)的絕緣配合。過電壓的主要形式：緣配合。過電壓的主要形式： 工頻過電壓；工頻過電壓； 雷電過電壓或大氣過電壓；雷電過電壓或大氣過電壓； 操作過電壓。操作過電壓。過電壓形式過電壓形式過電壓幅值和變化速度過電壓幅值和變化速度 過電壓幅值通常表示為過電壓倍數(shù)，即過過電壓幅值通常表示為過電壓倍數(shù)，即過電壓幅值與系統(tǒng)額定

2、工頻相電壓幅值的比值。電壓幅值與系統(tǒng)額定工頻相電壓幅值的比值。 過電壓變化速度表示為陡度、頻率等特征過電壓變化速度表示為陡度、頻率等特征量。量。IECIEC標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)（標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)（GBGB）規(guī)定了雷電過）規(guī)定了雷電過電壓和操作過電壓等典型過電壓標(biāo)準(zhǔn)波形。電壓和操作過電壓等典型過電壓標(biāo)準(zhǔn)波形。 過電壓幅值和變化速度過電壓幅值和變化速度 有一些類型的操作過電壓，如真空開關(guān)開有一些類型的操作過電壓，如真空開關(guān)開斷電感性負(fù)載時的重燃過電壓，又如斷電感性負(fù)載時的重燃過電壓，又如GISGIS隔離隔離開關(guān)開斷空載短母線時的特快速暫態(tài)過電壓開關(guān)開斷空載短母線時的特快速暫態(tài)過電壓VFTOVFTO，它們波

3、形復(fù)雜，變化速度快，目前還沒，它們波形復(fù)雜，變化速度快，目前還沒有標(biāo)準(zhǔn)的波形。有標(biāo)準(zhǔn)的波形。真空開關(guān)真空開關(guān)多次重燃過電壓多次重燃過電壓過電壓變化速度的影響過電壓變化速度的影響 過電壓變化速度影響絕緣介質(zhì)擊穿特性，過電壓變化速度影響絕緣介質(zhì)擊穿特性，如雷電耐壓通常高于工頻耐壓。如雷電耐壓通常高于工頻耐壓。 高陡度過電壓可在絕緣結(jié)構(gòu)中不均勻分布，高陡度過電壓可在絕緣結(jié)構(gòu)中不均勻分布，導(dǎo)致局部電場加強(qiáng)，對變壓器、電抗器和導(dǎo)致局部電場加強(qiáng)，對變壓器、電抗器和電機(jī)等繞組型設(shè)備的危害尤為嚴(yán)重。電機(jī)等繞組型設(shè)備的危害尤為嚴(yán)重。高陡度過電壓對繞組匝間絕緣的危害高陡度過電壓對繞組匝間絕緣的危害 高陡度的過電壓

4、在高陡度的過電壓在繞組上不均勻分布，繞組上不均勻分布，使端部匝間絕緣承使端部匝間絕緣承受高的過電壓。受高的過電壓。 高陡度過電壓的危高陡度過電壓的危害不僅和過電壓幅害不僅和過電壓幅值，還和跳變幅值值，還和跳變幅值有關(guān)。有關(guān)。電壓繞組匝數(shù)金屬封閉氣體絕緣變電站金屬封閉氣體絕緣變電站GISGIS2. GIS2. GIS的特快速暫態(tài)過電壓的特快速暫態(tài)過電壓VFTOVFTO長治長治1000kV GIS1000kV GISGISGIS的隔離開關(guān)切合空載短母線產(chǎn)生的隔離開關(guān)切合空載短母線產(chǎn)生VFTOVFTO 產(chǎn)生機(jī)理產(chǎn)生機(jī)理DSDS分閘過程的分閘過程的VFTOVFTO空載母線上的殘余電荷和殘余電壓電源側(cè)工

5、頻電壓 產(chǎn)生機(jī)理產(chǎn)生機(jī)理DSDS合閘過程的合閘過程的VFTOVFTO隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線

6、上的VFTOVFTO過程過程隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的隔離開關(guān)合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程VFTOVFTO的特點(diǎn)的特點(diǎn)上升時間在數(shù)上升時間在數(shù)nsns量級，高量級，高頻分量達(dá)數(shù)十頻分量達(dá)數(shù)十MHzMHz量級；量級；根據(jù)理論分析，最大可接根據(jù)理論分析，最大可接近近3p.u.3p.u.；隔離開關(guān)動作速度較慢，隔離開關(guān)動作速度較慢，一次操作可以產(chǎn)生數(shù)十次。一次操作可以產(chǎn)生數(shù)十次。每次操作不重復(fù)，過電壓每次操作不重復(fù)，過電壓呈

7、概率分布。呈概率分布。隔離開關(guān)操作的隔離開關(guān)操作的VFTOVFTO的特殊性的特殊性 斷路器和隔離開關(guān)操作都會發(fā)生重燃，斷路器和隔離開關(guān)操作都會發(fā)生重燃，產(chǎn)生產(chǎn)生VFTOVFTO，但隔離開關(guān)的，但隔離開關(guān)的VFTOVFTO尤為嚴(yán)重，原尤為嚴(yán)重，原因在于：因在于： 空載母線存在殘余電壓，能夠出現(xiàn)工頻峰空載母線存在殘余電壓，能夠出現(xiàn)工頻峰峰值電壓擊穿，產(chǎn)生高幅值過電壓；峰值電壓擊穿，產(chǎn)生高幅值過電壓； 隔離開關(guān)動作速度慢，擊穿次數(shù)和過電壓隔離開關(guān)動作速度慢，擊穿次數(shù)和過電壓次數(shù)多，出現(xiàn)高幅值過電壓的概率大。次數(shù)多，出現(xiàn)高幅值過電壓的概率大。EHVEHV和和UHV GISUHV GIS中中VFTOVF

8、TO的問題的問題 各個電壓等級的各個電壓等級的GISGIS都存在都存在VFTOVFTO。隨著電。隨著電壓等級提高，絕緣裕度減小，壓等級提高，絕緣裕度減小，VFTOVFTO的危害的危害增大。增大。 對于對于UHV GIS/HGISUHV GIS/HGIS，VFTOVFTO幅值可能超過其幅值可能超過其雷電耐受電壓，絕緣配合問題存在疑問。雷電耐受電壓，絕緣配合問題存在疑問。 VFTOVFTO造成電磁干擾和暫態(tài)地電位造成電磁干擾和暫態(tài)地電位(TEV)(TEV)升，升，嚴(yán)重影響二次設(shè)備安全運(yùn)行。嚴(yán)重影響二次設(shè)備安全運(yùn)行。VFTOVFTO的主要抑制措施的主要抑制措施 常規(guī)的避雷器存在常規(guī)的避雷器存在和和的

9、限的限制，不能有效抑制制，不能有效抑制VFTOVFTO，尤其難以抑制，尤其難以抑制VFTOVFTO的高陡度。的高陡度。 并聯(lián)電容和串聯(lián)電感可以抑制并聯(lián)電容和串聯(lián)電感可以抑制VFTOVFTO，但它們，但它們體積龐大，安全性低，無法在體積龐大，安全性低，無法在GISGIS中實(shí)現(xiàn)。中實(shí)現(xiàn)。VFTOVFTO的主要抑制措施的主要抑制措施 帶分合閘電阻隔離開關(guān)，可有效抑制帶分合閘電阻隔離開關(guān)，可有效抑制VFTOVFTO，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價格昂貴，影響但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、價格昂貴，影響可靠性。可靠性。隔離開關(guān)帶分合閘電阻（隔離開關(guān)帶分合閘電阻（500）；）；快速操動機(jī)構(gòu)（快速操動機(jī)構(gòu)（1.5m/s)

10、 )。平高電氣公司平高電氣公司1000kV GIS 1000kV GIS 隔離開關(guān)隔離開關(guān)隔離開關(guān)不帶分合閘電阻；隔離開關(guān)不帶分合閘電阻；慢速操動機(jī)構(gòu)（慢速操動機(jī)構(gòu)（0.5m/s) )。西開電氣公司西開電氣公司1000kV GIS1000kV GIS隔離開關(guān)隔離開關(guān) 缺少試驗(yàn)測量結(jié)果，實(shí)際情況不詳；缺少試驗(yàn)測量結(jié)果，實(shí)際情況不詳； 有大量仿制分析，缺少試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果差異有大量仿制分析，缺少試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果差異較大；較大； 各方觀點(diǎn)差異較大，缺少充分根據(jù)；各方觀點(diǎn)差異較大，缺少充分根據(jù)； 在絕緣配合和抑制措施上偏保守，增大投資在絕緣配合和抑制措施上偏保守，增大投資費(fèi)用；費(fèi)用； 在特高壓示范線路運(yùn)行

11、中暫時禁止隔離開關(guān)在特高壓示范線路運(yùn)行中暫時禁止隔離開關(guān)操作。操作。1000kV GIS VFTO1000kV GIS VFTO問題現(xiàn)狀問題現(xiàn)狀3. VFTO3. VFTO測量測量 為了全面研究和了解為了全面研究和了解VFTOVFTO，國家電網(wǎng)公，國家電網(wǎng)公司在國網(wǎng)電科院（武漢）特高壓交流基地建司在國網(wǎng)電科院（武漢）特高壓交流基地建立了立了1000kV GIS VFTO1000kV GIS VFTO試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，由平高電氣試?yàn)?zāi)Ｐ?，由平高電氣和西開電氣分別提供一個試驗(yàn)裝置。和西開電氣分別提供一個試驗(yàn)裝置。 清華大學(xué)負(fù)責(zé)清華大學(xué)負(fù)責(zé)VFTOVFTO測量系統(tǒng)的研制和現(xiàn)測量系統(tǒng)的研制和現(xiàn)場測量工作。場測

12、量工作。特高壓特高壓GISGIS試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)?zāi)Ｐ吞馗邏禾馗邏篏ISGIS試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)?zāi)Ｐ徒泳€和測點(diǎn)布置接線和測點(diǎn)布置 操作過程：短母線充直流；分操作過程：短母線充直流；分DS1DS1；合；合D DS2S2（測合閘（測合閘VFTOVFTO）；分）；分DS2DS2（測分閘（測分閘VFTOVFTO）。）。 測點(diǎn)測點(diǎn)1 1測點(diǎn)測點(diǎn)2 2測點(diǎn)測點(diǎn)3 3測點(diǎn)測點(diǎn)4 4測點(diǎn)測點(diǎn)5 5DS1DS1DS2DS2ES1ES1ES2ES2直流側(cè)套管直流側(cè)套管交流側(cè)套管交流側(cè)套管分支母線分支母線短母短母高頻、高陡度分量的測量，高頻、高陡度分量的測量，要求測量系統(tǒng)的高頻特性達(dá)到要求測量系統(tǒng)的高頻特性達(dá)到100MHz10

13、0MHz；工頻和階梯波分量的測量，工頻和階梯波分量的測量，要求測量系統(tǒng)的低頻特性達(dá)到準(zhǔn)直流；要求測量系統(tǒng)的低頻特性達(dá)到準(zhǔn)直流；多次擊穿的全過程持續(xù)數(shù)個工頻周多次擊穿的全過程持續(xù)數(shù)個工頻周期，有效要捕獲最大過電壓，要求測量系統(tǒng)期，有效要捕獲最大過電壓，要求測量系統(tǒng)同時滿足高速采樣和高記錄深度。同時滿足高速采樣和高記錄深度。得到得到GISGIS中中VFTOVFTO的空間分布。的空間分布。測量技術(shù)要求測量技術(shù)要求測量技術(shù)要求測量技術(shù)要求隔離開關(guān)的斷口在接近工頻峰峰隔離開關(guān)的斷口在接近工頻峰峰值電壓下?lián)舸a(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾，要求值電壓下?lián)舸a(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾，要求測量系統(tǒng)，包括傳感器、示波器、電源等，

14、測量系統(tǒng)，包括傳感器、示波器、電源等，具有良好的抗干擾性能。具有良好的抗干擾性能。示波器VFTOVFTO測量技術(shù)現(xiàn)狀和問題測量技術(shù)現(xiàn)狀和問題 VFTOVFTO測量傳感有兩種主要方法，電容式分測量傳感有兩種主要方法，電容式分壓器和壓器和PockelsPockels效應(yīng)的光電傳感器。光電傳效應(yīng)的光電傳感器。光電傳感器在穩(wěn)定性等性能上目前還存在限制，感器在穩(wěn)定性等性能上目前還存在限制，電容式分壓器是目前主要采用的方法。電容式分壓器是目前主要采用的方法。 測量系統(tǒng)的檢驗(yàn)主要采用較低電壓的信號測量系統(tǒng)的檢驗(yàn)主要采用較低電壓的信號源，實(shí)際測量的準(zhǔn)確性缺少充分驗(yàn)證，是源，實(shí)際測量的準(zhǔn)確性缺少充分驗(yàn)證，是研究

15、中的重要問題。研究中的重要問題。電容式分壓器的結(jié)構(gòu)和原理電容式分壓器的結(jié)構(gòu)和原理C2C1示波器電纜C1C2高壓導(dǎo)體外殼電容式分壓器的頻率特性電容式分壓器的頻率特性 連接線、電纜和示波器的分布參數(shù)，信號傳連接線、電纜和示波器的分布參數(shù)，信號傳輸?shù)淖杩蛊ヅ?，限制測量系統(tǒng)的高頻特性；輸?shù)淖杩蛊ヅ?，限制測量系統(tǒng)的高頻特性； 示波器輸入電阻，或外加對地匹配電阻限制示波器輸入電阻，或外加對地匹配電阻限制測量系統(tǒng)的低頻特性。測量系統(tǒng)的低頻特性。示波器電纜C1C2等效電阻C1C2電纜對高頻特性的影響電纜對高頻特性的影響波形波形1 1：消除電纜反射影響后的波形；：消除電纜反射影響后的波形；波形波形2 2：存在電

16、纜反射影響時的波形。：存在電纜反射影響時的波形。措施：短電纜措施：短電纜+ +阻尼電阻阻尼電阻示波器電纜C1C2示波器輸入電阻對低頻特性的影響示波器輸入電阻對低頻特性的影響等效電阻C1C2寬頻帶測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)寬頻帶測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn) 其輸入電阻達(dá)到其輸入電阻達(dá)到T以上以上, ,使電容分壓器具有良好的低頻特性；其使電容分壓器具有良好的低頻特性；其輸出阻抗低，驅(qū)動力強(qiáng)，使得示波器可工作于輸出阻抗低，驅(qū)動力強(qiáng)，使得示波器可工作于50匹配輸入方式，消除電纜終端反射的影響，匹配輸入方式，消除電纜終端反射的影響，提高高頻特性。提高高頻特性。C2C1C2C1阻抗變換器干擾的影響干擾的影響抗干擾措施抗干擾措施減小

17、減小進(jìn)入感應(yīng)電極的輻進(jìn)入感應(yīng)電極的輻射干擾；射干擾；消除空間輻射消除空間輻射對電纜、示波器和對電纜、示波器和電源的干擾；電源的干擾；消除通消除通過電源引入的干擾。過電源引入的干擾。電池和逆變示波器電纜阻抗變換示波器示波器橫河DLM2054 通道：4 模擬帶寬：500MHz 采樣率：2.5GS/s 記錄深度125M 多測點(diǎn)同步測量多測點(diǎn)同步測量接收放電輻射信號多路同步觸發(fā)多路同步觸發(fā)光脈沖發(fā)生器光脈沖發(fā)生器光電轉(zhuǎn)換器光電轉(zhuǎn)換器示波器示波器光纖光纖 實(shí)現(xiàn)多臺示波器實(shí)現(xiàn)多臺示波器同步記錄和波形對比。同步記錄和波形對比。測量系統(tǒng)的遙控操作測量系統(tǒng)的遙控操作 采用光纖通訊，在控制室遙控示波器。采用光纖通

18、訊，在控制室遙控示波器?？刂剖铱刂剖椰F(xiàn)場現(xiàn)場測量系統(tǒng)的檢驗(yàn)測量系統(tǒng)的檢驗(yàn) 檢驗(yàn)一個測量系統(tǒng)，需要一個已知波形檢驗(yàn)一個測量系統(tǒng)，需要一個已知波形的高電壓脈沖，以進(jìn)行比對。為此，通常需的高電壓脈沖，以進(jìn)行比對。為此，通常需要尋找另一個性能合乎要求的對比測量系統(tǒng)。要尋找另一個性能合乎要求的對比測量系統(tǒng)。 本項(xiàng)目研究中，提出了一種用測量波形本項(xiàng)目研究中，提出了一種用測量波形和理論波形進(jìn)行比較，從而對和理論波形進(jìn)行比較，從而對VFTOVFTO測量系統(tǒng)測量系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)的新方法，進(jìn)行檢驗(yàn)的新方法，均勻母線放電產(chǎn)生方波均勻母線放電產(chǎn)生方波 采用一段規(guī)則的采用一段規(guī)則的GISGIS短母線，其一端短母線，其一端開路，另一端母線開路，另一端母線對地并聯(lián)對地并聯(lián)SF6SF6放電間放電間隙。隙。 對母線充直流電對母線充直流電壓，至壓，至SF6SF6間隙擊穿，間隙擊穿，在母線上產(chǎn)生行波在母線上產(chǎn)生行波來回反射。來回反射。測量波形和理論波形的比較測量波形和理論波形的比較根據(jù)行波理論：根據(jù)行波理論： 母線開路端的電壓為振蕩方波；母線開路端的電壓為振蕩方波； 方波幅值是直流擊穿電壓的方波幅值是直流