水电站GIS特快速暂态过电压在线监测系统构建及监测数据分析

特快速暂态过电压(VFTO)严重威胁气体绝缘组合电器(GIS)及变压器等线圈类设备的绝缘性能,尤其在GIS和变压器通过油气套管直连时。因此为准确及时掌握VFTO对GIS和变压器运行状态的影响,有必要实时监测GIS设备断路器和隔离开关操作引起的VFTO水平。文中针对某大型水电站500 k V变压器和GIS设备,设计了一套基于超宽频电容传感的特快速暂态过电压在线监测系统。对GIS设备与变压器联接筒体处的盖板进行电容传感改造,在监测终端处就地进行信号转换和采集,并通过光纤上传至上位存储控制单元。监测系统有效测量带宽2.1 Hz～230 MHz,采样率250 MS/s,模拟带宽100 MHz。通过定制的陡度触发模式可准确捕捉突变电压波形,记录时间不低于200 ms。过电压系统上线之后,成功准确记录到隔离开关和断路器在操作过程中引起的特快速暂态过电压波形。通过数据分析发现该水电站隔离开关操作引起的VFTO波形持续时间低于5μs,上升沿低于60 ns,主要频谱分布在1～10 MHz之间,上升沿处最高瞬时频率可达100 MHz;断路器操作操作引起的VFTO波形持续时间约30μs,上升沿约100 ns,主要频谱分布在100 k Hz～2 MHz之间,上升沿处最高瞬时频率也可达100 MHz。利用过电压在线监测系统实测的过电压波形可优化GIS和变压器设备VFTO仿真模型,为提升设备VFTO防护水平,分析设备故障原因奠定了坚实基础。     

官亭750kV GIS隔离开关操作时的特快速暂态过电压实测研究

论文全面介绍了3种类型(内部、外部、瞬态外壳地电位)特快速暂态过电压(以下简称VFTO)的测试系统、方法和现场测试结果。750 kV GIS内部VFTO测试的一次传感器采用设备自带的内部传感器,二次传感器采用自主研制的高频响应同轴传感器;瞬态外壳地电位测试的采集系统采用高频TEK高压探头的测试设备。这两种类型VFTO测试采集系统均配备高频响应的阻抗变换器、光纤传输系统、记录系统等远距离传输测试系统;外部VFTO采用倒置式光纤测量原理和方法,配备所研发的整套采集、传输和记录系统。所有采集、测试系统均考虑现场测试的抗干扰设计。通过所研发的测试系统实测了750 kV官亭变隔离开关带电操作时的3种类型VFTO的测量结果,并进行了波形、数据分析,对实现750 kV和1 000 kV GIS中隔离开关正常带电操作具有重要的参考价值和指导意义。     

低电压法现场测量GIS隔离开关操作VFTO

介绍在GIS现场采用低电压法测量550 kV GIS隔离开关操作VFTO(特别快速暂态过电压)的试验过程,测试结果用于验证EMTP数值计算参数的选取并修正,使550 kV GIS隔离开关操作VFTO波形和幅值的预测更为精确,指导和验证隔离开关重击穿燃弧时对地放电防治的设计。提出了推广在GIS现场安装后采用低电压法测量VFTO的建议,用于校验隔离开关设计、GIS及变压器等绝缘配合。     

三峡电站GIS快速暂态过电压现场试验及分析

特快速暂态过电压(VFTO)是危及全封闭气体绝缘组合电器(GIS)及变压器绝缘的一种电磁暂态现象。为了获取三峡电站的VFTO的幅值和频率等特性参数,考验VFTO是否超过变压器的绝缘水平,介绍了三峡电站GIS通过隔离开关操作产生并测量VFTO的波形现场试验方法、试验接线及操作步骤。试验采用电容耦合式传感器获取变压器的VFTO波形,分析了3种典型运行方式下的VFTO幅值差异,提出了减小VFTO对变压器绝缘影响的措施。试验结果的VFTO最高电压达1127kV,小于500kV变压器的雷电冲击耐受电压,表明VFTO不会造成三峡电站变压器绝缘损坏。     

252kV GIS特快速暂态过电压和电流的影响因素分析

由于气体绝缘变电站(GIS)隔离开关操作而产生的快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO),具有高频率、上升时间短、高幅值等特点,对GIS本体及相邻设备有较大危害。文中在隔离开关测量系统的基础上,研究了变压器耦合电容和隔离开关分合闸速度对VFTO和快速暂态电流(very fast transient current,VFTC)的影响。当变压器耦合电容分别取300、800、1 100 p F时,试验结果得出VFTO和VFTC的幅值会随着耦合电容的升高而增大。测量了隔离开关在6种不同劲度系数弹簧下的分合闸速度,研究了隔离开关分合闸速度不同时对VFTO和VFTC的影响,得出当隔离开关速度越慢时,隔离开关产生的VFTO的幅值越高。在两种不同弹簧速度情况下,统计了特快速暂态电压和电流的频率、幅值和上升时间,并进行了分析。     

330kV开关站内隔离开关动作VFTO辐射场的测量与分析

为了对隔离开关动作产生瞬态辐射场的波形特征进行研究,文中对330 kV开关站内隔离开关动作所产生的VFTO辐射电场进行了测量与分析。研制了一套能够适应复杂电磁环境应用的电场测量系统;开展了针对不同线侧隔离开关操作所产生VFTO辐射电场的测量工作;从时域和频域对其测试结果进行了研究分析。研究结果显示:距开关3 m处,隔离开关动作产生的辐射电场强度幅值可达4.65 kV/m;辐射电场频谱分布在200 MHz以下,且在某几个特征频率上集中分布;母线侧及出线侧隔离开关操作产生的VFTO辐射场具有不同的频谱分布;隔离开关的分闸及合闸操作产生的VFTO辐射场具有不同的频谱分布。     

330kV超高压GIS开关动作VFTO辐射电场的测量与分析

笔者对GIS断路器与隔离开关动作时所产生的VFTO辐射场进行了测量与分析。首先研制了一套基于光纤传输的VFTO辐射电场测量系统,并对该测量系统进行了标定实验,结果显示该测量系统具有响应频带宽、抗干扰能力强和传输距离远的特点。然后选取了典型的330 kV超高压GIS变电站,应用光纤测量系统对其开关正常动作时所引发的VFTO辐射场信号进行了测量。比较了断路器与隔离开关动作所产生的VFTO辐射场之间的差异,分析了差异产生的机理。同时也比较分析了相同开关的不同操作所产生VFTO辐射场之间的差异和机理。结论显示开关电弧放电位置与其引起的辐射场信号的频谱幅值分布具有紧密的联系。文中的研究成果对GIS变电站的在线监测提供了测量手段与依据。     

特高压气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压特性的试验研究

气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear,GIS）中隔离开关操作产生的特快速瞬态过电压（very fast transientovervoltage,VFTO）会影响电气设备的安全运行,随着系统电压等级的提高,该影响会越来越严重,在特高压系统中尤为突出。为掌握特高压GIS的VFTO特性,在特高压GIS设备的VFTO试验回路进行了大规模GIS隔离开关操作试验,并对VFTO测量结果进行了统计分析。研究得到了VFTO全过程波形的波形特征、击穿次数、频率成份和残余电压分布,单次击穿波形的波形特征和振荡系数分布,及预充/不预充直流电压下的VFTO幅值特性,揭示了隔离开关加装阻尼电阻对VFTO的抑制作用。所获得的特高压GIS中的VFTO特性为进一步研究VFTO仿真和绝缘配合等提供了依据。     

特快速电磁暂态(VFT)试验平台的研制

GIS隔离开关操作产生的特快速电磁暂态(VFT)可能造成就地化保护装置发生故障甚至损坏,威胁变电站二次系统的可靠运行。为了研究VFT对就地化保护装置的影响,提出了VFT试验平台的设计方案(包括电气结构方案、就地化保护布置方案、接地方案),在武汉特高压交流基地建成了VFT试验平台;研制了VFT测量系统,开发了基于天线的同步触发装置,开展了特快速暂态过电压(VFTO)和就地化保护装置端口电磁骚扰同步测量,获得了就地保护装置端口的电流互感器(TA)、电压互感器(TV)传导骚扰、瞬态电场和磁场的波形特征,验证了研制的VFT试验平台能够产生相对严酷的GIS隔离开关操作特快速电磁暂态骚扰。     

超高压GIS中隔离开关不同操作方式对快速瞬态过电压的影响研究

研究了乌江550 kV水电站超高压GIS中隔离开关的3种操作方式下产生的快速瞬态过电压(VFTO)。经计算得出3种方式下的变压器绕组端部对地VFTO电压波形,以及变压器绕组饼0～1之间电压波形;分别计算出3种方式对应的变压器支路切合短管线过电压、变压器绕组纵向各计算点对地过电压、变压器绕组各饼纵向VFTO过电压等数据。结果表明,变压器带电、变压器侧的隔离开关操作(方式3)的1～3个线饼的最大梯度电压超过允许范围,因此要避免方式3的操作。     

220kV GIS中断路器关合空载变压器所产生VFTO辐射电场的测量与波形特征分析

为研究变电站中开关动作所产生瞬态辐射场的波形特征,利用变电站停电检修的机会对220k V GIS中三相断路器操作所产生的VFTO辐射电场进行了测量与分析。首先针对变电站内复杂的电磁环境,研制了一套宽频带、抗电磁干扰能力强且传输距离远的光纤电场测量系统;然后选取了数个具有代表意义的测点,对断路器闭合空载变压器时所产生的VFTO辐射电场进行了测量;取得测量结果后,分别从时域和频域进行了波形特征与分布规律的分析。经分析可知:断路器对空载变压器的闭合操作可以在变电站中产生VFTO辐射场,脉冲电场的幅值可达7k V/m,前沿可达5ns,前沿陡度可达1.2(k V/m)/ns,该辐射场对工作在GIS中的电子设备具有潜在的威胁,因此需要研究VFTO辐射场的波形特征。研究结果表明:VFTO辐射电场一般为间隔数ms的脉冲群,每个脉冲为振荡衰减波且具有多个特征频率,按照不同特征频率的波形成分衰减速度的不同,可以将脉冲在时域上分为三个时期。     

宽频带窗口式VFTO测量传感器研究

针对武汉特高压实验基地1 100kV特高压GIS实验回路,设计了一宽频带窗口式快速暂态过电压(VFTO)测量传感器,以准确测量其隔离开关操作引起的VFTO。该传感器基于电容分压器的原理,低压臂为平板式薄膜电容,高压臂为GIS导杆与低压电极的分布电容。研究表明,该传感器不仅能较好地响应50Hz工频信号,而且能够准确测量纳秒级的快速信号。实测结果表明,在该1 100kV特高压GIS实验回路下,隔离开关操作产生的VFTO上升时间约为10ns,基本振荡频率为563kHz、1.37MHz,并叠加了7.8MHz和13.2MHz的高频振荡。     

取消特高压GIS变电站隔离开关阻尼电阻的研究

在保证安全的前提下,取消1000kV气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)隔离开关的阻尼电阻,可减少故障率,极大提高特高压工程的经济性。因此,首先依托前期在交流特高压基地试验平台上的研究成果和工程经验,建立了芜湖变电站的仿真模型,并初步计算了特快速暂态过电压(VFTO)水平;然后通过比较试验平台与实际变电站的不同,对建模方法进行了修正,同时结合VFTO的产生机理对计算条件进行了修正,得到修正后芜湖变电站在本期和远期接线下VFTO水平略微超过允许值2087kV;随后,开展了GIS设备耐受VFTO的讨论,从VFTO波形、VFTO下的击穿特性、隔离开关耐受VFTO能力和绝缘配合方法方面,认为仿真计算结果相对实际过电压水平过于保守,且取2087kV作为绝缘耐受水平偏严在前述基础上,提出可取消芜湖变电站隔离开关阻尼电阻的结论。最后,通过调试结果的验证,表明取消芜湖变电站阻尼电阻是可靠的。本研究所用方法具备一定工程推广价值。     

800 kV GIS变电站VFTO计算研究

GIS变电站在隔离开关操时会产生快速暂态过电压(VFTO)。由于VFTO幅值很高,将严重威胁GIS设备、变压器和与其相连的二次设备。为了给GIS变电站的设计、布置提供参考,文中运用有限元分析方法,对800 kV GIS变电站中主要设备参数进行了计算,并通过实际测量验证了计算的正确性。应用EMTP程序对某800 kV GIS变电站在6种不同操作方式下,隔离开关合闸时产生的VFTO进行了仿真,得出了6种操作方式下,VFTO的最大值和出现的位置。通过与安全限值比较,得出了该800 kV GIS变电站绝缘符合要求的结论。最后对残余电压、阻尼电阻和短母线长度等影响VFTO幅值的因素进行了研究。     

气体绝缘开关设备的隔离开关分合空载短母线时特快速暂态过电压及特快速暂态电流测量

为深入研究气体绝缘开关设备(GIS)的隔离开关分合空载短母线产生的特快速暂态过电压(VFTO),建立了252kV GIS试验回路并研制了VFTO、特快速暂态电流(VFTC)和开距测量系统。该系统采用手孔式电容分压器测量、Rogowski线圈及光纤传输系统、位置传感器分别测量VFTO、VFTC、开关开距。对上述测量系统进行了标定:VFTO测量系统低频截止频率<20Hz,高频截止频率>80MHz;VFTC测量系统带宽达到70MHz;开距测量系统误差<1.5%。结果表明各系统满足测量要求。试验结果表明:在试验回路上实现了隔离开关分合闸时VFTO、VFTC及开距的同时测量,获得了VFTO和VFTC的典型波形、隔离开关间隙的击穿电压特性和燃弧规律。该试验回路产生的VFTO幅值最大值为447.02kV,上升时间约为13ns;VFTC的幅值最大值为2.61kA,上升时间约为7ns。VFTO和VFTC的主要频率均为4.4、23.3、44.2MHz,主要取决于回路的电感、电容及暂态行波的折反射。间隙的击穿电压没有明显的极性效应。燃弧时间<2μs。     

气体绝缘开关设备介质窗口式特快速暂态过电压测量用传感器研制

为克服现有窗口式特快速暂态过电压(VFTO)测量传感器安装时间较长、维护时需要气体绝缘开关设备(GIS)间隔停电等缺点,研制了1种介质窗口式VFTO测量系统,通过介质窗口实现了测量传感器与GIS内气体的隔离。探索了不同密封介质窗口材料对测量系统频带的影响,为了实现对VFTO工频分量的准确测量,优选聚四氟乙烯作为介质窗口绝缘介质板的材料。测量系统频率响应试验结果表明:介质窗口式VFTO测量系统高频截止频率175 MHz,低频截止频率10 Hz。此外,利用该种传感器在252 kV GIS回路对隔离开关操作产生的暂态过电压进行了数百次的分合闸测试,传感器的分压比保持恒定,验证了传感器长期测量的可靠性。     

GIS母线结构及参数对VFTO波形的影响

在绝缘结构设计阶段,对变压器线圈内特快速暂态过电压(VFTO)分布进行仿真需要了解侵入线圈内的VFTO的波形特性。为此从理论上分析了SF6气体绝缘变电站(GIS)中的VFTO从开关到变压器线端的传输特性。分别针对连接变压器的无分岔母线和有分岔支路母线结构,采用传输线等效电路模型和戴维南等效定理,推导出到达变压器线端的VFTO波形的解析公式;分析了VFTO波形基本特征及其主要频率分布;讨论了母线长度、波阻抗、变压器入口电容等电路参数对VFTO波形的影响。PSCAD电磁暂态仿真软件计算结果验证了理论分析和解析公式的正确性,表明了该方法不仅物理意义明确,而且使用方便,计算效率高,对工程设计具有实际意义。     

气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压的全过程测量方法

特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltages,VFTO）是超/特高压气体绝缘开关设备（gas insulatedswitchgear,GIS）设计和运行中十分关心的问题,试验研究VFTO的特性是非常必要的。VFTO包含特快速瞬态分量、工频分量和准直流分量（空载母线残余电荷电压）,其中VFTO的瞬态分量在GIS中以电压波的形式传播,致使不同位置的VFTO波形具有显著差异。因此,试验研究VFTO的关键是对VFTO时间过程和空间分布的全过程测量。研究了VFTO测量方法,采用手孔式电容传感器与阻抗变换器相结合的方法实现了全过程测量,研制出测量频带为0.003 Hz~100 MHz和波形记录时间为200 ms的测量系统;采用多个测量系统,并基于隔离开关触头间隙击穿时的电磁波辐射信号,研制出了同步触发装置,实现了对GIS上不同位置的VFTO空间分布的测量。     

750 kV官亭变电站GIS特快速暂态过电压测试

官亭变电站GIS中的特快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage, VFTO）测试是自西北750 kV输变电示范工程2005年9月投产以来,国内首次对750 kV GIS中的隔离开关进行正常带电拉合操作试验。通过本次测试,获得了大量的实测数据和典型波形,为全面掌握750 kV GIS中的VFTO特性打下了基础。对官亭变电站750 kV GIS中VFTO现场测试的相关情况和主要结论进行概述,并针对750 kV GIS中隔离开关的倒闸操作方式提出了建议。     

500 kV GIS变电站VFTO抑制措施研究

气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)具有绝缘性能好、占地面积小、检修周期长、运行安全可靠、不受外界环境影响等优点,得到了广泛应用.而GIS内部发生接地故障或隔离开关动作时,会产生高幅值、陡前沿的快速暂态过电压(VFTO),对GIS内部电气设备、外部连接设备及二次设备构成威胁,因此对VFTO抑制方法的研究已成为国内外普遍关注的重点问题.针对某500 kV交流超高压变电站GIS的VFTO抑制措施,利用ATP-EMTP电磁暂态分析软件对500 kVGIS变电站、金属氧化物避雷器、铁氧体磁环进行建模,并对500 kV GIS变电站内由故障或隔离开关动作等引起的VFTO的抑制方法进行探究.研究结果表明,在GIS的出线套管外装设避雷器后,VFTO幅值出现明显下降,避雷器降低GIS内各点VFTO幅值的效果随着各点与避雷器距离的增大而减弱,且避雷器不影响VFTO的陡度;在GIS隔离开关附近导杆处装设磁环后,能在降低VFTO幅值的同时,削弱VFTO的陡度;避雷器与磁环相结合,能极大降低VFTO幅值,并削弱其波形陡度,降低VFTO对GIS内外电气设备的威胁.