7.2 VFTO的危害

从VFTO对电气设备的危害的角度，可以将VFTO分为内部VFTO和外部VFTO两类。内部VFTO是指GIS一次设备内部的VFTO，存在于GIS管道、断路器、隔离开关等一次电气设备中，主要对GIS本体主绝缘构成威胁；外部VFTO是指由GIS一次设备传输到外部电气设备（如电力变压器、架空线、互感器、套管等）上的VFTO，主要对主变以及站内二次设备构成威胁。

7.2.1 VFTO对GIS主绝缘的危害

目前，特高压GIS设备主绝缘的VFTO典型试验波形和耐受电压标准尚未确定，一般认为VFTO可与设备的雷电冲击耐受电压（LIWV:Lightning Impulse Withstand Voltage）进行比较。特高压GIS的LIWV为2400kV[10]，国内有专家提出VFTO的耐受标准可在LIWV的基础上考虑15%的安全裕度，即VFTO不宜超过2087kV（相当于2.32p.u.）[2]。相比而言，500kV GIS的LIWV为1550kV[11]，其VFTO耐受电压在LIWV基础上考虑15%裕度为1348kV（相当于3.0p.u.，其中1.0p.u.=500×1.1/3×2=449kV）。由于VFTO最大幅值不超过3.0p.u.，因而对于500kV GIS设备主绝缘通常不会造成危害，但对于特高压GIS设备，隔离操作产生的VFTO过电压幅值可能达到2.5 p.u.，超过设备主绝缘耐压能力，有可能造成设备主绝缘的损坏。

7.2.2 VFTO对电力变压器的影响

7.2.2.1 VFTO对主变的危害机理

在所有与GIS相连的电气设备中，变压器受到VFTO的危害最大，特别是与GIS直接连接的变压器入口段匝间绝缘。

在VFTO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1.2μs）。对于GIS电站距离比较近的变压器，在陡波前电压波作用下绕组间和绕组对地的等值电容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7-5中右图所示，其中C0和K0分别为单位长度绕组的对地电容和匝间电容。在图7-5所示的等值模型下，变压器绕组上产生极不均匀的绕组初始电位分布，如图7-6所示，其中，一般变压器的αl=5～15，平均约为10，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纵绝缘安全[12]。

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，会使陡波前波趋于平缓。

实际上，VFTO对主变的危害除了陡波前在变压器线圈内部产生不均匀的电压分布危及主变纵绝缘外，另一方面，VFTO的高频成分可能与变压器的振荡频率吻合而激起变压器内部的电磁振荡，产生较高的过电压，造成主变匝间绝缘和主绝缘损坏[13][14]。在考虑VFTO高频振荡分量引起主变线圈内部谐振而对主变匝间绝缘构成的影响时，由于暂未有明确的限值标准和考核方法，因此，本章在介绍VFTO对主变构成的威胁时重点考虑到达主变端口的VFTO幅值和波前陡度对主变主绝缘和纵绝缘构成的影响。当达到主变端口的VFTO幅值和入侵主变端口的VFTO波前陡度分别小于相应的VFTO限制水平时，认为此时VFTO对主变的主绝缘和纵绝缘通常不会构成威胁。

7.2.2.2 VFTO对主变主绝缘的危害性

VFTO传播到变压器后，需要考虑变压器主绝缘（对地和对其他两相绕组的绝缘）的安全性。

可采取和上节相类似的方法来确定1000kV变压器主绝缘对VFTO的限制水平。由于1000kV变压器主绝缘的雷电冲击耐受电压为2250kV[10]，配合系数与GIS主绝缘相同，所以变压器主绝缘对VFTO的限制水平为1957kV（2.18p.u.）。而大量实测和仿真结果表明，变压器端口的最大VFTO通常远低于2.18p.u.，这主要是由于VFTO经过隔离开关、GIS管道、套管等GIS设备传播到变压器端口时会使过电压幅值有大幅衰减；且变压器和与其相连的电容式电压互感器（CVT）的等效对地电容均很大，将会对变压器端口的VFTO幅值起到一定的抑制作用。因此，VFTO通常不会对变压器主绝缘造成危害。

7.2.2.3 VFTO对主变纵绝缘的危害性

传播至主变的VFTO对主变纵绝缘（匝间、层间、线饼间等绝缘）也具有较大的威胁。由于VFTO具有比雷电过电压更陡的波前陡度，传播到变压器后，会在各匝绕组间形成极不均匀的电压分布，特别是绕组首端，将会出现非常大的电压差，可能会使绕组匝间绝缘发生击穿。因此，VFTO对变压器的最大危害是波前陡度对纵绝缘造成的威胁。

衡量VFTO是否会对变压器纵绝缘产生危害的指标，主要是VFTO的波前陡度。对于标准雷电冲击波过电压，变压器的雷电冲击耐受电压为2250kV，波前时间为1.2μs，其波前陡度为1875kV/μs，厂家生产的变压器通常能够承受该波前陡度。由于目前就VFTO对变压器纵绝缘的危害性仍暂无统一规定的衡量标准，且考虑到VFTO的波前较雷电过电压更陡一些，对主变纵绝缘的危害更大，因此，可以保守地参考标准雷电冲击波过电压1875 kV/μs的波前陡度值来衡量VFTO的波前陡度对变压器纵绝缘的危害性。即由于主变纵绝缘通常能够承受1875 kV/μs的波前陡度，如能将主变端口的VFTO波前陡度控制在1875 kV/μs以下，则主变纵绝缘就是安全的。因此，变压器纵绝缘对VFTO波前陡度的限制水平可以近似取为1875kV/μs。

7.2.3 VFTO对二次设备的影响

VFTO的高频分量幅值很大，当发生VFTO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。同时，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。所以，二次电气设备可能会因此受到危害。

7.2.4 VFTO的累积效应

当采用隔离开关操作一次设备时，就可能产生VFTO，对GIS支持绝缘子、套管等设备的绝缘安全形成一定威胁。随着隔离开关长期的操作，VFTO对电气设备绝缘的破坏作用就会不断累积。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。当电气设备的某一点绝缘相对薄弱时，就容易被击穿。