7.8 架空线对入侵主变端口VFTO波前陡度限制的定量研究

VFTO是在GIS电站或电厂内操作隔离开关时产生的一种幅值较大、波前极陡、频率极高的内部过电压，陡波前的VFTO对电气设备尤其是变压器的绝缘结构有严重的威胁[17]。因此，合理经济有效地抑制入侵主变的VFTO波前陡度具有重要意义。

目前，限制入侵主变的VFTO波前陡度的措施主要是隔离开关装设并联电阻、GIS导体杆上或主变端口前安装铁氧体磁环以及在GIS套管出口和主变之间架设一段架空线等[6][16][18]。其中，架空线价格低廉，且本节的研究表明实际上只需很短的一段架空线即可明显地降低入侵主变的VFTO波前陡度，限制效果明显。因此，该方法是一种较为有效的限制方法。

对于GIS套管出口通过一段架空线与变压器联接的电厂，架空线对到达主变的VFTO波前陡度有较好的削弱作用[2][17]，且价格低廉。目前的文献对该段架空线削弱入侵主变的VFTO波前陡度的问题偏于定性分析，缺少定量研究。本节着重对入侵变压器的VFTO波前陡度问题进行定量研究，从保护主变纵绝缘的角度出发，探讨了GIS出口套管与变压器之间的架空线长度与到达变压器端口的VFTO波前陡度之间的定量关系。根据前面的分析可知，发电厂中的VFTO对主变纵绝缘的危害要比变电站中VFTO对主变的危害更大，且由前面的讨论可知VFTO对变电站中的主变纵绝缘威胁通常不大，因此，本节主要是针对发电厂进行讨论。

本节首先建立了实验模型进行研究，然后采用仿真的方法讨论了500kV和1000kV发电厂中VFTO对主变的威胁，提出了确保入侵500kV和1000kV主变的VFTO波前陡度在限制水平以下的架空线长度[19]。

7.8.1 架空线长度对VFTO波前陡度影响的实验探究

本节通过低压实验，模拟了实际500kV系统中架空线对VFTO波前陡度的削弱作用。

7.8.1.1 实验平台

500kV发电厂或变电站高压侧通常采用3/2台断路器接线方式，在主变的投运或停运过程中，根据常规的倒闸顺序，会在3/2接线的某个断路器串上形成一段空母线（亦称为“孤岛”）,“孤岛”部分可等效为一对地电容。当隔离开关切合该段带有残余电荷与残余电压的“孤岛”时，产生的VFTO波会从“孤岛”部分向主变侧传播，威胁主变纵绝缘，如图7-22所示。

为了探究实际500kV电厂或变电站中架空线对入侵主变的VFTO波前陡度的影响，参考图7-22，搭建如图7-23所示的相应低压试验回路。图中，U0为200V的低压直流电源，用于为“孤岛”预充电；C1代表“孤岛”部分对地杂散电容，在一般的500kV电厂和电站中该值变化不大，以浙江六横电厂为例，该值约为400pF; C2代表变压器的入口杂散电容，对于500kV的主变，该值通常取为5000pF；采用低压同轴电缆线L1、L2代表GIS母线1与GIS母线2，波阻抗为70Ω，长度均为2 m; S1、S2为低压开关；d为架空线的长度，根据架空线的半径，调整架空线的高度使其波阻抗为300Ω。本实验参数与实际500kV系统参数基本相一致，实验在低压下进行。

利用图7-23所示的实验回路进行模拟实验，实验时，先合上开关S2，直流电源U0对C1预充电，然后断开S2，再立即合上S1，电容C1对电容C2充电，会产生极陡的入侵波以模拟如图7-22所示的VFTO波入侵，极陡的入侵波沿着电缆线到达C点，再通过一段架空线到达D点，并作用在以C2表示的变压器入口电容上，以模拟图7-22中VFTO波入侵主变的过程。因此，该回路可用来研究架空线长度对VFTO波前陡度的影响和对主变纵绝缘的保护作用。

架空线的长度d在0～20m间取值，每改变一次d，测量到达D点作用在C2上的电压波形，求出变压器入口波的陡度，可以得到D点波前陡度随架空线长度的变化关系。

本实验是在低压下进行，当陡波在架空线上传播时，不会产生冲击电晕，所得的实验结果会较实际超、特高压系统更偏严一些。

7.8.1.2 实验结果

当架空线长度d在0～20m间取值时，D点VFTO波前陡度与架空线的关系如图7-24所示。

由图7-24可知，架空线削弱VFTO波前陡度效果明显。当架空线长度较短时，随着长度的增加，VFTO波前陡度呈显著下降趋势；当架空线长度较长时，随着长度的进一步增加，VFTO波前陡度下降的速度趋于平缓。由于VFTO波前陡度在架空线较短的范围内下降明显，因此，可以推知，较短的架空线可以限制入侵主变的VFTO波前陡度。

架空线削弱波头陡度的原理可简要分析如下：当行波通过串联电感或者旁过并联电容时，行波的波头陡度会被削弱[12]。当VFTO在架空线上传播时，架空线自身存在电感，相当于在VFTO入侵变压器的路径上引入了数值较大的串联电感，行波波前被拉平，陡度减小。

若要用低压实验来验证架空线对入侵1000kV系统中主变的VFTO波前陡度的限制效果，可同样采用如图7-23所示的实验回路，只是实验回路中的部分元件的参数发生了变化。此时，主变等效入口电容为6000pF，电缆的波阻抗取为95.2Ω，孤岛侧电容约为600pF。由此可知，当采用低压实验来验证架空线对入侵特高压主变的VFTO波前陡度的限制效果时，其与500kV系统相比，实验回路相同，只是部分元件的参数发生了稍许变化，因此，实验基本结果应该相类似。即对于1000kV系统而言，架空线同样能够很好地限制入侵主变的VFTO波前陡度。

对于实际的500kV线路和1000kV的特高压线路，VFTO在其上传播时，可能会产生电晕，架空线削弱VFTO波前陡度的效果应比本低压实验更好[12]。

7.8.2 架空线长度对VFTO波前陡度影响的仿真分析

7.8.2.1 简化的仿真模型

由7.6节可知，操作DS101时，产生的VFTO对主变的威胁是最大的（因为它离主变最近），涉及DS101的操作是在发电厂主变停运或投运的过程中。根据操作规程，主变停运的常规倒闸顺序为：先分闸断路器CB102、CB103，再分闸隔离开关DS101；主变投运的常规倒闸顺序为：先合闸隔离开关DS101，再合闸断路器CB103、CB102。由上述常规操作顺序可知，无论是主变停运还是投运，操作隔离开关DS101时，断路器CB102、CB103均已处于分闸状态，其余断路器和隔离开关均处于合闸状态。主变停运或投运产生的VFTO对主变的影响可能会不一致，因此以下研究均是选取二者中更严重的情况。

对于不同的电厂，当操作DS101而产生VFTO时，均可采用图7-25所示的仿真计算入侵主变VFTO波前陡度的简化模型。为研究架空线对VFTO波头陡度的削弱作用，本节对变压器经架空线与GIS联接的情况进行了重点分析。VFTO入侵变压器的路径为GIS—套管—架空线—套管—变压器线圈。图7-25中虚线部分表示因主变的投运或切除而在断路器串上产生的“孤岛”，不同的发电厂“孤岛”侧的组成是相同的，包括DS101的一部分、两个闭合状态的隔离开关DS1022和DS1031、两个断开的断路器CB102和CB103的一部分以及GIS母线段。d3、d6表示隔离开关DS1022、DS1031与断路器之间的GIS母线段长度，d4、d5代表隔离开关DS1022、DS1031与变压器出线隔离开关DS101之间的GIS母线段长度。“孤岛”的结构一般是对称的，即可认为d3与d6相等，d4与d5相等。

7.8.2.2 VFTO波前陡度与架空线长度的定量关系探究

1）计算参数

以浙江省六横电厂为例，六横发电厂500kV侧的接线以及设备布置与图7-15（b）类似，但两条主母线之间只有两个断路器串，其简化仿真计算等值电路如图7-25所示，其中隔离开关与断路器之间的GIS母线平均长度d3为2.5 m，隔离开关与变压器出线隔离开关之间的GIS母线三相平均长度d4为3.3m, AB段GIS母线三相平均长度25m，波阻抗为70Ω，波速3×108m/s, CD段架空线型号为2×LGJQT-1440，三相平均架空高度为15m，三相平均长度为54m。（以下未作特殊说明，平均长度均指三相平均长度）

2）GIS与主变经油气套管直接连接的情况（即架空线长度为零）

架空线对VFTO波头陡度具有拉平作用，因此当主变经套管直接和GIS相连时（图7-25中d2为0m），电厂的1主变端口VFTO波前陡度最大。假设六横电厂的变压器和GIS母线经过油气套管硬连接，考虑最严重的情况，取隔离开关动静触头两端电压差为最大值2p.u．时发生燃弧，主变端口VFTO波如图7-26所示，波头陡度为2253kV/μs，这一数值远高于500kV主变对VFTO波前陡度的限制水平1291kV/μs，对主变纵绝缘具有很大威胁。

3）GIS与主变经架空线连接的情况

当架空线长度在0～15 m之间变化时，入侵六横电厂1主变端口VFTO波形如图7-27所示。由于架空线长度不一样，VFTO波传至变压器入口处的时间不一样，故图中的四个波形在时间轴上会有一定的平移。由图7-27可知，架空线长度越长，相应的波前时间也越长，VFTO波前陡度越小。

图7-28为不同架空线长度与主变端口VFTO波前陡度的关系曲线。图中水平实横直线代表波前陡度为1291kV/μs。

由图7-28可以看出，与低压实验结果类似，架空线限制VFTO波前陡度的效果很明显。架空线长度为3.8m时，到达主变端口的波前陡度降为1291kV/μs，同时波前陡度随着架空线长度的增加下降趋势趋于平缓。当架空线长度在0至5 m之间时，随着架空线长度的增加，主变端口VFTO波前陡度下降趋势明显。当架空线长度取5m时，波前陡度已从原先的2253kV/μs下降至约1224.5kV/μs，降幅达45.6%，且与1291kV/μs之间有5%的裕度。当架空线长度超过5m后，随着架空线长度的增加，主变端口波前陡度下降趋于平缓，当架空线长度取10m时，主变端口VFTO波前陡度约为1032kV/μs，与1291 kV/μs的限制水平间已有20%的裕度。

4）变压器出线隔离开关与GIS出口套管之间的GIS母线对VFTO波前陡度的影响

在图7-25中，AB段GIS母线对地杂散电容往往较大，对VFTO波前陡度具有削弱作用，该段GIS母线越长，VFTO波前陡度被削弱的越多。六横电厂的隔离开关DS101与GIS出口套管之间有一段平均长度为25 m的GIS母线，不同的电厂该段母线长度不一样，对VFTO波前陡度的削弱作用各不相同。前文GIS与变压器之间架设5 m的架空线即可限制住VFTO波前陡度至安全水平以下是针对六横电厂计算出的结果。如果某些电厂的AB段GIS母线较短，5 m长的架空线可能并不能够满足要求。考虑极端情况，假设六横电厂的变压器出线隔离开关直接与变压器联接，即将DS101与GIS出口套管间的GIS母线的长度设为0m，得到该情况下连接于GIS出口套管与1变压器之间的架空线长度与到达变压器端口的VFTO波前陡度关系如下图7-29所示。

由图7-29可以看出，当架空线长度相同时，极端情况下到达变压器入口的VFTO波前陡度要比典型情况下的大。在极端情况下，当架空线长为5m时，VFTO波前陡度为1443.7kV/μs，超过限制水平。

比较图7-29中的两条曲线可知，当架空线长度大于10m时，两种情况下的VFTO波前陡度相差不大。GIS母线与架空线都可以拉平VFTO波前，但当架空线的长度大于10m时，GIS母线的作用可以基本忽略了，此时主要是架空线起作用了。

针对六横电厂，在最为严酷的条件下，即主变出线隔离开关与GIS出口套管之间的GIS母线长度为0m、GIS出口套管与主变之间的架空线长度为10m时，到达变压器端口的VFTO波前陡度为1133kV/μs，此值低于1291kV/μs的限制水平，已被有效控制在限制水平下，并有超过10%的裕度。在用EMTP仿真软件探究架空线对VFTO波前陡度影响时，没有考虑架空线冲击电晕的作用，当计及电晕效应时，VFTO波前陡度会进一步减小[12]。

综上可知，针对六横电厂，当GIS与变压器之间的架空线长度为10m时，到达主变端口的VFTO波前陡度值可以被控制在限制水平以下，且有足够的裕度。实际中，六横电厂的GIS母线与变压器之间有一条平均长度为54m的架空线，该长度远大于10m，足以保证入侵变压器端口的VFTO波前陡度在限制水平以下。因此，该段架空线可以很好地保护六横电厂的主变，不需要采取其他措施来限制入侵主变VFTO的波前陡度。

7.8.2.3 最严酷情形分析

由7.8.2.1节可知，不同的发电厂“孤岛”侧的组成基本上是差不多的，各个发电厂中“孤岛”部分断路器、隔离开关以及GIS母线段的长度差异不大[20][21][22]。如图7-25中的d3～d6，其中d3近似与d6相等，一般500kV电厂或变电站中该段长度在3m左右，最大不会超过5m; d4近似与d5相等，一般500kV电厂中该段长度在5m左右，最大不会超过10m。因此，当参数d3在[1m,5m]内变化、d4在[1m,10m]内变化时，基本包括了所有500kV的发电厂中因操作DS101而产生的“孤岛”的参数d3、d4。7.8.2.2节得出AB段GIS母线长度越短，入侵主变的VFTO波前陡度越大，由此，从严考虑选取d1为0m。当参数d3在[1m,5m]变化、d4在[1m,10m]变化时（d1=0m），在不同架空线长度下到达主变端口的VFTO波前陡度变化如图7-30所示。

从图7-30可以看出，当架空线长度为0m时，入侵主变的VFTO波前陡度约在3000kV/μs～3400 kV/μs范围内变化；当架空线长度为5m时，入侵主变的VFTO波前陡度约在1400kV/μs～1800 kV/μs范围内变化；当架空线长度为10m时，入侵主变的VFTO波前陡度约在1100kV/μs～1600 kV/μs范围内变化；当架空线长度为15m时，入侵主变的VFTO波前陡度约在800kV/μs～1200 kV/μs范围内变化。随着架空线长度的增加，入侵主变的VFTO波前陡度减小；当架空线长度从0m增加至5 m时，主变端口VFTO波前陡度下降趋势明显。当架空线长度为15 m时，在不同d3和d4的取值组合下，主变端口VFTO波前陡度最大约为1120 kV/μs，与1291 kV/μs的限制水平间之间仍有13 %的裕度，该值为入侵主变的VFTO波前陡度为最严酷的条件下的计算结果。

另外，由图7-30可知，当d1、d2保持不变，而d3、d4分别从1m变化至5m和1m变化至10m时，入侵主变的VFTO波前陡度变化幅度较小。因此，相比于参数d1和d2，参数d3、d4对入侵主变的波前陡度的影响是比较小的。

当架空线长为15 m时，即使在最为严酷的情形下，入侵1主变的VFTO波前陡度与限制水平间仍有超过10%的裕度。考虑冲击电晕的影响，可以认为，对于500kV发电厂，即使在最严酷的计算条件下，当GIS套管与变压器套管间的架空线长度大于15 m时，到达主变的VFTO波前陡度不会超出限制水平。因此，仅靠15m长的架空线即可很好的保护主变纵绝缘，不需要再采取其他防护措施。

对于500kV水电厂、抽水蓄能电厂，这类电厂通常场地较为紧张，GIS与主变之间往往通过油气套管直接联接或通过电缆直接联接，VFTO对该类电厂的主变纵绝缘具有较大威胁，需采取相应措施进行防治。由于在GIS与主变之间联接一条15 m长的架空线不需要太大空间，因此在设计规程以及场地条件允许的情况下[15][23]，也可以考虑采用架设一段15m以上的架空线来抑制VFTO的波前陡度。中国天荒坪抽水蓄能电站、四川二滩电站等电厂的主变与GIS之间未通过架空线联接，曾经发生过由VFTO引起的变压器绝缘损坏事故[24][25]。

考虑到入侵发电厂主变的VFTO通常比入侵变电站主变的情况更为严重，在500kV变电站加装一段15m长的架空线可以很好地保护主变。但实际上，根据前文分析，即使不加该段架空线，入侵500kV变电站主变端口的波前陡度也不会超过其限制水平。

综上所述，对于500kV发电厂，若GIS与变压器之间通过很短的架空线联接，该段架空线削弱入侵主变的VFTO波前陡度的效果非常明显；若GIS通过一段大于15 m的架空线与主变联接，主变纵绝缘可以受到很好的保护，在进行电厂设计时需考虑这一点。对于已建成的联接于GIS与主变之间的架空线很短的电站或者电厂，在其他条件允许的情况下，也可进行线路改造，使该段架空线大于15m，否则，需采取其他措施限制到达主变端口的VFTO波前陡度。

7.8.31000kV发电厂中利用架空线限制入侵主变VFTO波前陡度的进一步探讨

本节将探讨在1000kV系统中利用架空线限制入侵主变的VFTO波前陡度。

7.8.3.1 架空线限制入侵1000kV发电厂主变的VFTO波前陡度的研究

特高压发电厂的主接线图如图7-31所示。

由于目前未出现特高压发电厂，因此可以参考已有的特高压GIS变电站（算例二）得到图7-31中各段GIS母线参数以及架空线长度的参数，即算例三所示出的特高压发电厂参数。由7.8.2.1小节可知，VFTO仿真计算的简化模型如下图7-32所示。

分别考虑AB段GIS母线为40m（典型情况）和0m（极端情况）两种情况，在这两种情况下入侵主变的VFTO波前陡度随着架空线长度的变化关系如下图7-33所示。

由图7-33可以看出，对于1000kV的发电厂，当架设于GIS套管出口与主变之间的架空线长度较短时，入侵主变的VFTO波前陡度有可能超过1875kV/μs的限制水平。如当架空线长度为0m时，典型情况下和极端情况下入侵主变的VFTO波前陡度分别达到了3721kV/μs和5090kV/μs，远远超过了1875kV/μs的限制水平，会对主变纵绝缘构成较大的危害。因此，与500kV发电厂相类似，在1000kV发电厂中，需重点防护主变纵绝缘。

另外，由图7-33可以得到与500kV系统类似的结论，即当架空线的长度小于10m时，随着架空线长度的增加，VFTO波前陡度明显下降；当架空线长度大于10m时，随着架空线长度的增加，VFTO波前陡度下降趋于平缓。

比较图7-33中的两条曲线可知，当架空线长度相同时，极端情况下到达变压器入口的VFTO波前陡度要比典型情况下的大。当架空线长度大于25 m时，两种情况下的VFTO波前陡度相差不大。GIS母线与架空线都可以拉平VFTO波前，但当架空线的长度大于25 m时，GIS母线的作用可以基本忽略了，此时主要是架空线起作用了。两种情况下，入侵主变的VFTO波前陡度不超过限制水平的架空线最小长度分别为16m和20m。

在最为严酷的条件下，即GIS母线长0m，当架空线长度为25m时，到达变压器端口的VFTO波前陡度为1680kV/μs，低于1875kV/μs的限制水平，并有超过10%的裕度。在用EMTP仿真软件探究架空线对VFTO波前陡度影响时，并没有考虑架空线冲击电晕的作用，当计及电晕效应时，VFTO波前陡度还会进一步减小。因此，可以认为，对于特高压发电厂，当GIS套管出口与主变之间的架空线长度为25 m时，入侵主变的VFTO波前陡度不会超过限制水平，VFTO不会危及主变纵绝缘。

通过调研国内某些著名GIS生产厂家可知，对于不同的特高压变电站或发电厂，d3、d4通常变化不大，而d1、d2却可以在较大的范围变化。因此，d1、d2是影响入侵主变的VFTO波前陡度的主要因素。通过本章的分析可知，当d1为0m时，只要在主变与GIS母线之间架设一段25m长的架空线，即可将入侵主变的VFTO波前陡度限制在1875kV/μs以下，且有超过10%的裕度。考虑到冲击电晕的影响，可以认为，对于特高压发电厂，即使在最严重的情况下，当GIS套管与变压器套管间的架空线长度大于25 m时，到达主变的VFTO波前陡度不会超出限制水平，仅靠这段25 m长的架空线即可很好的保护主变纵绝缘，不需要再采取其他防护措施。

7.8.3.21000kV发电厂中利用架空线限制入侵主变的VFTO波前陡度的总结

综上分析，对于1000kV发电厂，有以下结论：

1）定量仿真计算结果表明，对于1000kV发电厂，10～25m的架空线即可明显削弱入侵主变的VFTO波前陡度。

2）随着GIS与主变之间的架空线长度的增加，主变端口的VFTO波前陡度呈下降趋势；当架空线长度在0至10m之间时，随着架空线长度的增加，主变端口VFTO波前陡度下降趋势明显；当架空线长度超过10m后，随着架空线长度的增加，主变端口波前陡度下降趋于平缓。因此，当GIS与变压器之间的架空线长度为10m时即可显著降低入侵主变的VFTO波前陡度。

3）当架空线长度大于25m时，到达主变端口的VFTO波前陡度即可被控制在1875kV/μs的限制水平以下，并留有超过10%的裕度。因此，当GIS与变压器之间的架空线长度大于25m时，通常可以将1000kV发电厂中入侵主变的VFTO波前陡度控制在限制水平以下。