引言

快速暫態(tài)過電壓(VFTO)是氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)中的隔離開關(guān)(DS)操作時(shí)引起的一種過電壓現(xiàn)象。與操作沖擊和雷電沖擊不同,VFTO故障的發(fā)生更為頻繁,不確定性更大,但以往的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中并未給予足夠的重視,導(dǎo)致運(yùn)行中故障頻發(fā)。如不徹底解決,其隱患會一直存在,時(shí)刻威脅電力系統(tǒng)的安全。

1 VFTO的產(chǎn)生與危害

高壓組合電器中的隔離開關(guān)(DS)在開斷、關(guān)合小電容電流的操作過程中,由于動觸頭的分合速度較慢,會產(chǎn)生多次重?fù)舸┗蝾A(yù)擊穿。擊穿放電產(chǎn)生的行波在GIS內(nèi)部快速地反射和折射,會引起高頻振蕩,產(chǎn)生VFTO[1]。

VFTO屬于操作過電壓,其波頭很陡,上升時(shí)間為2~20 ns,持續(xù)時(shí)間為1~2μs;頻率高達(dá)兆赫數(shù)量級,幅值通常不超過2.0 p.u.,極端情況下可達(dá)3.0 p.u.[2]。

當(dāng)VFTO的一部分行波沿著套管傳輸?shù)郊芸站€或氣體絕緣金屬封閉輸電線路(GIL)上時(shí),會危害到相連的其他設(shè)備(如引起套管和變壓器的絕緣擊穿);另一部分行波傳輸?shù)綒んw上,會造成殼體電位升高,可能對二次設(shè)備和人造成危害。而在隔離開關(guān)內(nèi)部,由于VFTO擊穿產(chǎn)生的電弧可能會發(fā)展成接地故障,因此也危害著GIS設(shè)備本身。可以看出,VFTO的存在,對于與GIS相連的一次、二次設(shè)備以及GIS設(shè)備甚至人身安全都是一種隱患,應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視并減小其危害程度。

2一例典型的隔離開關(guān)VFTO故障

我司早期生產(chǎn)的550 kV隔離開關(guān)(DS)與接地開關(guān)(ES)為單相型,置于同一氣室,分別由各自的機(jī)構(gòu)驅(qū)動,其中DS分合閘速度略低于0.1 m/s。氣室的額定壓力為0.45 Mpa(表壓),閉鎖壓力為0.4 Mpa(表壓)。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2.1故障情況概述

某客戶處的550 kV組合電器設(shè)備投入運(yùn)行半年后,在一次隔離開關(guān)正常操作時(shí)出現(xiàn)了母線差動保護(hù)及斷路器跳閘的情況。根據(jù)故障錄波器的波形分析及現(xiàn)場檢查,判定為單相接地故障。故障所在相的某一隔離開關(guān)氣室的SF6氣體分解物檢測結(jié)果嚴(yán)重超標(biāo),具體為SO2:145.4×10-6、CO:156.2×10-6以及H2S:54×10-6。

2.2故障解體照片

維修人員對該隔離/接地開關(guān)解體后發(fā)現(xiàn):氣室內(nèi)有大量放電產(chǎn)生的灰白色粉末,如圖2所示;靜側(cè)的不銹鋼材質(zhì)屏蔽罩外表面有斑塊的燒灼痕跡,動觸頭及靜側(cè)弧觸頭已經(jīng)呈發(fā)黑狀,屏蔽罩附近的鑄鋁殼體內(nèi)表面上有規(guī)則走向的若干黑點(diǎn),如圖3所示;殼體內(nèi)壁拐角處距離導(dǎo)體最近的地方有大面積的嚴(yán)重?zé)坪圹E,且中間處已有明顯的凹坑,如圖4所示。此外,盆式絕緣子及絕緣拉桿的表面無任何損傷和沿面閃絡(luò)痕跡。

充電電壓,斷口間會產(chǎn)生重燃弧現(xiàn)象;隨著斷口距離的變化,靜側(cè)電弧根部的位置也在靜弧觸頭與屏蔽罩之間不斷變化;移動到屏蔽罩上的電弧會產(chǎn)生高電場并且改變電場分布,從而引起電弧的漂移接地[3],在殼體上形成對地閃絡(luò)。具體如圖5所示。

同樣的故障在其他工程項(xiàng)目中也時(shí)有發(fā)生,給客戶造成了諸多不便。公司方面立即給予了高度重視,重新設(shè)計(jì)并試驗(yàn)驗(yàn)證后進(jìn)行了產(chǎn)品的替換升級,從而消除隱患并減少客戶的損失。

3 DS斷口的電場改善

目前比較常見的vFTO改善方法主要有:1)改進(jìn)斷口的電場設(shè)計(jì);2)提高動觸頭分合閘速度;3)增加并聯(lián)電阻。

國內(nèi)外的一些研究表明:DS觸頭之間的絕緣性能以及動作速度對vFTO的幅值和重?fù)舸┐螖?shù)影響較大,并且動作速度慢可以減小vFTO的幅值,雖然會導(dǎo)致更多的重?fù)舸┐螖?shù)[4]。綜合考慮后采用改進(jìn)斷口電場設(shè)計(jì)的方案,主要是由于該產(chǎn)品為多年前的傳統(tǒng)設(shè)計(jì),電場方面的確有一些改進(jìn)空間,并且成熟的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上不適合進(jìn)行很大的變更。

本次改善設(shè)計(jì)的原則是通過動觸頭及靜側(cè)子裝配的重新設(shè)計(jì)來改善電場,最大程度地降低vFTO引發(fā)故障的概率?，F(xiàn)場更換時(shí)只需打開DS殼體,將動觸頭和靜側(cè)子裝配替換掉即可,避免了DS殼體及相鄰氣室的拆裝,很大程度上縮短了工期,減小了風(fēng)險(xiǎn),同時(shí)也很好地控制了成本。改善后的隔離開關(guān)減少了燃弧時(shí)間,同時(shí)將隔離開關(guān)動作時(shí)產(chǎn)生的電弧限定在觸頭中心的引弧區(qū)域,從而防止vFTO導(dǎo)致的絕緣擊穿。

3.1原設(shè)計(jì)與新方案的結(jié)構(gòu)對比

如圖6(a)所示,原設(shè)計(jì)采用的是固定的靜弧觸頭,分合閘過程中,靜弧觸頭和靜主觸頭頂部與動觸頭頂部的距離比較接近,而且二者的表面場強(qiáng)也都比較大,很容易形成動觸頭與靜主觸頭之間的燃弧進(jìn)而漂移到屏蔽罩的外表面。

如圖6(b)所示,新方案采用的是活動的靜弧觸頭,分合閘過程中,主觸頭與靜弧觸頭在一定范圍內(nèi)保證接觸并同時(shí)運(yùn)動,靜主觸頭完全處于屏蔽罩內(nèi)部,整個(gè)靜弧觸頭與屏蔽罩的輪廓保持一致,很大程度上改善了電場,并且盡可能地使燃弧發(fā)生在動觸頭的中軸線附近,減小了電弧漂移的概率。

3.2試驗(yàn)電壓下燃弧瞬間的電場仿真對比

按照型式試驗(yàn)方式1的電壓加載要求,動側(cè)加壓349.3 kv,靜側(cè)加壓—494 kv,分別對原設(shè)計(jì)和新方案進(jìn)行靜電場分析,找到導(dǎo)體表面電場強(qiáng)度處于臨界值時(shí)的觸頭位置。二維靜電場仿真用于軸對稱模型非?？旖莞咝?如果需要關(guān)注產(chǎn)生電弧(利用直徑為4 mm的圓柱體模擬)的表面電場,則需要用三維靜電場仿真。具體仿真結(jié)果如表1所示。

對于原設(shè)計(jì),從剛分位置繼續(xù)往上移動100 mm后,動觸頭頂部的最大場強(qiáng)為26.7 kv/mm,略高于臨界場強(qiáng),可以認(rèn)為100 mm的范圍內(nèi)具備燃弧的條件。對于新方案,當(dāng)動觸頭與靜弧觸頭的頂點(diǎn)距離為55mm時(shí),動觸頭頂部的最大場強(qiáng)為25.9 kv/mm,略低于臨界場強(qiáng),認(rèn)為55 mm的范圍內(nèi)具備燃弧的條件。因此在外部條件相同的情況下,相比于原設(shè)計(jì),新方案只是在很小的一段范圍內(nèi)具備產(chǎn)生燃弧的條件。

同時(shí),新方案的模擬電弧表面場強(qiáng)僅為3.0kv/mm,遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)的電弧表面場強(qiáng)8.6 kv/mm。而相同電子束所受的電場力正比于場強(qiáng),據(jù)此可推斷新方案的電弧會更加持續(xù)穩(wěn)定地在中心軸附近燃燒,不容易向外漂移引發(fā)接地故障。

3.3燃弧發(fā)展過程的對比

圖7與圖8分別是原設(shè)計(jì)和新方案在不同斷口距離時(shí)的靜電場分布情況,從中可以大致看出電場的分布情況和電弧的發(fā)展過程:自剛分時(shí)刻起,新方案的最大場強(qiáng)一直在觸頭中心附近,整體電場分布比較均勻,并且隨著斷口距離的增大,電場強(qiáng)度迅速下降,很快進(jìn)入不再起弧的狀態(tài)。而原設(shè)計(jì)在剛分后的35 mm內(nèi),最大場強(qiáng)一直有多處,燃弧可能發(fā)生在動觸頭與靜弧觸頭、靜主觸頭甚至屏蔽罩上,具有很大的不確定性,并且隨著斷口距離的增大,電場強(qiáng)度下降緩慢,燃弧時(shí)間過長也使得電弧更加地不可控制。

綜合電場分析結(jié)果可以看出,新方案不但電場分布均勻,最高電場強(qiáng)度低,而且移動相同距離后場強(qiáng)下降得更快,燃弧發(fā)生時(shí)也能穩(wěn)定在中心軸附近燃燒,達(dá)到了改善觸頭間電場的預(yù)期效果。

4試驗(yàn)驗(yàn)證與帶電運(yùn)行驗(yàn)證

按照新方案生產(chǎn)的樣機(jī)在西高院采用開合母線充電電流試驗(yàn)的方式1和方式3進(jìn)行了試驗(yàn)。其中方式1試驗(yàn)參數(shù)為電源側(cè)加壓349 kV rms,負(fù)載側(cè)加壓DC-494 kV,50次;方式3試驗(yàn)參數(shù)為電源側(cè)加壓318 kV rms,負(fù)載側(cè)不加壓,試驗(yàn)電流為2 A rms,50次。試驗(yàn)前后觸頭狀態(tài)如圖9~12所示。

通過照片的對比可以看出,方式1的試驗(yàn)動觸頭和靜弧觸頭都有了輕微的燒損,而方式3的試驗(yàn)燒損稍微嚴(yán)重一點(diǎn);靜主觸頭上完全沒有電弧燒過的痕跡。

整個(gè)試驗(yàn)完成后,并未出現(xiàn)機(jī)械或者電氣的損壞,機(jī)械功能與試驗(yàn)前的狀態(tài)基本相同,根據(jù)GB 1985—2014《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》6.108判定合格。

試驗(yàn)通過后對新方案進(jìn)行了大范圍的應(yīng)用。某客戶的550 kV GIS采用新方案后,正常運(yùn)行至今已超過四年,其DS帶電分合閘操作上百次,沒有再發(fā)生VFTO故障[5]。

5總結(jié)和建議

550 kV及以上電壓等級GIS中的VFTO問題應(yīng)該引起特別的重視。生產(chǎn)廠家在進(jìn)行DS設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)盡量改善斷口的電場分布,同時(shí)使電弧集中產(chǎn)生在動觸頭與靜弧觸頭的中間部分(中心軸附近),從而減小電弧漂移到殼體上的概率。GIS設(shè)備廠家及客戶需要不斷積累設(shè)計(jì)和運(yùn)維經(jīng)驗(yàn),最大程度上減少VFTO隱患,保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。