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【解析】浅谈特高压VFTO机理探索与防护技术

2015-10-19 11:06
月城清浅
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  国家重点基础研究发展计划(973计划)旨在解决国家战略需求中的重大科学问题,面向前沿高科技战略领域超前部署基础研究。“交直流特高压输电系统电磁与绝缘特性的基础问题研究”作为国家973计划项目,重点解决特高压输电线路安全性与经济性的协调,及关键设备核心设计技术的自主化难题。本报今起开辟“国家973计划项目——特高压电磁与绝缘特性科普系列”栏目,刊登该项目相关研究成果科普知识。

  雷电是日常生活中常见却令人害怕的现象,因其发生突然、放电猛烈、声响巨大,且伴有极大的破坏力而成为不可忽视的自然灾害。人们常常被告知,雨天打雷时要关掉电视、不能在雷雨中接打手机,否则容易引发雷击,造成人身伤亡、财产损失等。追根溯源,这就是过电压对人身及家用电器造成的影响。

  输配电网中的各种电气设备也会承受诸如雷电等各种类型的过电压,即各种瞬态电压冲击。通过几十年的研究,已基本能控制危害。随着变电站封闭式组合电器(GIS)的广泛应用,尤其是输电网电压等级的逐渐提高,一种相对新型的过电压现象——VFTO日渐凸显,如何避免这类瞬态冲击对输配电网,尤其是特高压电网的危害,成为了一个不容回避、亟待攻破的难题。

  什么是VFTO

  传统过电压可按电网内部原因(操作过电压、谐振过电压等)和外部原因(主要指雷击过电压)进行分类,也可按持续时间分为暂时过电压、操作过电压、雷电过电压等。一般而言,内部过电压持续时间长(毫秒级),雷电过电压持续时间短(微秒级)。而VFTO则兼具二者的特点,它由电网内部原因——隔离开关带电投切空载短管线操作产生,其冲击波的频率却可能高达数百兆赫兹。简而言之,VFTO可定义为波前时间在3~100纳秒范围内的瞬态过电压,主要来源于隔离开关操作,也可以称为隔离开关操作过电压。

  VFTO产生的根本原因是隔离开关触头两端的电压差导致触头间隙击穿,该击穿瞬间会产生上升沿极陡的冲击电压,并在GIS内部传播。由于GIS回路各部件的结构及参数不同,这种冲击波经过不断的折、反射和波形叠加,最终形成可能对设备绝缘安全造成威胁的瞬态冲击电压。

  与其他过电压不同,因为触头的运动速度较慢,一次隔离开关操作中,可产生的VFTO波形可达数十甚至上百次之多。VFTO的大小会随着触头间隙击穿的情况而变化,简单来说分闸过程中产生的VFTO幅值越来越大,合闸过程反之。而理论最大VFTO,即出现在隔离开关两侧电压都处于峰值且极性相反时发生的击穿。这种极端情况出现的次数多吗,是不是可以避免?这些问题,都需要通过理论分析和实际试验来回答。

  既然是过电压,VFTO的首要危害当然是对一次设备绝缘的影响(如造成盆式绝缘子的闪络故障)。除此之外,因智能变电站设备布置紧凑,一次设备和二次设备距离很近,也会导致二次设备易受到各种电磁污染的影响而发生误动误报(如继电保护装置误报故障),甚至出现直接失效(如密度继电器损坏故障)的严重情况。

  在我国特高压工程投运初期,因对特高压VFTO特性、危害和抑制方法的有效性等缺乏研究,在特高压变电站中都尽量避免隔离开关带电投切短母线的操作,这给变电站运行带来极大不便,影响特高压电网运营效益的提升。

  所以,从变电站设备安全性、运行可靠性等方面来说,深入研究特高压变电站电磁暂态过电压的机理及其防护方法,有着强烈的现实需求。

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