摘要：针对某500kV变电站出现多次在操作GIS隔离开关时导致汇控柜内刀闸电机电源空气开关跳闸的故障情况，阐述了影响异常现象的GIS隔离开关操作时引起的暂态地电位升高的形成机理，并就其对机构箱二次设备的影响进行详细的分析，最后提出机构箱二次设备的防护对策。
关键词：GIS隔离开关；暂态过电压；暂态地电位升高；二次设备
0 引言
GIS设备在运行中对二次设备的影响日趋突出，由于GIS设备占地面积小，结构紧凑的特点，一次设备和二次设备距离较近,特别是隔离开关机构箱基本都装设在GIS外壳构架上，机构箱内二次回路及元件都处于电磁污染严重的环境中，暂态电磁波在二次回路中感应出危险的电压并影响GIS控制和保护设备的正常运行。在操作GIS隔离开关时，在GIS内部产生快速暂态现象，出现快速暂态过电压，并且传播到与其连接的设备上，并会波及GIS外壳，造成暂态地电位升高，影响二次设备的正常运行。本文结合某500kV变电站刀闸电机电源空气开关频繁跳闸的故障情况就如何避免或减少由此产生的暂态地电位升高现象对二次设备特别是与一次设备临近的机构二次元件的影响进行分析，为减少和避免暂态过电压的影响探讨相应的对策。
1 故障情况
某500kV变电站投产运行后，多次发生在操作500kV隔离开关或开关的同时汇控柜内刀闸电机电源空气开关跳闸的事故，检查后试合不成功。从几次事故的现象看，都是在操作隔离开关的同时发生空气开关跳闸，被击穿的整流二极管所在的操作机构都是母线侧隔离开关的操作机构，这些操作机构相对其它操作机构远离GIS外壳支柱的接地点，延长了接地连线的传播时间。
2 故障分析
2.1 暂态地电位升高的形成机理
GIS设备类型的隔离开关和断路器的操作会在GIS内部产生高达数百MHz的特快速暂态过电压,并引起外壳暂态地电位升高，运行资料表明该现象主要来自隔离开关操作，其次为开关操作。由于GIS中所有元器件工作于稍不均匀电场中，隔离开关两极为插入式的同轴圆柱体, 操作中触头运动速度慢，断口在SF6气体中会发生预击穿和多次重燃，形成波前很陡(一般为1~20ns )的阶跃电压波，并向断口两侧传播，再加上GIS中相邻电气设备的间距和母线长度都比同型空气绝缘变电站小得多，产生的阶跃电压波会在GIS内不断地产生、来回地传递，并且发生复杂的折射、反射和叠加,最终暂态振荡的频率剧增，可高达数百MHz。
隔离开关操作机构由于固定在GIS外壳，与GIS外壳紧密连接，容易在二次回路中感应过电压，对机构内二次设备的正常运行构成威胁。
2.2 影响分析
图1 故障分析示意图
如图1，在操作隔离开关的瞬间会有暂态过电压的产生，暂态过电压在GIS内部传递和叠加，在外壳与套管、电流互感器连接处过渡到GIS外壳,由于GIS外壳与地之间受到接地效果、外壳高度等因素影响，在外壳会感应数十千伏的高电压，并与外壳耦合。
第一，从发生二极管击穿的刀闸机构所处位置看，出现二极管击穿的所有刀闸机构都是处在靠近母线侧的位置，恰好处在外壳与套管结合处下方，此处为暂态过电压过渡到外壳的地点，也即该处的暂态地电位最高。
第二，GIS一、二次电气设备都处在一个特殊的电磁环境中，GIS外壳存在暂态地电位升高现象将产生一电磁场，对二次设备产生共模感应电压， 在此电压作用下，二次系统设备上可产生一暂态感应电压，在GIS外壳发生暂态地电位升高时，操作机构外壳往往也会感应过电压，并通过辐射耦合感应到二次回路，若此时二次回路中存在绝缘薄弱点或机构二次元件耐压水平较低，则将导致机构二次元件击穿损坏，影响设备的正常运行。如图3所示，暂态过电压通过辐射耦合使刀闸电机电源回路感应过电压，在过电压的作用下发生击穿现象，导致就地控制柜内的空气开关跳闸。
第三，从现场GIS外壳接地线布置情况看，该站的刀闸机构不直接接地，同时母线侧隔离开关操作机构相对远离接地点，同时通过螺丝固定在GIS外壳上，可能因为接触处存在油漆而接触不良，延长接地的传播时间，接地效果较差，导致这些机构暂态地电位相对较高。
第四，操作机构某些元件的耐压水平较低，根据厂家的试验结果，此次被击穿的整流二极管在5kV施加电压的冲击试验下是良好的，然而感应的过电压往往可以达到十几千伏的高压，在这种情况下，耐压水平较低的二次元件容易被击穿。
3 防护对策
由于暂态地电位升高有可能对GIS装置特别是二次设备，以至电力系统运行的可靠性带来危害，甚至危及运行人员的安全，为此必须采取一定的限制措施，以避免或减弱暂态地电位升高现象所带来的影响。
1）改变外壳布置
实践证明，改变外壳布置会影响暂态地电位。降低外壳高度可以减小外壳的冲击阻抗，并缩短接地连线的传播时间，不仅可以降低传播到终端装置外壳上的电位，而且可以提高接地效果。
2）增加接地点
由于TGPR的高频特性，接地线的电感效应明显，使得接地效果较差，增加接地点个数会降低接地线的等效电感，可以限制暂态地电位升高。此时由于TGPR频率高的特点，接地位置对抑制效果有一定的影响。
3）合理布置接地点或机构箱直接接地
GIS外壳一般有多个接地点，但操作机构往往并不单独直接接地，而是通过与GIS外壳连接，利用GIS外壳支柱的接地点进行接地，因此合理布置接地点，使GIS操作机构均匀靠近接地点，缩短操作机构与接地点的距离，提高接地效果，或将机构箱通过软导线直接接地，提高接地的效果，降低操作机构外壳的电位，使机构二次元件减少甚至免受感应过电压的冲击破坏。
4）加装保护元件（浪涌吸收器）
由于操作机构部分二次元件耐压水平较低，在发生暂态地电位升高时，感应的过电压往往容易对这些二次元件首先造成冲击破坏，因此为这些二次元件加装保护设备，如浪涌吸收器，可以有效地保护二次回路中的薄弱环节，从而降低二次设备损坏的几率，防止因二次元件的损坏导致一次设备的故障，影响系统的安全运行。表1为加装保护元件前后整流二极管击穿情况对比表。
表1 加装保护元件前后整流二极管击穿情况对比表
4、结束语
GIS隔离开关操作时产生的暂态过电压直接威胁二次设备的正常工作，因此必须采取有效的防护措施限制其幅值，降低GIS外壳的地电位，同时，提高机构二次元件的耐压水平和改进保护技术措施也是减少暂态过电压对二次设备影响的有效途径，从而保证电力设备及其系统的安全稳定运行。
参考文献：
[1]张重远等. GIS隔离开关操作对二次设备的影响,高电压技术，2002.28(2):5.
[2]钟连宏、贺景亮. GIS暂态地电位升高的计算与分析,高电压技术，2000.26(6):43.
作者简介：
庄名富：男，工程师，电力系统及自动化，从事变电运行工作。
论文作者:庄名富
论文发表刊物:《电力设备》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/11
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