1、劉衛東劉衛東 岳功昌岳功昌 清華大學電機系清華大學電機系20112011年年0909月月0202日日1.1.電力系統的過電壓電力系統的過電壓 超過系統額定運行電壓幅值的異常電壓升超過系統額定運行電壓幅值的異常電壓升高，稱為過電壓。過電壓決定了電力系統的絕高，稱為過電壓。過電壓決定了電力系統的絕緣配合。過電壓的主要形式：緣配合。過電壓的主要形式： 工頻過電壓；工頻過電壓； 雷電過電壓或大氣過電壓；雷電過電壓或大氣過電壓； 操作過電壓。操作過電壓。過電壓形式過電壓形式過電壓幅值和變化速度過電壓幅值和變化速度 過電壓幅值通常表示為過電壓倍數，即過過電壓幅值通常表示為過電壓倍數，即過電壓幅值與系統額定

2、工頻相電壓幅值的比值。電壓幅值與系統額定工頻相電壓幅值的比值。 過電壓變化速度表示為陡度、頻率等特征過電壓變化速度表示為陡度、頻率等特征量。量。IECIEC標準和國家標準（標準和國家標準（GBGB）規定了雷電過）規定了雷電過電壓和操作過電壓等典型過電壓標準波形。電壓和操作過電壓等典型過電壓標準波形。 過電壓幅值和變化速度過電壓幅值和變化速度 有一些類型的操作過電壓，如真空開關開有一些類型的操作過電壓，如真空開關開斷電感性負載時的重燃過電壓，又如斷電感性負載時的重燃過電壓，又如GISGIS隔離隔離開關開斷空載短母線時的特快速暫態過電壓開關開斷空載短母線時的特快速暫態過電壓VFTOVFTO，它們波

3、形復雜，變化速度快，目前還沒，它們波形復雜，變化速度快，目前還沒有標準的波形。有標準的波形。真空開關真空開關多次重燃過電壓多次重燃過電壓過電壓變化速度的影響過電壓變化速度的影響 過電壓變化速度影響絕緣介質擊穿特性，過電壓變化速度影響絕緣介質擊穿特性，如雷電耐壓通常高于工頻耐壓。如雷電耐壓通常高于工頻耐壓。 高陡度過電壓可在絕緣結構中不均勻分布，高陡度過電壓可在絕緣結構中不均勻分布，導致局部電場加強，對變壓器、電抗器和導致局部電場加強，對變壓器、電抗器和電機等繞組型設備的危害尤為嚴重。電機等繞組型設備的危害尤為嚴重。高陡度過電壓對繞組匝間絕緣的危害高陡度過電壓對繞組匝間絕緣的危害 高陡度的過電壓

4、在高陡度的過電壓在繞組上不均勻分布，繞組上不均勻分布，使端部匝間絕緣承使端部匝間絕緣承受高的過電壓。受高的過電壓。 高陡度過電壓的危高陡度過電壓的危害不僅和過電壓幅害不僅和過電壓幅值，還和跳變幅值值，還和跳變幅值有關。有關。電壓繞組匝數金屬封閉氣體絕緣變電站金屬封閉氣體絕緣變電站GISGIS2. GIS2. GIS的特快速暫態過電壓的特快速暫態過電壓VFTOVFTO長治長治1000kV GIS1000kV GISGISGIS的隔離開關切合空載短母線產生的隔離開關切合空載短母線產生VFTOVFTO 產生機理產生機理DSDS分閘過程的分閘過程的VFTOVFTO空載母線上的殘余電荷和殘余電壓電源側工

5、頻電壓 產生機理產生機理DSDS合閘過程的合閘過程的VFTOVFTO隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線

6、上的VFTOVFTO過程過程隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程隔離開關合閘操作的短母線上的隔離開關合閘操作的短母線上的VFTOVFTO過程過程VFTOVFTO的特點的特點上升時間在數上升時間在數nsns量級，高量級，高頻分量達數十頻分量達數十MHzMHz量級；量級；根據理論分析，最大可接根據理論分析，最大可接近近3p.u.3p.u.；隔離開關動作速度較慢，隔離開關動作速度較慢，一次操作可以產生數十次。一次操作可以產生數十次。每次操作不重復，過電壓每次操作不重復，過電壓呈

7、概率分布。呈概率分布。隔離開關操作的隔離開關操作的VFTOVFTO的特殊性的特殊性 斷路器和隔離開關操作都會發生重燃，斷路器和隔離開關操作都會發生重燃，產生產生VFTOVFTO，但隔離開關的，但隔離開關的VFTOVFTO尤為嚴重，原尤為嚴重，原因在于：因在于： 空載母線存在殘余電壓，能夠出現工頻峰空載母線存在殘余電壓，能夠出現工頻峰峰值電壓擊穿，產生高幅值過電壓；峰值電壓擊穿，產生高幅值過電壓； 隔離開關動作速度慢，擊穿次數和過電壓隔離開關動作速度慢，擊穿次數和過電壓次數多，出現高幅值過電壓的概率大。次數多，出現高幅值過電壓的概率大。EHVEHV和和UHV GISUHV GIS中中VFTOVF

8、TO的問題的問題 各個電壓等級的各個電壓等級的GISGIS都存在都存在VFTOVFTO。隨著電。隨著電壓等級提高，絕緣裕度減小，壓等級提高，絕緣裕度減小，VFTOVFTO的危害的危害增大。增大。 對于對于UHV GIS/HGISUHV GIS/HGIS，VFTOVFTO幅值可能超過其幅值可能超過其雷電耐受電壓，絕緣配合問題存在疑問。雷電耐受電壓，絕緣配合問題存在疑問。 VFTOVFTO造成電磁干擾和暫態地電位造成電磁干擾和暫態地電位(TEV)(TEV)升，升，嚴重影響二次設備安全運行。嚴重影響二次設備安全運行。VFTOVFTO的主要抑制措施的主要抑制措施 常規的避雷器存在常規的避雷器存在和和的

9、限的限制，不能有效抑制制，不能有效抑制VFTOVFTO，尤其難以抑制，尤其難以抑制VFTOVFTO的高陡度。的高陡度。 并聯電容和串聯電感可以抑制并聯電容和串聯電感可以抑制VFTOVFTO，但它們，但它們體積龐大，安全性低，無法在體積龐大，安全性低，無法在GISGIS中實現。中實現。VFTOVFTO的主要抑制措施的主要抑制措施 帶分合閘電阻隔離開關，可有效抑制帶分合閘電阻隔離開關，可有效抑制VFTOVFTO，但結構復雜、體積龐大、價格昂貴，影響但結構復雜、體積龐大、價格昂貴，影響可靠性。可靠性。隔離開關帶分合閘電阻（隔離開關帶分合閘電阻（500）；）；快速操動機構（快速操動機構（1.5m/s)

10、 )。平高電氣公司平高電氣公司1000kV GIS 1000kV GIS 隔離開關隔離開關隔離開關不帶分合閘電阻；隔離開關不帶分合閘電阻；慢速操動機構（慢速操動機構（0.5m/s) )。西開電氣公司西開電氣公司1000kV GIS1000kV GIS隔離開關隔離開關 缺少試驗測量結果，實際情況不詳；缺少試驗測量結果，實際情況不詳； 有大量仿制分析，缺少試驗驗證，結果差異有大量仿制分析，缺少試驗驗證，結果差異較大；較大； 各方觀點差異較大，缺少充分根據；各方觀點差異較大，缺少充分根據； 在絕緣配合和抑制措施上偏保守，增大投資在絕緣配合和抑制措施上偏保守，增大投資費用；費用； 在特高壓示范線路運行

11、中暫時禁止隔離開關在特高壓示范線路運行中暫時禁止隔離開關操作。操作。1000kV GIS VFTO1000kV GIS VFTO問題現狀問題現狀3. VFTO3. VFTO測量測量 為了全面研究和了解為了全面研究和了解VFTOVFTO，國家電網公，國家電網公司在國網電科院（武漢）特高壓交流基地建司在國網電科院（武漢）特高壓交流基地建立了立了1000kV GIS VFTO1000kV GIS VFTO試驗模型，由平高電氣試驗模型，由平高電氣和西開電氣分別提供一個試驗裝置。和西開電氣分別提供一個試驗裝置。 清華大學負責清華大學負責VFTOVFTO測量系統的研制和現測量系統的研制和現場測量工作。場測

12、量工作。特高壓特高壓GISGIS試驗模型試驗模型特高壓特高壓GISGIS試驗模型試驗模型接線和測點布置接線和測點布置 操作過程：短母線充直流；分操作過程：短母線充直流；分DS1DS1；合；合D DS2S2（測合閘（測合閘VFTOVFTO）；分）；分DS2DS2（測分閘（測分閘VFTOVFTO）。）。 測點測點1 1測點測點2 2測點測點3 3測點測點4 4測點測點5 5DS1DS1DS2DS2ES1ES1ES2ES2直流側套管直流側套管交流側套管交流側套管分支母線分支母線短母短母高頻、高陡度分量的測量，高頻、高陡度分量的測量，要求測量系統的高頻特性達到要求測量系統的高頻特性達到100MHz10

13、0MHz；工頻和階梯波分量的測量，工頻和階梯波分量的測量，要求測量系統的低頻特性達到準直流；要求測量系統的低頻特性達到準直流；多次擊穿的全過程持續數個工頻周多次擊穿的全過程持續數個工頻周期，有效要捕獲最大過電壓，要求測量系統期，有效要捕獲最大過電壓，要求測量系統同時滿足高速采樣和高記錄深度。同時滿足高速采樣和高記錄深度。得到得到GISGIS中中VFTOVFTO的空間分布。的空間分布。測量技術要求測量技術要求測量技術要求測量技術要求隔離開關的斷口在接近工頻峰峰隔離開關的斷口在接近工頻峰峰值電壓下擊穿，產生嚴重電磁干擾，要求值電壓下擊穿，產生嚴重電磁干擾，要求測量系統，包括傳感器、示波器、電源等，

14、測量系統，包括傳感器、示波器、電源等，具有良好的抗干擾性能。具有良好的抗干擾性能。示波器VFTOVFTO測量技術現狀和問題測量技術現狀和問題 VFTOVFTO測量傳感有兩種主要方法，電容式分測量傳感有兩種主要方法，電容式分壓器和壓器和PockelsPockels效應的光電傳感器。光電傳效應的光電傳感器。光電傳感器在穩定性等性能上目前還存在限制，感器在穩定性等性能上目前還存在限制，電容式分壓器是目前主要采用的方法。電容式分壓器是目前主要采用的方法。 測量系統的檢驗主要采用較低電壓的信號測量系統的檢驗主要采用較低電壓的信號源，實際測量的準確性缺少充分驗證，是源，實際測量的準確性缺少充分驗證，是研究

15、中的重要問題。研究中的重要問題。電容式分壓器的結構和原理電容式分壓器的結構和原理C2C1示波器電纜C1C2高壓導體外殼電容式分壓器的頻率特性電容式分壓器的頻率特性 連接線、電纜和示波器的分布參數，信號傳連接線、電纜和示波器的分布參數，信號傳輸的阻抗匹配，限制測量系統的高頻特性；輸的阻抗匹配，限制測量系統的高頻特性； 示波器輸入電阻，或外加對地匹配電阻限制示波器輸入電阻，或外加對地匹配電阻限制測量系統的低頻特性。測量系統的低頻特性。示波器電纜C1C2等效電阻C1C2電纜對高頻特性的影響電纜對高頻特性的影響波形波形1 1：消除電纜反射影響后的波形；：消除電纜反射影響后的波形；波形波形2 2：存在電

16、纜反射影響時的波形。：存在電纜反射影響時的波形。措施：短電纜措施：短電纜+ +阻尼電阻阻尼電阻示波器電纜C1C2示波器輸入電阻對低頻特性的影響示波器輸入電阻對低頻特性的影響等效電阻C1C2寬頻帶測量系統的實現寬頻帶測量系統的實現 其輸入電阻達到其輸入電阻達到T以上以上, ,使電容分壓器具有良好的低頻特性；其使電容分壓器具有良好的低頻特性；其輸出阻抗低，驅動力強，使得示波器可工作于輸出阻抗低，驅動力強，使得示波器可工作于50匹配輸入方式，消除電纜終端反射的影響，匹配輸入方式，消除電纜終端反射的影響，提高高頻特性。提高高頻特性。C2C1C2C1阻抗變換器干擾的影響干擾的影響抗干擾措施抗干擾措施減小

17、減小進入感應電極的輻進入感應電極的輻射干擾；射干擾；消除空間輻射消除空間輻射對電纜、示波器和對電纜、示波器和電源的干擾；電源的干擾；消除通消除通過電源引入的干擾。過電源引入的干擾。電池和逆變示波器電纜阻抗變換示波器示波器橫河DLM2054 通道：4 模擬帶寬：500MHz 采樣率：2.5GS/s 記錄深度125M 多測點同步測量多測點同步測量接收放電輻射信號多路同步觸發多路同步觸發光脈沖發生器光脈沖發生器光電轉換器光電轉換器示波器示波器光纖光纖 實現多臺示波器實現多臺示波器同步記錄和波形對比。同步記錄和波形對比。測量系統的遙控操作測量系統的遙控操作 采用光纖通訊，在控制室遙控示波器。采用光纖通

18、訊，在控制室遙控示波器。控制室控制室現場現場測量系統的檢驗測量系統的檢驗 檢驗一個測量系統，需要一個已知波形檢驗一個測量系統，需要一個已知波形的高電壓脈沖，以進行比對。為此，通常需的高電壓脈沖，以進行比對。為此，通常需要尋找另一個性能合乎要求的對比測量系統。要尋找另一個性能合乎要求的對比測量系統。 本項目研究中，提出了一種用測量波形本項目研究中，提出了一種用測量波形和理論波形進行比較，從而對和理論波形進行比較，從而對VFTOVFTO測量系統測量系統進行檢驗的新方法，進行檢驗的新方法，均勻母線放電產生方波均勻母線放電產生方波 采用一段規則的采用一段規則的GISGIS短母線，其一端短母線，其一端開路，另一端母線開路，另一端母線對地并聯對地并聯SF6SF6放電間放電間隙。隙。 對母線充直流電對母線充直流電壓，至壓，至SF6SF6間隙擊穿，間隙擊穿，在母線上產生行波在母線上產生行波來回反射。來回反射。測量波形和理論波形的比較測量波形和理論波形的比較根據行波理論：根據行波理論： 母線開路端的電壓為振蕩方波；母線開路端的電壓為振蕩方波； 方波幅值是直流擊穿電壓的方波幅值是直流