國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973計(jì)劃）旨在解決國家戰(zhàn)略需求中的重大科學(xué)問題，面向前沿高科技戰(zhàn)略領(lǐng)域超前部署基礎(chǔ)研究。“交直流特高壓輸電系統(tǒng)電磁與絕緣特性的基礎(chǔ)問題研究”作為國家973計(jì)劃項(xiàng)目，重點(diǎn)解決特高壓輸電線路安全性與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)，及關(guān)鍵設(shè)備核心設(shè)計(jì)技術(shù)的自主化難題。本報(bào)今起開辟“國家973計(jì)劃項(xiàng)目——特高壓電磁與絕緣特性科普系列”欄目，刊登該項(xiàng)目相關(guān)研究成果科普知識(shí)。

　　雷電是日常生活中常見卻令人害怕的現(xiàn)象，因其發(fā)生突然、放電猛烈、聲響巨大，且伴有極大的破壞力而成為不可忽視的自然災(zāi)害。人們常常被告知，雨天打雷時(shí)要關(guān)掉電視、不能在雷雨中接打手機(jī)，否則容易引發(fā)雷擊，造成人身傷亡、財(cái)產(chǎn)損失等。追根溯源，這就是過電壓對(duì)人身及家用電器造成的影響。

　　輸配電網(wǎng)中的各種電氣設(shè)備也會(huì)承受諸如雷電等各種類型的過電壓，即各種瞬態(tài)電壓沖擊。通過幾十年的研究，已基本能控制危害。隨著變電站封閉式組合電器（GIS）的廣泛應(yīng)用，尤其是輸電網(wǎng)電壓等級(jí)的逐漸提高，一種相對(duì)新型的過電壓現(xiàn)象——VFTO日漸凸顯，如何避免這類瞬態(tài)沖擊對(duì)輸配電網(wǎng)，尤其是特高壓電網(wǎng)的危害，成為了一個(gè)不容回避、亟待攻破的難題。

　　什么是VFTO

　　傳統(tǒng)過電壓可按電網(wǎng)內(nèi)部原因（操作過電壓、諧振過電壓等）和外部原因（主要指雷擊過電壓）進(jìn)行分類，也可按持續(xù)時(shí)間分為暫時(shí)過電壓、操作過電壓、雷電過電壓等。一般而言，內(nèi)部過電壓持續(xù)時(shí)間長（毫秒級(jí)），雷電過電壓持續(xù)時(shí)間短（微秒級(jí)）。而VFTO則兼具二者的特點(diǎn)，它由電網(wǎng)內(nèi)部原因——隔離開關(guān)帶電投切空載短管線操作產(chǎn)生，其沖擊波的頻率卻可能高達(dá)數(shù)百兆赫茲。簡而言之，VFTO可定義為波前時(shí)間在3～100納秒范圍內(nèi)的瞬態(tài)過電壓，主要來源于隔離開關(guān)操作，也可以稱為隔離開關(guān)操作過電壓。

　　VFTO產(chǎn)生的根本原因是隔離開關(guān)觸頭兩端的電壓差導(dǎo)致觸頭間隙擊穿，該擊穿瞬間會(huì)產(chǎn)生上升沿極陡的沖擊電壓，并在GIS內(nèi)部傳播。由于GIS回路各部件的結(jié)構(gòu)及參數(shù)不同，這種沖擊波經(jīng)過不斷的折、反射和波形疊加，最終形成可能對(duì)設(shè)備絕緣安全造成威脅的瞬態(tài)沖擊電壓。

　　與其他過電壓不同，因?yàn)橛|頭的運(yùn)動(dòng)速度較慢，一次隔離開關(guān)操作中，可產(chǎn)生的VFTO波形可達(dá)數(shù)十甚至上百次之多。VFTO的大小會(huì)隨著觸頭間隙擊穿的情況而變化，簡單來說分閘過程中產(chǎn)生的VFTO幅值越來越大，合閘過程反之。而理論最大VFTO，即出現(xiàn)在隔離開關(guān)兩側(cè)電壓都處于峰值且極性相反時(shí)發(fā)生的擊穿。這種極端情況出現(xiàn)的次數(shù)多嗎，是不是可以避免？這些問題，都需要通過理論分析和實(shí)際試驗(yàn)來回答。

　　既然是過電壓，VFTO的首要危害當(dāng)然是對(duì)一次設(shè)備絕緣的影響（如造成盆式絕緣子的閃絡(luò)故障）。除此之外，因智能變電站設(shè)備布置緊湊，一次設(shè)備和二次設(shè)備距離很近，也會(huì)導(dǎo)致二次設(shè)備易受到各種電磁污染的影響而發(fā)生誤動(dòng)誤報(bào)（如繼電保護(hù)裝置誤報(bào)故障），甚至出現(xiàn)直接失效（如密度繼電器損壞故障）的嚴(yán)重情況。

　　在我國特高壓工程投運(yùn)初期，因?qū)μ馗邏篤FTO特性、危害和抑制方法的有效性等缺乏研究，在特高壓變電站中都盡量避免隔離開關(guān)帶電投切短母線的操作，這給變電站運(yùn)行帶來極大不便，影響特高壓電網(wǎng)運(yùn)營效益的提升。

　　所以，從變電站設(shè)備安全性、運(yùn)行可靠性等方面來說，深入研究特高壓變電站電磁暫態(tài)過電壓的機(jī)理及其防護(hù)方法，有著強(qiáng)烈的現(xiàn)實(shí)需求。

       特高壓VFTO的特性

　　要搞清楚VFTO的特性，最直接的方法是通過實(shí)測得到VFTO的波形，而VFTO的特點(diǎn)決定了測量系統(tǒng)一方面需要準(zhǔn)確記錄高達(dá)上百兆赫茲的高頻波形細(xì)節(jié)，另一方面還要準(zhǔn)確記錄其中的低頻分量、工頻分量乃至準(zhǔn)直流分量。這就要求測量系統(tǒng)為高低頻特性都要優(yōu)異的全能型選手。經(jīng)過多方攻關(guān)努力，最終這個(gè)問題通過高頻特性優(yōu)異的窗口式電容分壓器，外加集成阻抗變換器的測量方案獲得完美解決。

　　具備了性能優(yōu)異的測量系統(tǒng)，開展一系列實(shí)測工作以研究特高壓VFTO特性變得水到渠成。通過在特高壓交流試驗(yàn)基地建立的特高壓真型GIS試驗(yàn)回路，我國在世界上首次開展了4000余次隔離開關(guān)操作試驗(yàn)，研究了各個(gè)因素對(duì)VFTO的影響，如GIS結(jié)構(gòu)型式、接線布置、安裝方式等。

　　從試驗(yàn)結(jié)果看，試驗(yàn)回路上得到的最大VFTO約為2037千伏，上升時(shí)間約30～60納秒，陡度約為30～40千伏/納秒。VFTO波形特性主要由隔離開關(guān)擊穿特性和回路參數(shù)所確定，且對(duì)GIS長度極為敏感，有時(shí)長度差別僅1米，VFTO波形的幅值可能相差數(shù)十甚至上百千伏。

　　出現(xiàn)最大VFTO的概率與隔離開關(guān)速度相關(guān)性較大，慢速隔離開關(guān)約為2%，快速隔離開關(guān)的概率不到5%。結(jié)合隔離開關(guān)動(dòng)作的行程特性和間隙擊穿過程，通過仿真軟件對(duì)一次完整操作進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)觸頭速度低于一定值（如0.4米/秒）時(shí)，理論上可完全避免出現(xiàn)前述理論最大VFTO的條件。這就是說，通過一定的設(shè)計(jì)措施，可減小變電站的VFTO水平。

　　GIS在VFTO下會(huì)發(fā)生絕緣故障嗎？這涉及到在VFTO作用下的絕緣耐受特性研究。為此，我國率先在世界上研制了標(biāo)稱3兆伏、輸出波形參數(shù)最高的VFTO和雷電沖擊交互產(chǎn)生一體化裝置，通過該裝置對(duì)VFTO作用下GIS典型絕緣結(jié)構(gòu)的擊穿特性進(jìn)行了較為深入的研究，在國際上首次獲得了真型尺寸GIS在VFTO下絕緣特性數(shù)據(jù)，奠定了絕緣配合的基礎(chǔ)。

　　特高壓VFTO的防護(hù)

　　談到VFTO的防護(hù)，首先要考慮的就是防護(hù)的必要性。對(duì)于不會(huì)造成絕緣損壞的過電壓，自然無須多慮，但變電站內(nèi)VFTO的水平到底有多高？最可行的方法是利用軟件進(jìn)行仿真計(jì)算來評(píng)估。結(jié)合前述的實(shí)測波形，我們實(shí)際上已獲得準(zhǔn)確性較高的模型及計(jì)算方法，仿真與實(shí)測的差別小于5%，已具備工程應(yīng)用的條件。

　　對(duì)于變電站仿真得到的VFTO水平可能引起絕緣損壞的情況，就有必要采取一定措施加以抑制。從最原始的理論出發(fā)，在發(fā)生過電壓時(shí)，串入一個(gè)電阻來消耗過電壓的能量，正常運(yùn)行時(shí)為了避免產(chǎn)生過多的熱量，這個(gè)電阻需要退出運(yùn)行。這也是工程上經(jīng)常采用的一種限制VFTO的措施的理論來源，在隔離開關(guān)觸頭間加裝阻尼電阻。在隔離開關(guān)靜觸頭側(cè)加裝阻尼電阻，隔離開關(guān)合閘過程中，動(dòng)觸頭與阻尼電阻觸頭先放電，然后與靜觸頭接觸，將阻尼電阻退出運(yùn)行；隔離開關(guān)分閘過程中，動(dòng)、靜觸頭分開后，動(dòng)觸頭與阻尼電阻觸頭間產(chǎn)生電弧；隔離開關(guān)開合過程中，阻尼電阻被串入放電回路，會(huì)對(duì)VFTO幅值及其振蕩產(chǎn)生明顯抑制。

　　隔離開關(guān)安裝阻尼電阻，是一種被工程實(shí)踐和理論都證明了的有效抑制VFTO的措施，但是增加了隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，使可靠性降低，造價(jià)提高15%以上。為此，研究提出了一種應(yīng)用磁環(huán)抑制VFTO的方法，其原理簡單、實(shí)現(xiàn)容易、對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和可靠性影響很小，同時(shí)成本較低。

　　磁環(huán)抑制GIS中VFTO的方法是將磁環(huán)安裝在GIS隔離開關(guān)附近的中心導(dǎo)體上。正常工作時(shí)，導(dǎo)體上和電流為50赫茲，由于頻率很低，磁環(huán)表現(xiàn)出的感抗及對(duì)系統(tǒng)的影響可以忽略不計(jì)。VFTO產(chǎn)生時(shí)，導(dǎo)體上流過的行波變電流頻率很高，在兆赫茲以上，磁環(huán)表現(xiàn)出較大的感抗，相當(dāng)于在導(dǎo)體中串接入一個(gè)非線性電感，行波的陡度將被降低。磁環(huán)的等效電感越大，行波的陡度將降低越多。同時(shí)，磁環(huán)的材料在高頻下將產(chǎn)生渦流損耗，行波的能量將被磁環(huán)吸收并轉(zhuǎn)化成熱量，行波幅值因而被衰減。

　　利用磁環(huán)串裝置抑制特高壓GIS中VFTO的試驗(yàn)已經(jīng)在上述試驗(yàn)回路上開展，結(jié)果表明所用磁環(huán)裝置可以有效抑制VFTO，VFTO最大幅值被限制在1.4p.u.以下，高頻振蕩受到明顯抑制，不失為一種工程上可推薦的VFTO防護(hù)措施。