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2024年陡波过电压的危害及预防

〔摘要〕气体绝缘金属封闭开关设备在电力系统得到广泛应用的

同时，伴随而生的陡波过电压问题也逐渐引起人们的注意。阐述了陡

波过电压产生的机理、特性、传播途径及危害性，分析了陡波过电压

的影响因素，提出了防止陡波过电压产生的措施。

〔关键词〕气体绝缘金属封闭开关设备；隔离开关；过电压

近20多年来,气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)以其占地少、运行

可靠、维修周期长等优点得到了广泛应用。但其隔离开关由于分合速

度慢及灭弧性能差,在分合操作过程中,触头间隙会发生多次燃熄弧,引

起高频震荡而形成陡波过电压(VFTO),其上升时间短至4～20ns,幅值一

般低于3Pu(额定电压)。国外有研究表明，当电压等级较低时，VFTO

的危害甚小,但在一定条件下,VFTO会引起300kV以上的高电压，造成

GIS内部或外接设备击穿事故，给电力系统带来很大损失。浙江北仑发

电厂500kVGIS系统就曾因隔离开关带电操作引起的陡波过电压使GIS

盆式绝缘子对金属套管外表放电。

1陡波过电压产生的机理

以隔离开关合上一段不带电的GIS回路为例，后者可以近似看作

是一个集中电容。当触头间距离渐渐缩短，电源侧电压达到一定值

时，隔离开关会发生第1次击穿，这一电弧在受触头运动、GIS内SF6

气流灭弧等因素影响下，极易熄灭，燃熄弧时间极短。因此，在发生

第2次击穿(重燃)时，电容上的残余电压便是前一次燃弧瞬间的电源

电压。由于隔离开关的触头是不对称的，故不同极性电压(因系统电压

为交流电压，不同极性电压即指x轴上下的电压)下的击穿电压也不

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同，第2次击穿前触头间的电压差可能高于第1次，过电压也可能比

第1次高。但是随着触头间距离渐渐缩短，击穿电压将越来越低，过

电压也随之渐渐降低。由于隔离开关的分合速度太慢(如北仑电厂二期

500kVGIS隔离开关分合时间近10s)，导致这种击穿过程在隔离开关的

一次操作过程中将发生数百次之多，从而产生一连串波头极陡、频度

极密的特高频操作陡波过电压。

GIS设备被切断后，由上述过程最终形成的残余电荷会留在电容

上，并保持相当长的时间。在下一次合闸的第一次击穿时，触头间的

电压差往往大于1Pu，这会使过电压增高。

2特性

GIS中所充的SF6气体具有很高的绝缘强度，因此间隙距离比在

同电压等级下的空气间隙小得多。当隔离开关触头发生击穿时，起弧

过程非常迅速，使注入网络的电压波形具有极高的上升(下降)陡度，

且上升(下降)时间仅4～20ns。这个电压波在距离很短的GIS系统内传

递，发生多次折射与反射，形成含有多个频率的震荡波，其中包括3

个主要频率：

(1)1MHz左右的基本震荡频率，由整个系统决定，包括GIS及相

邻设备，主要由电源侧和负载侧的电感和电容震荡形成，其幅值不

高，对GIS的绝缘不造成威胁。

(2)几十兆赫的高频震荡，由陡形波在GIS内发展形成，其值取决

于隔离开关触头第1次击穿时刀闸二极间的等效电感和电容值及击穿

后系统的电感和电容值，它是VFTO的最重要部分，影响着GIS的绝缘

水平。

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(3)更高赫兹的特高频震荡，这是由陡形波在GIS内相邻部件间折

反射形成的，通常幅值较低。

3传播

陡波过电压的传播是一种行波过程。由于波头陡度大，即使在相

距很近的2个设备上，过电压也会有明显的差别，避雷器几乎没有保

护作用。行波在GIS中传播时，高频电流的极肤效应使电磁波被限制

在导体的外表面和外壳的内表面。当行波传播到GIS与架空线路相连

处时，电磁波的一部分会沿着套管的载流体传输到架空线上，如果架

空线很短，VFTO仍会作用在相关的设备(如变压器)上；而电磁波的另

一部分则沿着GIS外壳对地构成的电路传输，使外壳对地电位升高，

这种由外壳传输的陡波过电压称为暂态电位升(TEV)。

4VFTO的影响因素

4.1残余电荷电压

VFTO幅值倍数的一个直接影响因素是残余电荷电压。图1给出了

母线侧、电源侧的VFTO与残余电荷电压的关系曲线，它们近似呈线