摘  要：为了能够较好地利用EMTP（Electro-Magnetic Tran-sient Program）程序对隔离开关母线充电电流开合全过程进行计算，作者对被试隔离开关进行了一系列试验，得到了隔离开关击穿电压与操作时间关系的特性，利用这一特性对GIS隔离开关开合母线充电电流试验的三种试验方式进行了计算并得到了很多有益结论。
    关键词：封闭式组合电器；EMTP；陡波前过电压；特快速暂态过电压； 隔离开关
1  SF6封闭式组合电器中的特快速暂态现象
    近年来，GIS在国际上得到了广泛应用。然而运行经验表明，GIS隔离开关在例行操作时不仅会在GIS主回路引起对地故障[1,2>，而且还会造成相邻设备(如变压器等)的绝缘损坏[3>。
    因此国内用户对这一问题的关切程度也在增加，本文在这方面做了一些工作，这里作简要的介绍。
    图1为隔离开关分闸时产生陡波前过电压的过程。以分闸为例，当隔离开关触头打开时，随着距离的增加，触头间的耐受电压VR也逐渐增加。
    当隔离开关两侧电压Va高于VR时隔离开关被击穿，过渡过程完成后，隔离开关两侧电位基本相等，电弧熄灭，电路原理如图2所示。由于负荷侧母线泄露电阻很大，所以保持熄弧瞬间电压V1不变，在示波图上表现为一段水平直线。而电源侧电压随电源Vs而变。当它们的差值Va再次超过VR时，隔离开关复燃。这一过程会在隔离开关打开的过程中不断发生。对于合闸操作，机理也完全相同。

在每一个电压跳变处将产生一个阶跃电压波，对正常设计的GIS，估计这一上升时间最快可达3ns[4>。由于这一过电压的上升速率极快，因此被称做陡波前过电压（Very Fast Front Overvoltage 简称VFFO），也有些文献称这种过电压为特快速暂态过电压（Very Fast Transients Overvoltage 简称为VFTO）。这样的阶跃电压波不断地产生、来回地传播，并且发生复杂的折射、反射和叠加就构成了GIS中的（Very Fast Transients）现象。
2  试验简介
    图2为IEC61259规定的试验方式1的试验线路原理图。

试验方式1是用被试隔离开关DT开合一段短负荷母线（DT与DA之间的母线）。在进行合闸操作前，负荷侧母线必须充以表1规定的直流电压，然后直流电压源用辅助隔离开关DA断开。由于GIS母线泄露电阻很大，负荷侧母线将保持这一电压不变，这时将电源侧（DT左侧）电压升至试验电压，最后关合被试隔离开关DT。

由于负荷侧母线已经预充了负的直流电压，隔离开关将在电源侧电压峰值处附近击穿，产生VFFO。开断试验时，DA打开，DT处于合闸位置，电源电压升至，打开DT即可。
    需要说明的是，在隔离开关开断时，随着隔离开关触头距离的增加，击穿电压也在不断上升，所以最后阶段重燃的过电压是最高的（参见图1）。其极限情况是最后一次重燃前负荷侧母线残留电压为相电压峰值，而最后一次重燃又正好发生在电源侧电压反极性峰值处，但这种概率是不大的。而标准规定的关合试验条件考虑的即为这一苛刻状况，也就是说在方式1中，合闸产生的过电压相对来说比较稳定，这是由于负载侧预充了直流电压。而分闸过电压随机性比较强，合闸过电压比分闸过电压要高。
    IEC61259对此项试验规定了三种试验方式，但若对三种试验方式都进行试验是非常困难的（具体要求参见文献[5,6>。由于只有试验方式1是强制性的，因此只对方式1进行了试验。
    此次500kV GIS 隔离开关共进行了200次关合试验和100次开断试验，取得了大量的数据。其中测得的最大过电压出现在合闸负荷侧，为1189kV（2.4p.u.）。具体情况参见文献[7>。
3  计算模型的确定
3.1  计算模型
    研究表明利用计算机进行模拟计算是比较有效的[8>，只是在计算前必须根据自己产品的特点，试验回路或变电站的具体情况，对模量损耗电阻、接地电阻等计算参数进行一定的假设，并且通过计算和实测来校正这些假设，最终才能达到比较准确的计算。
    EMTP程序包含有对有耦合的平行多导体系统暂态过程的计算，它采用相模变换方法，把有耦合的各平行导体相量上的传输参数变换成无耦合的各模量上的传输参数，据此利用Bergeron法求出模量上的暂态过程解，再反变换求出相量上的暂态过程解。
    利用EMTP程序进行计算时，必须输入模量参数。本文使用电缆/GIS参数计算程序及EMTP程序对国外某公司试品进行了模拟计算，并与其实测结果进行了对比。
    通过对比计算可以得出结论：利用GIS参数计算程序得出的衰减电阻太小，可能是因为VFFT过程十分复杂，只通过简单的理论计算很难真实地反映GIS中的各种损耗。所以需要通过试验和计算的对比来调整参数的设置，才能使计算比较真实。本文采用了加大衰减电阻的方法使计算波形与实测波形从整体上看比较相似。
3.2  模拟计算与试验结果的对比
    此次试验（方式1）的典型关合示波图见图3、图4。图3中1号线为负荷侧VFFO 波形，2号线为电源侧VFFO波形，图4为隔离开关关合全过程示波图。其中1号线为电源侧电压Vs，2号线为负荷侧电压V1。
    需要说明的是图4中负荷侧电压（2号线）在隔离开关熄弧后并没有保持一条直线，这是由于测量系统的输入阻抗造成的衰减。
    图5是经过多次调整后模拟计算的负荷侧VFFO波形，与图3的实测结果（1号线）从整体上看比较相似。计算过电压为2.34p.u.,比实测最大过电压小3%。

4  多次重燃的研究
    对隔离开关开合全过程进行重燃计算需要知道隔离开关断口的击穿特性，但这种数据以前是没有的。本文在被试隔离开关上进行了一系列试验，并将隔离开关的分合闸特性也考虑了进去，也力图比较真实地反应出开合重燃的全过程。
    在将击穿电压与分合时间的关系转换为EMTP的输入数据后对隔离开关3种试验方式的重燃过程进行了计算。
    综合计算数据发现：对于合闸，方式1的过电压最高；而分闸方式2是非常苛刻的；无论是合闸还是分闸，方式3产生的过电压都是最低的，因此方式3并不是考核隔离开关产生的过电压，只是为了考核隔离开关开合电容电流的能力。在表1中也可以看到，标准规定的方式3试验电压并未乘以1.1也是这个原因。
    另外计算发现，方式2中分闸的最后阶段断口两侧的电位差（并非对地过电压）非常高，在一个算例中达到了3.0p.u.(494×3=1482kV)，而且理论上可能会更高。因此，隔离开关断口的绝缘耐受强度必须足够大才能完成方式2的开断。
    另外通过模拟发现，在方式2的试验中，如果在刚刚进行完开断操作而且短母线上残留有电荷，再马上关合隔离开关，这时将是十分危险的。因为如果关合相位正好是工频电压的峰值，产生的暂态过电压将非常高。对这种情况进行了模拟，在这一计算例中产生的暂态电压峰值为2.32p.u.(还有可能更高)。
    可以看到，隔离开关产生的过电压值比标准雷电冲击电压耐受水平低，但是由于其上升率比较高，在实际运行时还是应该尽量避免产生高的VFFO。如果有接地开关，可以在关合隔离开关之前先用接地开关把短母线上面的电荷放掉，这样就可以把过电压控制在一定的范围内。
5   结论
    本文在实际隔离开关上通过试验获得了隔离开关击穿电压与分合时间的关系特性，并以此为依据进行了隔离开关重燃的数值研究，这在国内尚属首次。这一特性的获得可以提高多次重燃模拟的准确性和可信度，它对推进隔离开关重燃的深入研究具有一定的意义。
    对GIS及隔离开关进行类似试验十分困难且具有很大的局限性，计算机可以比较好地对这一现象进行模拟计算。本文通过大量对比计算对GIS建立了计算模型，与实测结果对比表明计算的比较准确。
    计算表明，试验方式2是比较苛刻的，开断时对隔离开关断口考核很严，关合时可能产生比方式1关合时更高的过电压。