摘要： 简述了气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中暂态地电位升高(TGPR)产生的原理及其等值计算模型。利用电磁暂态程序(EMTP)计算了金属氧化物避雷器(MOA)对GIS中快速暂态过电压（VFTO）和暂态地电位升高（TGPR）的抑制效果。仿真计算结果表明，MOA不仅可以抑制VFTO，而且也可较有效地抑制TGPR。
关键词： 气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）；暂态地电位升高；金属氧化物避雷器；抑制；快速暂态过电压 气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)因其占地面积小，运行稳定，检修工作量小而越来越多地应用于各电压等级。近年来，无人值班变电站越来越多，运行部门非常关心GIS操作时是否会影响计算机和二次控制设备的正常工作。
GIS内隔离开关的操作会在GIS内部产生前沿很陡的快速暂态过电压（VFTO），当波阻抗发生变化时，终端套管、互感器等会发生波的折反射，使外壳产生暂态地电位升高（TGPR）［1］。据国际大电网会议(CIGRE)的统计，全球有半数以上的变电站发生过暂态地电位升高的事故。因此应该采取措施限制GIS暂态地电位的升高。
1 TGPR产生的原理
图1 GIS中暂态地电位升高原理图
图1为GIS中TGPR产生的原理图［1］。如图1（a）所示，GIS的母线为同轴圆筒式结构。当母线上流过频率很高的VFTO波时，由于集肤效应，VFTO波仅沿母线的外表层及外壳的内表层流动，外壳电位为0。当VFTO波到达套管处时会发生折反射，如图1（b）所示，便是VFTO到达A点后电流的流通路径示意图，其等值电路图如图1（c）所示。根据该等值电路可计算出外壳上A点处的电压U3为
U3=2Z3·U0/（Z1+Z2+Z3)
2 TGPR等值计算模型
本文用电磁暂态程序（EMTP）计算TGPR，TGPR的等值计算模型见图2。图2中Es为用于等效GIS内VFTO到达母线与套管交界处的电压波，Z1为母线对外壳的波阻抗,Z2为套管外侧架空线路的波阻抗，Z3为母线外壳对地的波阻抗，L1、L2为接地线电感。
图2 TGPR的等值计算模型
3 金属氧化物避雷器对VFTO和TGPR的抑制效果
电力系统一般采用改善接地系统来抑制TGPR。通过改善接地系统(使整个地网的阻抗变小)或选定合理的接地方式，可以大大降低TGPR的幅值［2］。据文献［3］报道，使用这种方法可使345 kV GIS的TGPR幅值小于1 kV。但有时因地理条件的限制，特别是水电厂，接地电阻不可能很小，这就需要采用其他方法抑制TGPR。
在某电厂500 kV GIS的出线套管处加装国内生产的金属氧化物避雷器(MOA)（特性如表1所示），其对VFTO和TGPR的抑制效果分别如图3、图4所示。
表1 金属氧化物避雷器的参数
产品型号
系统标称 电压/kV
工频参考 电压/kV
1/5μs 10kA 陡波冲击残压 （峰值）/kV
Y10W5-396/896
500
560
930
Y10W5-420/950
500
594
1045
图3 500 kV GIS出线套管处VFTO的波形
图4 500kV GIS出线套管处TGPR的波形
本文假定GIS内隔离开关触头间重击穿时，负荷侧残余电荷电压为-1.0 pu，电源侧电压为1.0 pu。由图3可以看出，未安装MOA时，GIS出线套管处的VFTO幅值约为1073.6kV (2.39pu)；安装Y10W5 - 420/950型MOA后，VFTO幅值降低到1000.1kV (2.23 pu)；安装Y10W5 - 396/896型MOA后，VFTO幅值降低到911.3kV(2.02 pu)，这说明MOA对VFTO有较为明显的抑制作用，并且冲击残压越低，抑制效果越明显。由图4可以看出，未安装MOA时、安装Y10W5 - 420/950型MOA后和安装Y10W5 - 396/896型MOA后，GIS出线套管处TGPR的幅值分别为99.9(0.22 pu)、87.9(0.19 pu)、75.4 kV(0.17 pu)。因此MOA不但对VFTO有抑制作用，并且对TGPR也有一定的抑制效果。MOA的冲击残压越低，其对TGPR的抑制效果越好。文献［4］曾在GIS隔离绝缘子法兰处安装ZnO元件抑制TGPR。本文认为该措施可进一步抑制TGPR。
4 结论
在GIS出线套管处安装MOA，不但可以抑制VFTO的幅值，而且可抑制TGPR的幅值，是一种较好的抑制TGPR的措施。如果需要更好的抑制效果，可以在安装MOA的基础上，在GIS隔离绝缘子法兰处再安装ZnO元件。
5 参考文献
［1］ 贺景亮. 电力系统电磁兼容. 北京: 水利电力出版社,1993.
［2］ CIGRE WG232. Earthing of GIS - An application guide, Electra,1993，(151).
［3］ 王建生. 用于测量GIS中瞬态外壳电压的电阻性阻抗分压器.高压电器，2001,37(6):17～19.
［4］ Nobuhiro S，et al. Suppression of very fast transient overvoltages across insulating flange of 1000kV GIS. 日本电气学会论文志B,2000，120B(1):63～68.
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