7.10 国内特高压GIS系统中VFTO特性的试验研究
目前，主要通过试验和仿真两种手段对特高压GIS系统中VFTO特性进行研究。本章前面部分主要针对仿真得出的VFTO特性进行了介绍，而实际上试验研究更能反映出VFTO的真实情形。因此，本节将主要介绍目前国内特高压GIS系统中VFTO特性试验研究的一些进展情况。
7.10.1 VFTO特性试验回路
GB 1985-2004《高压交流隔离开关和接地开关》和IEC标准60129中提出了用于考核隔离开关性能的试验回路，如图7-39所示[28]。
图7-39 GB 1985和IEC标准规定的隔离开关试验回路
图7-39中，AC电源为电源侧交流电源，DC电源为负载侧直流电源，主要用于给负载侧短母线BS充电以产生残压，C为电源侧回路的集中电容，DS1为试验中被试隔离开关，DS2为辅助隔离开关，主要用于控制对负载侧空载短母线BS充电，d1表示电源侧GIS套管与隔离开关DS1之间的长度，d2表示被试隔离开关与辅助隔离开关之间的长度。
试验时，首先合上DS2，直流电源DC通过DS2对短母线BS充电，带电后的短母线BS可用来模拟隔离开关分闸操作后具有残压的短母线，然后通过合分操作DS1产生VFTO用于试验研究。
VFTO的试验回路应能够尽量广泛地代表大多数接线方式，并且能够模拟出可能产生较大VFTO幅值的情形。根据对特高压变电站的仿真研究结果，并结合图7-39，我国提出了带有分支母线的试验回路，如图7-40所示[28]。
图7-40 我国的特高压VFTO试验回路
图中，数字1～4表示VFTO的测量点。
图中的试验回路与图7-39相比，在电源侧多加装了一条分支母线，当操作隔离开关DS1时，产生的VFTO波在分支母线末端发生全反射，此时可能会产生较为严重的VFTO。因此，相比于图7-39中所示的试验回路，采用图7-40中的试验回路可能会产生更为严重的VFTO。
另外，隔离开关有快速隔离开关和慢速隔离开关两种类型：一种是快速隔离开关，由河南平高电气股份有限公司（简称平高）生产，该隔离开关可加装并联电阻；一种是慢速隔离开关，由西安西电开关电气有限公司（简称西电）生产。两种隔离开关的技术参数如表7-13所示[29]。
表7-13 两种隔离开关技术参数
7.10.2 VFTO产生机制与波形特征
根据图7-40中的试验回路，进行分闸试验时负载侧和电源侧的VFTO波形和仿真计算的VFTO波形如图7-41所示[28]。
图7-41 隔离开关分闸操作时试验VFTO波形和仿真VFTO波形图
由图7-41可知，对于负载侧，其电压呈现近似台阶状的变化，波形上每个电压发生突变的点即表示隔离开关动静触头间发生了一次击穿，且在每个电压突变的地方通常会伴有“毛刺”，该“毛刺”即为VFTO；而对于电源侧，其电压波形为典型的工频正弦电压波形，同时叠加不同幅值的“毛刺”电压。另外，由图7-41可知，在分闸过程中，放电现象在刚开始时发生的较为密集，随后越来越疏。
将图7-41中负载侧和电源侧的电压波形置于同一个时间坐标轴下，将更有利于理解VFTO的发生过程，如图7-42所示[8]。
图7-42 分闸过程VFTO产生机制示意图
图7-42表示了分闸过程中VFTO的产生机制示意图。对于隔离开关的分闸过程，隔离开关操作过程中，当动静触头之间的电压超过触头间隙击穿电压时，隔离开关动静触头间隙被击穿。击穿电压波在GIS内部传播的过程中，负载侧短母线上的电压围绕击穿时刻工频电源电压发生高频振荡，产生过电压[29]。以图7-42中某一次间隙击穿过程为例，U1为负载侧发生击穿前的残余电压值，US为电源侧发生击穿前瞬间的工频电压值，此时，|US|+|U1|恰好达到隔离开关动静触头间的间隙击穿电压U击穿，间隙发生击穿，负载侧电压在电源侧工频电压的基准上发生振荡，产生VFTO。
当高频振荡过程结束后，负载侧短母线上的残余电荷形成残余电压，由于电荷量泄放较少，故残压电压值基本保持不变（在实际测量中，该残压值在下一次击穿发生前会略有下降，如图7-41中（a）图所示），直至发生下一次击穿后负载侧残压值变化到另一个工频电压值；电源侧电压则继续按照工频电压的规律变化。因此，VFTO波形负载侧有明显的台阶，而电源侧却没有。
另外，由图7-41、图7-42可知，VFTO的产生过程就是触头之间发生多次击穿的过程，且对于分闸过程，击穿现象在刚开始时发生较频繁，随着时间的推移，相邻两次击穿现象之间的时间间隔越来越大。这是因为，当动静触头之间的间隙电压变化到超过击穿电压时，触头间隙才会发生击穿。而对于分闸过程，由于触头间的间隙距离越来越远，动静触头之间的间隙击穿电压越来越大，使得间隙越不容易发生击穿，因此，间隙的击穿时间间隔也越来越大，从而使得最终VFTO波形的击穿体现为前密后疏。直到分闸过程中动静触头之间的距离较大时，间隙击穿过程才会停止，此时VFTO的产生过程结束。
由此可以推知，对于隔离开关的合闸过程，由于动静触头间的间隙距离逐渐减小，使得间隙击穿的时间间隔缩短，最终VFTO波形的击穿将体现为前疏后密。
7.10.3 隔离开关操作速度对VFTO的影响试验
本节将河南平高电气股份有限公司（简称平高）试验回路的隔离开关分闸操作速度由约1.7m/s降至0.7m/s，开展了450组不预充直流情况下的隔离开关带电操作试验，研究隔离开关操作速度对VFTO特性的影响。
7.10.3.1 隔离开关速度的调整
前期研究表明，隔离开关操作速度对于残余电压的分布影响明显，而残余电压直接影响后续击穿的初始条件，进而影响后续击穿产生的VFTO。尤其是分闸末次击穿残余电压，对下次合闸首次击穿VFTO的影响更大。通常而言，合闸首次击穿容易产生较严重的VFTO，因此，隔离开关速度调整应侧重改变分闸速度，以考核分闸末次击穿残余电压的概率分布及由此引起的合闸最大VFTO幅值和概率分布的变化，进而获得操作速度对VFTO的影响。据此，本次隔离开关调速侧重分闸速度的调整。
调速试验选择在平高试验回路开展，目标是将隔离开关分闸速度由原来的约1.7m/s降低至0.7m/s，合闸速度不做要求。平高试验回路采用电动弹簧操动机构，经过尝试和筛选，调速方案确定为把原来缓冲器中带过油孔的油缸换成不带过油孔的油缸，通过增大缓冲来降低操作速度。由于降低分闸速度技术措施的原因，导致合闸速度出现了一定的分散性。隔离开关调速后实测操作速度及与调速之前操作速度的对比如表7-14所示。
表7-14 平高隔离开关调速前后技术参数
由调速结果可知，合闸速度约降低到原速度的80%，分闸速度约降低到原速度的40%。分闸速度降低明显，隔离开关操作试验能够充分考察速度对VFTO特性的影响。
7.10.3.2 试验条件
试验接线如图7-43所示，在试验回路分支母线长度9m，空载短母线无预充直流电压条件下开展了450次试验，试验测量点1～4已在图7-43中标出。
图7-43 平高试验回路隔离开关操作速度对VFTO影响的试验接线
7.10.3.3 VFTO波形比较
1）VFTO全过程波形
VFTO全过程波形和击穿次数受隔离开关操作速度影响较大。调速前后VFTO全过程实测波形如图7-44所示。
图7-44 调速前后负载侧测点1实测VFTO波形
隔离开关操作速度降低时，合闸过程的预击穿时间和分闸过程的燃弧时间均变长，触头间隙击穿次数随之增多，VFTO全过程持续时间加长。本次调速试验中，由于分闸速度降低较多，这种变化在分闸VFTO波形上表现更加明显。如图7-44（c）、（d）所示，调速后分闸VFTO波形击穿次数明显增多，持续时间明显增大。
2）VFTO全过程击穿次数
对调速前后合、分闸VFTO全过程波形中击穿电压超过0.3 p.u．的击穿次数进行统计，从统计结果看，调速后合闸过程平均击穿次数略有增加，但与调速前击穿次数相差很小；调速后分闸过程平均击穿次数显著增加（约为15次），较之调速前明显增多。
7.10.3.4 VFTO特性统计分析
隔离开关操作速度的改变将主要影响与断口间隙击穿全过程相关的VFTO特性，对VFTO单次击穿波形、各测点频率成分和振荡系数等影响较小。下面主要针对隔离开关调速前后的VFTO统计特性进行分析。
1）最大VFTO幅值
平高试验回路各典型位置处VFTO测点在本轮试验中实测最大VFTO幅值统计结果见表7-15，表中清华和华电分别代表试验单位清华大学和华北电力大学。
表7-15 隔离开关调速前后实测最大VFTO幅值统计表
注：阴影表示隔离开关操动机构速度正常（调速前）、无预充直流电压、9m分支母线情况下实测结果
由实测结果可知：
（1）整体而言，隔离开关操作速度降低后试验回路VFTO水平有所降低，各测点最大VFTO幅值普遍降低超过5%。试验回路中合闸操作最高VFTO幅值由2.08 p.u．降低到1.75 p.u.，分闸操作最高VFTO幅值由2.09p.u．降低到1.87p.u.，下降幅度均超过10%。这表明，降低隔离开关操作速度能够降低试验回路VFTO水平；
（2）隔离开关调速后，试验回路中VFTO最大值仍然出现在分支母线末端测点5，与前期历次试验研究结果一致；
（3）虽然由于分闸速度相对调速前降低更多，导致合、分闸操作速度相差较大，但是合闸操作与分闸操作产生的最大VFTO幅值相接近。
2）最大VFTO幅值分布
以试验回路中典型测点（负载侧测点1和电源侧测点5）为例，统计本轮试验操作最大VFTO幅值概率分布，从而考察隔离开关调速对VFTO幅值概率分布的影响，从测点1、测点5最大VFTO幅值分布统计结果看，调速之后，合、分闸VFTO最大幅值的高幅值分布出现概率明显降低，整体分布集中到中、低幅值区，并且合闸操作产生的VFTO此种变化更加明显。由于合闸操作最大VFTO主要由合闸首次击穿决定，而合闸首次击穿直接受上一次分闸末次击穿产生的残余电压影响，因此，可以预见调速后分闸末次击穿的残余电压分布产生了较大变化。
3）残余电压分布
对平高试验回路调速前后实测分闸末次击穿残余电压分布进行了统计。
由统计结果可知，调速后分闸末次击穿残余电压分布更为集中，分布范围缩小，并且主要集中在负极性、低幅值区，负极性、高幅值残压几乎不再出现（最高残压降低到0.8p.u．以下）。此外，正极性残压也几乎不再出现。据此推断，隔离开关分闸速度的降低引起残余电压的分布变化，其结果是使得高幅值残余电压较难出现，进而导致合闸首次击穿条件变化，高幅值VFTO出现概率降低，最终使得合闸最大VFTO幅值分布发生变化。
7.10.3.5 小结
本节通过降低平高试验回路GIS隔离开关分闸操作速度，试验研究操作速度对于VFTO波形和统计特征的影响。研究表明，操作速度直接影响隔离开关断口间隙的分闸燃弧过程，进而影响分闸操作击穿次数和短母线残余电压分布，从而改变隔离开关断口的重复击穿条件和VFTO的幅值分布。试验结果表明，隔离开关操作速度的降低能够使残余电压分布降低，进而使试验回路整体VFTO水平降低，但是试验回路中各测点的最大VFTO幅值相对大小没有改变，合分闸操作产生的最大VFTO幅值也近似相当。隔离开关操作速度影响VFTO水平，通过优选操作速度，可以降低隔离开关产生的VFTO，提高隔离开关操作的安全性和可靠性。
7.10.4 分支母线长度对VFTO影响的试验研究
本节将平高试验回路的电源侧分支母线长度由9m调整到3m、0m，分别开展了400组不预充直流情况下的隔离开关带电操作试验，研究分支母线长度对VFTO的影响。
7.10.4.1 试验条件
分支母线影响试验在平高试验回路进行，试验接线如图7-45所示，采用空载短母线无预充直流电压的试验方式，隔离开关速度为调速前速度。试验测量点1～4已在图7-45中标出。交流电源侧施加工频电压635kV，分支母线长度依次调整为0m、3m、9m。试验过程中，辅助隔离开关DS1保持分闸状态，操作被试隔离开关DS2。试验有效操作次数400次，以此研究空载短母线无预充直流电压的自然分闸状态下分支母线长度对GIS内部VFTO的影响。
图7-45 平高试验回路分支母线影响试验接线
7.10.4.2 对VFTO幅值的影响
1）最大VFTO幅值
平高试验回路各典型位置处VFTO测点在本轮试验中实测最大VFTO幅值统计结果见表7-16，表中清华和华电分别代表试验单位清华大学和华北电力大学。
表7-16 分支母线影响试验实测最大VFTO幅值统计表
注：阴影表示因为现场实测中偶发因素导致无法正常测量获得实测结果；a分支母线长度调整为0m时，分支母线末端测点不再存在。
由实测结果可知：
（1）整体而言，试验回路最大VFTO随着分支母线长度的增加而呈现增大的趋势（分支母线长度0m、3m、9m对应的试验回路最大VFTO幅值依次为1.75 p.u.、1.90 p.u.、2.23 p.u.），这与仿真计算得到的结论是一致的，即：分支母线的有无及其长度的改变对试验回路VFTO水平存在确定的影响，分支母线长度越长，试验回路VFTO水平越高；
（2）虽然试验回路最高VFTO随着分支母线长度的变化是增大的，但是并非所有测点位置的VFTO都是单调增大的（实测结果中，空载短母线测点1、2和分支母线测点5是增大的，电源侧套管BG1下方测点4是略有减小的），并且试验回路中最大VFTO出现的位置可能发生变化，并非总是出现在分支母线末端。
2）最大VFTO幅值分布
以试验回路中典型测点（负载侧测点1和电源侧测点5）为例，统计本轮试验操作最大VFTO幅值概率分布，从而考察分支母线长度对VFTO幅值概率分布的影响。
从测点1、测点5最大VFTO幅值分布的统计结果看，随着分支母线长度的增加，无论是合闸操作还是分闸操作，各测点可能出现的最高VFTO幅值是增大的。
7.10.4.3 对残余电压的影响
对平高试验回路不同分支母线长度下实测分闸末次击穿残余电压分布进行了统计。
由统计结果可知，不同分支母线长度下分支末次击穿残余电压的分布式基本一致的，残余电压主要分布在负极性区，概率分布呈现一定的正态分布特征。这是因为残余电压的分布主要由隔离开关的机械特性和分闸时刻决定，分支母线的长度仅能改变试验回路的部分电气特性，而不能改变隔离开关的机械特性。
7.10.4.4 小结
本节试验研究试验回路中分支母线长度对VFTO的影响，结果表明，随分支母线长度的增加，试验回路VFTO呈现增大的趋势，但是各测点最大VFTO幅值分布和残余电压分布基本不受影响。这是因为分支母线长度对于隔离开关断口击穿电压行波在试验回路中的折反射及叠加有一定影响，会造成试验回路中最大VFTO幅值的变化，但是分支母线长度对隔离开关重复击穿电压特性没有影响，所以对于残余电压分布及其决定的最大VFTO幅值分布基本没有影响。
7.10.5 隔离开关触头连接方向对VFTO的影响
本节改变西安西电开关电气有限公司（简称西开）试验回路的隔离开关触头连接方向，开展了400组不预充直流情况下的隔离开关带电操作试验，研究隔离开关触头连接方向对VFTO特性的影响。
7.10.5.1 试验条件
VFTO的产生是隔离开关触头在运动过程中，动、静触头之间的断口间隙连续重复击穿、燃弧和熄弧引起的。气体间隙的击穿和气体状态（种类、压力、温度、流速等）、电场状况（电场强度、电极结构、电场不均匀程度等）等有关，而隔离开关触头结构对断口间隙气体状态和电场状况有直接影响。一般而言，动、静触头的结构是不同的（西开试验回路被试隔离开关内部结构如图7-46所示，当施加不同种类的电压时，断口间隙将因为触头结构的不对称而使其击穿特性表现出极性效应。
图7-46 西开试验回路隔离开关内部结构示意图
按照工程惯例，在变电站现场，通常的做法是将隔离开关动触头与系统交流电源侧相连，静触头与被操作的负载侧短母线（隔离开关和与之相邻的断路器之间的短母线）相连。前期VFTO特性试验即按此方式布置试验回路中设备之间的连接。考虑到动、静触头结构不同，触头极性的不同将会影响触头间隙的击穿特性，并进而影响被操作负载侧短母线残余电压的极性和幅值，因此，有必要考察隔离开关连接方向反转后触头间隙击穿及击穿后残余电压极性和分布的变化。
隔离开关连接方向对VFTO影响试验的实施方法是改变隔离开关动静触头和系统的连接方向，即：原来与系统交流电源侧连接的动触头端改为与被操作负载侧短母线连接，原来与被操作负载侧短母线连接的静触头端改为与系统交流电源侧相连，近似于将触头间隙极性和原来情形“反转”。
隔离开关触头连接方向影响试验在西开试验回路进行，试验接线如图7-47所示，采用空载短母线无预充直流电压试验方式，隔离开关速度为调速前速度。试验测量点1～4已在图7-47中标出。交流电源侧施加工频电压635kV（最高相对地电压，
=635kV），分支母线长度为9m。试验过程中，将辅助隔离开关DS1、原被试隔离开关DS2连同二者之间的短母线整体反转后与试验回路其他部分对接。反转后，DS2作为辅助隔离开关，保持分闸状态；DS1作为被试隔离开关。由于隔离开关DS1和DS2机械特性相近，并且试验有效操作次数450次，所以本期试验和前期试验对照可以研究隔离开关触头连接方向对GIS内部VFTO特性的影响。
图7-47 西开试验回路隔离开关触头连接方向影响试验接线
7.10.5.2 VFTO波形比较
1）VFTO全过程波形
VFTO全过程波形和击穿次数受隔离开关触头间隙击穿特性影响。隔离开关触头连接方向改变前、后VFTO全过程实测典型波形如图7-48所示。
图7-48 隔离开关触头连接方向调整前、后负载侧测点1实测VFTO波形
从VFTO全过程波形可知，隔离开关触头连接方向调整前后较为明显的区别是合闸首次击穿、分闸末次击穿的极性发生了反转。连接方向调整前，合闸首次击穿、分闸末次击穿以正极性为主；连接方向调整后，合闸首次击穿、分闸末次击穿改变为以负极性为主。此外，仅从VFTO全过程波形的直观观察上可以看到，无论是合闸过程还是分闸过程，全过程总的击穿次数发生了变化。
2）VFTO全过程击穿次数
为了准确获取VFTO全过程击穿情况，对隔离开关触头连接方向调整前后合、分闸VFTO全过程波形中击穿电压超过0.3p.u．的击穿次数进行统计。
从统计结果看，隔离开关触头连接方向调整后，合、分闸过程平均击穿次数约为8次，较之调整前平均击穿次数11次有所减小。这表明，隔离开关连接方向的改变影响了触头间隙的击穿特性，触头间隙的极性效应是存在的。
7.10.5.3 VFTO特性统计分析
隔离开关触头连接方向的改变将主要影响与断口间隙击穿全过程相关的VFTO特性，对VFTO单次击穿波形、各测点频率成分和振荡系数等影响较小。下面主要针对隔离开关触头连接方向调整前后的VFTO统计特性进行分析。
1）最大VFTO幅值
西开试验回路各典型位置处VFTO测点在本轮试验中实测最大VFTO幅值统计结果见表7-17，表中清华和华电分别代表试验单位清华大学和华北电力大学。
表7-17 隔离开关触头连接方向调整前后试验实测最大VFTO幅值统计表
注：阴影表示隔离开关触头连接方向调整前、无预充直流电压、9m分支母线情况下实测结果。
由实测结果可知：
（1）整体而言，与触头连接方向调整前实测结果相比，触头连接方向反转后试验回路VFTO水平变化不大。试验回路中合闸操作最高VFTO的平均幅值由1.98 p.u．微降到1.97 p.u.，分闸操作最高VFTO的平均幅值由1.96 p.u．微增到1.97 p.u.，变化幅度都极小。这表明，隔离开关触头连接方向对试验回路可能出现的最大VFTO影响有限；
（2）隔离触头连接方向调整后，试验回路中VFTO最大值大致仍然出现在空载短母线末端测点1，与前期历次试验研究结果一致；
（3）虽然不同测点在隔离开关触头连接方向调整前后实测最大VFTO幅值有所变化，但是幅值变动不是很大且不是同样的增加或减小；同时，合闸操作和分闸操作产生的最大VFTO幅值接近。
2）最大VFTO幅值分布
以试验回路中典型测点（负载侧测点1和电源侧测点5）为例，统计本轮试验操作最大VFTO幅值概率分布，从而考察隔离开关触头连接方向调整对VFTO幅值概率分布的影响。
从测点1、测点5最大VFTO幅值分布统计结果看，隔离开关触头连接方向调整前后，整体上合、分闸最大VFTO幅值分布有向低值区偏移的趋势，尤以负载侧测点5比较明显。这表明，连接方向的改变对触头间隙击穿特性产生了影响，使得击穿后残余电压极性或分布发生了变化，进而影响了击穿的条件和VFTO的幅值分布特性。但是，这种影响对于试验回路可能产生的最大VFTO影响有限，因为只要负载侧有出现高幅值残余电压的可能，使得断口间隙电压差较大，则击穿产生高幅值VFTO的可能性就存在，只是出现的概率可能较之以前偏低。
3）残余电压分布
对西开试验回路隔离开关触头连接方向调整前后实测全过程各次击穿残余电压分布进行统计。
综合统计结果可知：
（1）隔离开关触头连接方向调整后，合、分闸操作各次击穿残余电压分布与调整前相比，总体分布情况一致性较好，且调整前、后正极性和负极性电压分布具有一定的对称性（即：触头连接方向调整前极性为正的电压分布和调整后极性为负的电压分布较为近似，触头连接方向调整前极性为负的电压分布和调整后极性为正的电压分布较为近似）;
（2）隔离开关触头连接方向调整后，分闸末次击穿残余电压分布集中在正极性区间，这与触头连接方向调整前以负极性电压为主的残余电压分布正好相反，分布规律近似对称；
（3）统计结果表明，残余电压的分布与触头结构、交流电源施加方式有直接关系，而残余电压极性的不同将会影响试验回路VFTO幅值及其概率分布。
7.10.5.4 小结
本节通过改变西开试验回路GIS隔离开关与交流电源和空载短母线的连接方向，实验研究了触头不同连接方向对于VFTO特性的影响。试验结果表明，隔离开关触头连接方向的改变影响断口间隙击穿电压特性，影响全过程VFTO的击穿次数、残余电压的极性及其分布，影响最大VFTO幅值概率分布，但对试验回路最大VFTO水平影响较小。