國家重點基礎研究發展計劃（973計劃）旨在解決國家戰略需求中的重大科學問題，面向前沿高科技戰略領域超前部署基礎研究。“交直流特高壓輸電系統電磁與絕緣特性的基礎問題研究”作為國家973計劃項目，重點解決特高壓輸電線路安全性與經濟性的協調，及關鍵設備核心設計技術的自主化難題。本報今起開辟“國家973計劃項目——特高壓電磁與絕緣特性科普系列”欄目，刊登該項目相關研究成果科普知識。

　　雷電是日常生活中常見卻令人害怕的現象，因其發生突然、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害。人們常常被告知，雨天打雷時要關掉電視、不能在雷雨中接打手機，否則容易引發雷擊，造成人身傷亡、財產損失等。追根溯源，這就是過電壓對人身及家用電器造成的影響。

　　輸配電網中的各種電氣設備也會承受諸如雷電等各種類型的過電壓，即各種瞬態電壓沖擊。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）的廣泛應用，尤其是輸電網電壓等級的逐漸提高，一種相對新型的過電壓現象——VFTO日漸凸顯，如何避免這類瞬態沖擊對輸配電網，尤其是特高壓電網的危害，成為了一個不容回避、亟待攻破的難題。

　　什么是VFTO

　　傳統過電壓可按電網內部原因（操作過電壓、諧振過電壓等）和外部原因（主要指雷擊過電壓）進行分類，也可按持續時間分為暫時過電壓、操作過電壓、雷電過電壓等。一般而言，內部過電壓持續時間長（毫秒級），雷電過電壓持續時間短（微秒級）。而VFTO則兼具二者的特點，它由電網內部原因——隔離開關帶電投切空載短管線操作產生，其沖擊波的頻率卻可能高達數百兆赫茲。簡而言之，VFTO可定義為波前時間在3～100納秒范圍內的瞬態過電壓，主要來源于隔離開關操作，也可以稱為隔離開關操作過電壓。

　　VFTO產生的根本原因是隔離開關觸頭兩端的電壓差導致觸頭間隙擊穿，該擊穿瞬間會產生上升沿極陡的沖擊電壓，并在GIS內部傳播。由于GIS回路各部件的結構及參數不同，這種沖擊波經過不斷的折、反射和波形疊加，最終形成可能對設備絕緣安全造成威脅的瞬態沖擊電壓。

　　與其他過電壓不同，因為觸頭的運動速度較慢，一次隔離開關操作中，可產生的VFTO波形可達數十甚至上百次之多。VFTO的大小會隨著觸頭間隙擊穿的情況而變化，簡單來說分閘過程中產生的VFTO幅值越來越大，合閘過程反之。而理論最大VFTO，即出現在隔離開關兩側電壓都處于峰值且極性相反時發生的擊穿。這種極端情況出現的次數多嗎，是不是可以避免？這些問題，都需要通過理論分析和實際試驗來回答。

　　既然是過電壓，VFTO的首要危害當然是對一次設備絕緣的影響（如造成盆式絕緣子的閃絡故障）。除此之外，因智能變電站設備布置緊湊，一次設備和二次設備距離很近，也會導致二次設備易受到各種電磁污染的影響而發生誤動誤報（如繼電保護裝置誤報故障），甚至出現直接失效（如密度繼電器損壞故障）的嚴重情況。

　　在我國特高壓工程投運初期，因對特高壓VFTO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帶電投切短母線的操作，這給變電站運行帶來極大不便，影響特高壓電網運營效益的提升。

　　所以，從變電站設備安全性、運行可靠性等方面來說，深入研究特高壓變電站電磁暫態過電壓的機理及其防護方法，有著強烈的現實需求。

       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測得到VFTO的波形，而VFTO的特點決定了測量系統一方面需要準確記錄高達上百兆赫茲的高頻波形細節，另一方面還要準確記錄其中的低頻分量、工頻分量乃至準直流分量。這就要求測量系統為高低頻特性都要優異的全能型選手。經過多方攻關努力，最終這個問題通過高頻特性優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。

　　具備了性能優異的測量系統，開展一系列實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基地建立的特高壓真型GIS試驗回路，我國在世界上首次開展了4000余次隔離開關操作試驗，研究了各個因素對VFTO的影響，如GIS結構型式、接線布置、安裝方式等。

　　從試驗結果看，試驗回路上得到的最大VFTO約為2037千伏，上升時間約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擊穿特性和回路參數所確定，且對GIS長度極為敏感，有時長度差別僅1米，VFTO波形的幅值可能相差數十甚至上百千伏。

　　出現最大VFTO的概率與隔離開關速度相關性較大，慢速隔離開關約為2%，快速隔離開關的概率不到5%。結合隔離開關動作的行程特性和間隙擊穿過程，通過仿真軟件對一次完整操作進行仿真計算，結果表明，當觸頭速度低于一定值（如0.4米/秒）時，理論上可完全避免出現前述理論最大VFTO的條件。這就是說，通過一定的設計措施，可減小變電站的VFTO水平。

　　GIS在VFTO下會發生絕緣故障嗎？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稱3兆伏、輸出波形參數最高的VFTO和雷電沖擊交互產生一體化裝置，通過該裝置對VFTO作用下GIS典型絕緣結構的擊穿特性進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下絕緣特性數據，奠定了絕緣配合的基礎。

　　特高壓VFTO的防護

　　談到VFTO的防護，首先要考慮的就是防護的必要性。對于不會造成絕緣損壞的過電壓，自然無須多慮，但變電站內VFTO的水平到底有多高？最可行的方法是利用軟件進行仿真計算來評估。結合前述的實測波形，我們實際上已獲得準確性較高的模型及計算方法，仿真與實測的差別小于5%，已具備工程應用的條件。

　　對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，在發生過電壓時，串入一個電阻來消耗過電壓的能量，正常運行時為了避免產生過多的熱量，這個電阻需要退出運行。這也是工程上經常采用的一種限制VFTO的措施的理論來源，在隔離開關觸頭間加裝阻尼電阻。在隔離開關靜觸頭側加裝阻尼電阻，隔離開關合閘過程中，動觸頭與阻尼電阻觸頭先放電，然后與靜觸頭接觸，將阻尼電阻退出運行；隔離開關分閘過程中，動、靜觸頭分開后，動觸頭與阻尼電阻觸頭間產生電?。桓綦x開關開合過程中，阻尼電阻被串入放電回路，會對VFTO幅值及其振蕩產生明顯抑制。

　　隔離開關安裝阻尼電阻，是一種被工程實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的結構復雜性，使可靠性降低，造價提高15%以上。為此，研究提出了一種應用磁環抑制VFTO的方法，其原理簡單、實現容易、對設備的結構和可靠性影響很小，同時成本較低。

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

　　利用磁環串裝置抑制特高壓GIS中VFTO的試驗已經在上述試驗回路上開展，結果表明所用磁環裝置可以有效抑制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防護措施。