本文以南方某550 kV GIS电站为研究对象，从GIS结构出发，建立相应的GIS内部结构模型，在单机单出线工况下，对GIS隔离开关操作引起的快速暂态过电压进行仿真。研究GIS的结构参数对快速暂态过电压的影响，并从GIS内部、外部等多角度来分析VFTO的影响因素。 Taking a 550kV Gas Insulation Switchger (GIS) substation in the South as the object of study, the corresponding GIS internal structure model was established according to the structure of GIS in the paper. In the single motor single line conditions, very fast transient overvoltage (VFTO) caused by disconnector in GIS are simulated. In the paper, the effect of structure parameters of GIS on VFTO was studied, and the influence factors of VFTO were analyzed from multiple perspectives, such as GIS internal and external factors, and so on.
GIS变电站虽然造价昂贵，但以其特有的优点在电力系统中得到广泛的应用。随着GIS电压等级的提高，其经济优势更趋于明显，GIS的应用和发展前景可观。近年来，GIS隔离开关操作引起的绝缘故障问题已呈上升趋势[1,2]，并且随着我国电网运行电压等级的提高，在超高压GIS中，快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage, 简称VFTO)己成为使变电站设备产生故障的主要原因之一，VFTO给电力系统带来的危害已受到人们普遍关注，成为国内国际高压领域的研究热点[3,4]。因此，深入开展GIS中VFTO及相关内容研究[5,6]，分析GIS绝缘性能，有效提高GIS运行可靠性与稳定性，对我国稳步发展特高压工程建设，占领技术至高点，具有重大意义[7,8]。
GIS中产生较大危害的情况主要是由隔离开关操作引起的VFTO。隔离开关动作缓慢使触头间在分合操作时产生多次重燃，并伴随燃弧、熄弧现象，在隔离开关触头间隙两端出现上升速度(一般是纳秒级)极快的电压陡波，该电压陡波在GIS内部传输线上传播，遇到波阻抗改变就发生折射和反射，多次折反射的行波分量叠加在一起，从而形成波头很陡、幅值较高的快速暂态过电压[9,10]。
VFTO波形具有波头上升时间短、振幅高等特点。VFTO波头上升时间主要取决于系统参数，振荡频率取决于GIS的布置。冲击陡波沿隔离开关断口向两侧母线传播，传播速度略小于光速，因为连接的电气设备不同，节点处的阻抗值不同，在此处发生折反射，使VFTO波形越来越复杂。通常VFTO最大值出现在与被开断母线相连的断路器处，或母线开路端口。
本文以我国南方某抽水蓄能电站550 kV GIS变电站为背景，对隔离开关操作产生的VFTO进行研究。该电站装有4台250 MW可逆式抽水蓄能机组和4台300 MVA、525 ± 2 × 2.5%/15.75主变压器，每两组发电电动机–变压器单元在500 kV侧联合成一回进线，在500 kV内侧采用内桥接线，变电站的主变压器中性点均采用中性点直接接地方式。
该GIS变电站采用两个机组，四台变压器供电，两回500 kV出线。电站为电网调峰、填谷、调频、调相等紧急事故提供保证，图1给出该抽水蓄能电站电气接线示意图。
根据变电站接线图，确定几种操作方式：方式1：将CB12、CB11、DS13断开，然后操作DS14；方式2：在CB12、CB11、CB22断开时，将DS14闭合，操作DS13；方式3：CB12闭合，DS11、DS23断开，CB11、CB22断开，操作DS12。
计算时不考虑隔离开关在整个开合过程中的动态特性，模拟一次电弧重燃，通常只考虑重燃时出现的最严重情况，即母线的残余电压为电源反极性峰值，电源侧电压为正极性峰值，并且此时开关电源侧电压为1.0 p.u.，负载侧电压为–1.0 p.u.，计算时间为1 μs，由于VFTO持续时间很短，所以在相应的计算
图1. 550 kV GIS变电站接线示意图
时间内，电源可以看作是恒压源。
VFTO源于GIS内部，经过高压电缆和油气管传播到GIS外部变压器等设备，为计算各操作点VFTO的幅值，进而分析各点VFTO幅值的波形特点。下面给出变电站整体的计算模型，如图2所示。
为方便计算等效，选取单机单出线的方式1对该系统进行模拟仿真，得到在不同操作点处的VFTO波形，进行比较对照，得出结论进而采取相应的抑制措施。图3给出550 kV GIS单机单出线接线图。
根据变电站的接线及GIS各元件的参数，搭建仿真模型如图4所示，选取隔离开关DS1、变压器入口电容、高压电缆终端接口、操作隔离开关、避雷器等几处作为VFTO的测量点，进行分析。
在不同操作方式下操作隔离开关，GIS内部暂态过程产生的VFTO幅值也不同，对GIS设备绝缘产生
图2. 550 kV GIS变电站计算模型
图3. 550 kV GIS单机单出线接线图
图4. 单机单出线仿真模型
不同程度的威胁，下面给出操作方式1下各关键设备处VFTO的仿真波形。
由图5仿真结果可知，断路器CB11处VFTO幅值最大达到1.45 p.u.，对设备的危害极大，当此电压波在管线上传播时，VFTO幅值逐渐衰减。由图6可知，方式1下操作隔离开关DS11时，VFTO幅值较高，但随着时间的推移，VFTO衰减速率很快，最后在一定的幅值范围内进行振荡，整体来说，VFTO的幅值较小。
通过图7的仿真波形可知，MOA对过电压波具有削平电压峰值的作用，当过电压传到MOA处时，VFTO的幅值不会骤升，在一定的幅值范围内振荡，对设备的危害性不是太大。
从系统接线方式和VFTO计算等效模型来看，VFTO的影响因素应从二方面来考虑：一是GIS内部因素，如断路器等部件的等效参数及母线的波阻抗和波速等；二是GIS外部因素，连接GIS与变压器的设备套管、电缆等，变压器出口电容和其他一些影响因素。本文着重从GIS内部因素中的母线残余电荷和
图5. 操作方式1下CB11处的VFTO
图6. 操作方式1下DS11处VFTO
图7. 操作方式1下MOA处的VFTO GIS外部因素中变压器入口电容对VFTO的影响进行仿真分析。
从绝缘配合的角度来说，GIS中VFTO幅值一直是研究者最关心的。当隔离开关开断带电GIS线路时，可能有多余电荷残留在此短线上，残留电荷产生的电位会因为电荷的泄漏而逐渐降低，因此线路上留有较高的残余电荷会使VFTO幅值升高，给设备带来很大的威胁，但母线上留有残余电荷的现象很难避免。
为说明残余电荷电压对VFTO幅值的影响，保持其他条件不变，设残余电荷电压为–1.0 p.u.和–0.3 p.u.对断路器端口VFTO进行仿真，结果如图8和图9所示。
从仿真结果看出残余电荷电压对VFTO幅值影响很大，残余电荷电压越大，VFTO幅值越大，陡度也越高，对设备影响就越大，这主要是开断前母线上的电荷很多，而泄漏很慢，因而残余电荷电压较高。
GIS内部和外部因素都对VFTO造成一定的影响，本文主要考虑变压器本身入口电容对变压器端部VFTO幅值和频率的影响，变压器入口电容与其电压等级、结构大小以及容量有关。变压器电压等级越高，额定功率越大，其入口电容相对较大。通过对变压器入口电容对VFTO幅值的影响进行仿真，对仿真数据进行分析得到结论：随着电压等级的提高以及变压器
图8. 残余电荷电压为–1.0 p.u.时CB11端口处VFTO
图9. 残余电荷电压为–0.3 p.u.时CB11端口处VFTO
图10. 变压器入口电容为2000 pF时CB11端口处VFTO
图11. 变压器入口电容为10,000 pF时CB11端口处VFTO
入口电容的增大，作用在主变压器端部的VFTO幅值有下降的趋势，GIS内部其它节点的过电压幅值基本不受影响。
以变压器入口电容为2000 pF和10,000 pF为例，对断路器处VFTO进行仿真，仿真结果如图10和图11所示。
由仿真结果可知，变压器入口电容发生变化不仅对VFTO幅值有很大影响，而且频率也发生变化，不同电容值出现不同的振荡频率。变压器入口电容增大，VFTO幅值有所降低，再加上电容器对高频分量的过滤作用，振荡频率随变压器入口电容值的增大而减小。
本文针对气体绝缘变电站中VFTO特性，产生机理及影响因素，结合南方某550 kV GIS变电站为例进行仿真研究，建立变电站的仿真计算模型。
550 kV GIS内部VFTO幅值总体来说不是很大，作用在主变压器入口处的过电压比较低，避雷器处的VFTO幅值也在一定的电压范围内。GIS内部对VFTO幅值影响最大的因素是母线残余电荷电压，与VFTO的幅值呈线性关系。其次，影响VFTO幅值和陡度的主要因素是变压器入口电容，VFTO幅值和振荡频率随入口电容的增大而减小。
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