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摘 要：本文介绍了核电站500kV开关站某隔离开关发生的放电事故，根据现场解体检查结果与过电压仿真计算结果，对放电原因分析，特别提出VFTO对隔离开关的影响。在此基础上，提出切实可行的反措，为同类故障的排查与预防提供了重要的参考。
关键词：隔离开关放电；VFTO；反措
中图分类号：TM15
Study on the VFTO of an isolated switch in the 500kVswitch station of nuclear power plant
Hu Zhelin Li Nianfei Wu Maoping
China Nuclear Power Operation Co GuangDong ShenZhen 518124
Abstract：This paper investigated the discharge accident occurred in an isolated switch of 500kV switching station in nuclear power plant. According to the results of the overhaul inspection and overvoltage simulation， the cause of discharge accident is analyzed. In particular， the influence of VFTO on isolating switch is put forward . On this basis， the paper puts forward some feasible countermeasures， which provides an important reference for the investigation and prevention of similar faults.
Keywords：Discharge of isolated switch；VFTO；countermeasures
2007年11月28日14时54分，因核电站主变检修要求进行隔离操作，断开断路器后，在进行断路器与母线之间的隔离开关操作时，隔离开关的A相发生对地放电故障，导致母线第二套母线差动保护动作，断路器跳闸。刀闸所在气室出现压力高报警。
故障波形显示接地故障持续时间2个半周波，A相对地电流峰值达到12900A。电气人员现场检查隔离开关的机械位置指示处于绿色分闸状态，对应气室观察窗表面有大量白色粉末，说明气室内部发生严重放电故障。
2007年11月29日，检修人员将故障气室解体后，发现气室内部存在大量的白色粉末（电弧作用下，SF6气体与金属发生化学反应，生成外观为白色粉末的氟化物等物质），并伴有强烈的刺激性气味。隔离开关动触头局部烧融、静触头均压罩局部烧穿、静触头后部均压罩及气室内表面有多处电弧灼伤痕迹。
现场检查图片如下所示：
1 事故分析
1.1 背景
核电站500kV变电站为GIS开关站，采用3/2接线。变电站有1回去惠州的出线，2台联络变压器和1台主变压器。
开关站的电气主接线见图5所示：
惠州出线和每台变压器退出运行的操作步骤是：首先断开与出线和变压器相连接的两台断路器，然后再进行其它刀闸的操作，其中有一步是操作断开与带电母线相连的刀闸。由于隔离刀闸的一侧带电，在打开过程中断口会发生重燃，会产生VFTO过电压。此现象因隔离刀打开的时间不同而存在一定的分散性，即每次的过程和现象有随机性。
该变电站的GIS由法国阿尔斯通生产，于1994年投运，至今已运行13 年。
事故刀闸407JS为法国Alstom公司产品，型号SFT155。其主要电气参如下：
按照维修大纲要求，每年对GIS的气体水分和压力进行检测，2007年7月对GIS的气体水分和压力进行过检测，检测结果合格。
1.2 事故原因分析
现场检查隔离开关机械位置指示为绿色，观察窗检查动触头到位。机械连接的连杆、安全销等部件完好无损，回装后电动操作正常，电机绝缘直阻正常， 因此可排除隔离开关因驱动机构故障引起分闸不到位或分闸速度过慢而产生超高过电压的可能。
开关站进行2#主变隔离工作，详细操作顺序 （元件代号可参见图5的电气主接线图） 如下：
1）断开发电机负荷开关；
2）断开 450JA；
3）断开452JA；
4）联系调度＼＼#1联变490TR需短时停运（因为要断开403JS）；
5）断开500kV 451JA；
6）断开400kV 250JA；
7）断开400kV 251JA；
8）断开500kV侧404JS刀闸；
9）断开500kV侧403JS刀闸；
10）断开500kV侧406JS刀闸；
11）断开500kV侧407JS刀闸；
12）断开500kV侧405JS刀闸。
当执行到第11步时，即进行407JS刀闸分闸操作时，407JS刀闸所在气室发生A相接地短路故障，从保护录波图可见电流达16kA左右。导致802JB 母线第二套差动保护（型号：TDB11）动作，跳开552JA开关。
等效电路分析
在进行407JS断开操作时，理论上与切空载长线类似。系統的等效电路如下图所示。
其中E：系统电源，l：变压器590TR及回路等效电感，C：407JS至452JA段等效对地电容，R：回路等效电阻。 假设电源E为无穷大，忽略系统及电弧等效电阻R，假设在开关断开之前电源电动势e（t）即为电容C上的电压Uc（t）。当隔离开关动作后，触头开始分离。
当开关性能很好时，不发生重燃，分断结束，不产生过电压。而当能发生重燃时，就会产生过电压。为了展现物理过程，分析时考虑可能导致最大过电压的前提，决定电弧熄灭与重燃时刻。
当开头的电流过零时，电弧熄灭，此时电容C上的电压为最大值Em。如忽略电荷的泄漏，则电容C上维持残压Em，但开关电源侧触头上的电压仍然按照电源余弦电势变化，于是开关触头上出现了越来越高的恢复电压。如果开关触头间去游离能力很强，抗电强度的恢复增长很快，则电弧从此熄灭，线路就被断开。但若开关性能不佳，则在恢复电压的作用下触头间有可能发生重燃。通常考虑最危险的过电压情况，即重燃恰巧发生在恢复电压最高的时刻。在电弧重燃瞬间，电源电压 E 突然加在 C 与 L 组成的振荡回路上，由于回路固有频率比工频大很多，所以过渡过程为高频振荡，忽略回路损耗引起的电压衰减，振荡过程中线路上的电压最高值为：
在高频振荡过程中，高频电路第一次过零瞬间发生熄弧。此后随着触头之间的距离越来越大，恢复电压也越来越高，如每隔半个工频周期重燃一次，则过电压将按照 3E，5 E，7 E 的规律变化，但不会无限增大[2]。
采用matlab进行仿真，设定仿真电压幅值为100V，考察2.5T内的情形。
得出的仿真电压波形如下：
图7 电压仿真波形
实际上，由于电弧过程有很大的随机性，过电压的幅值与也与起弧时刻、熄弧时刻密切相关，具有很大的随机性[3]。
GIS 中所有的电气元件以稍不均匀电场下工作为前提。隔离开关断口出现先导型放电时才形成预或重击穿，击穿时会在几ns内建立火花导电通道，在均匀或稍不均匀电场中通道形成VFTO冲击波的上升时间[1]：
2 反措
1）定期进行局放和气体取样检测；
2）结合更换防爆膜时对隔离开关内部进行检查；
3）尽可能避免或减少操作一端带电的隔离开关；
4）工程条件满足的前提下，装配一种带分合闸电阻的新型隔离开关[6]。
3 总结
本文根据某500kV开关站刀闸过程中出现的隔离开关放电事故，结合VFTO过电压计算结果和实物解体观察，对其放电事故原因进行了全面分析，推断了隔离开关放电事故的原因。并提出了避免同类事故发生的反措。
在本次事故中，操作一端带电的隔离开关切除电容电流引起的操作过电压是发生故障的直接原因。
分析得出：在進行分闸操作时，母线侧接有联变和电网，起弧时电压处于过零点附近，动静触头之间的绝缘恢复速度不及电压恢复速度，使得动静触头的分离过程经历多次燃弧/熄弧过程，断口的过电压倍数增加，是损坏隔离开关的根本原因。在动静触头完全脱离之后，动触头与静触头均压罩之间发生放电，使用带电粒子扩散，最终发生母线对地放电，是导致407JS损坏的直接原因。可以认为，300kV以上系统隔离开关连接有带电变压器时，为避免随机性效应导致GIS设备损坏，应尽量避免或减少隔离开关的操作。
带电操作隔离开关，易在动、静触头间产生操作过电压（VFTO），尽管过电压的大小是随机的，但是带电操作隔离开关，有设备发生放电损坏的可能性（小概率），因此，应根据系统的工作和隔离的需要，尽可能避免或减少操作一端带电的隔离开关（不操作一端带电的隔离开关，可杜绝隔离开关的烧毁）。
参考文献：
[1]何善庆. GIS中的快速暂态过程[J].高压电器，1995，02：4145.
[2]张龙斌，王治国，袁瑶.切除空载线路过电压matlab 仿真研究[J].黑龙江科技信息，2015，15：53.
[3]林福昌.高电压工程[M].北京：中国电力出版社，2007.
[4]张翠霞.核电站500kV变电站D0GEW 407JS隔离开关放电原因分析.中国电力科学研究院，2008.
[5]钟连宏，欧世尧，周红霞.GIS中快速暂态过电压的分析及计算[J].高电压技术，2000，26：6062.
[6]阮全荣，施围.GIS隔离开关带分合闸电阻抑制VFTO的研究[J].高电压技术，2005，31：68.
关键词：隔离开关放电；VFTO；反措
中图分类号：TM15
Study on the VFTO of an isolated switch in the 500kVswitch station of nuclear power plant
Hu Zhelin Li Nianfei Wu Maoping
China Nuclear Power Operation Co GuangDong ShenZhen 518124
Abstract：This paper investigated the discharge accident occurred in an isolated switch of 500kV switching station in nuclear power plant. According to the results of the overhaul inspection and overvoltage simulation， the cause of discharge accident is analyzed. In particular， the influence of VFTO on isolating switch is put forward . On this basis， the paper puts forward some feasible countermeasures， which provides an important reference for the investigation and prevention of similar faults.
Keywords：Discharge of isolated switch；VFTO；countermeasures
2007年11月28日14时54分，因核电站主变检修要求进行隔离操作，断开断路器后，在进行断路器与母线之间的隔离开关操作时，隔离开关的A相发生对地放电故障，导致母线第二套母线差动保护动作，断路器跳闸。刀闸所在气室出现压力高报警。
故障波形显示接地故障持续时间2个半周波，A相对地电流峰值达到12900A。电气人员现场检查隔离开关的机械位置指示处于绿色分闸状态，对应气室观察窗表面有大量白色粉末，说明气室内部发生严重放电故障。
2007年11月29日，检修人员将故障气室解体后，发现气室内部存在大量的白色粉末（电弧作用下，SF6气体与金属发生化学反应，生成外观为白色粉末的氟化物等物质），并伴有强烈的刺激性气味。隔离开关动触头局部烧融、静触头均压罩局部烧穿、静触头后部均压罩及气室内表面有多处电弧灼伤痕迹。
现场检查图片如下所示：
1 事故分析
1.1 背景
核电站500kV变电站为GIS开关站，采用3/2接线。变电站有1回去惠州的出线，2台联络变压器和1台主变压器。
开关站的电气主接线见图5所示：
惠州出线和每台变压器退出运行的操作步骤是：首先断开与出线和变压器相连接的两台断路器，然后再进行其它刀闸的操作，其中有一步是操作断开与带电母线相连的刀闸。由于隔离刀闸的一侧带电，在打开过程中断口会发生重燃，会产生VFTO过电压。此现象因隔离刀打开的时间不同而存在一定的分散性，即每次的过程和现象有随机性。
该变电站的GIS由法国阿尔斯通生产，于1994年投运，至今已运行13 年。
事故刀闸407JS为法国Alstom公司产品，型号SFT155。其主要电气参如下：
按照维修大纲要求，每年对GIS的气体水分和压力进行检测，2007年7月对GIS的气体水分和压力进行过检测，检测结果合格。
1.2 事故原因分析
现场检查隔离开关机械位置指示为绿色，观察窗检查动触头到位。机械连接的连杆、安全销等部件完好无损，回装后电动操作正常，电机绝缘直阻正常， 因此可排除隔离开关因驱动机构故障引起分闸不到位或分闸速度过慢而产生超高过电压的可能。
开关站进行2#主变隔离工作，详细操作顺序 （元件代号可参见图5的电气主接线图） 如下：
1）断开发电机负荷开关；
2）断开 450JA；
3）断开452JA；
4）联系调度＼＼#1联变490TR需短时停运（因为要断开403JS）；
5）断开500kV 451JA；
6）断开400kV 250JA；
7）断开400kV 251JA；
8）断开500kV侧404JS刀闸；
9）断开500kV侧403JS刀闸；
10）断开500kV侧406JS刀闸；
11）断开500kV侧407JS刀闸；
12）断开500kV侧405JS刀闸。
当执行到第11步时，即进行407JS刀闸分闸操作时，407JS刀闸所在气室发生A相接地短路故障，从保护录波图可见电流达16kA左右。导致802JB 母线第二套差动保护（型号：TDB11）动作，跳开552JA开关。
等效电路分析
在进行407JS断开操作时，理论上与切空载长线类似。系統的等效电路如下图所示。
其中E：系统电源，l：变压器590TR及回路等效电感，C：407JS至452JA段等效对地电容，R：回路等效电阻。 假设电源E为无穷大，忽略系统及电弧等效电阻R，假设在开关断开之前电源电动势e（t）即为电容C上的电压Uc（t）。当隔离开关动作后，触头开始分离。
当开关性能很好时，不发生重燃，分断结束，不产生过电压。而当能发生重燃时，就会产生过电压。为了展现物理过程，分析时考虑可能导致最大过电压的前提，决定电弧熄灭与重燃时刻。
当开头的电流过零时，电弧熄灭，此时电容C上的电压为最大值Em。如忽略电荷的泄漏，则电容C上维持残压Em，但开关电源侧触头上的电压仍然按照电源余弦电势变化，于是开关触头上出现了越来越高的恢复电压。如果开关触头间去游离能力很强，抗电强度的恢复增长很快，则电弧从此熄灭，线路就被断开。但若开关性能不佳，则在恢复电压的作用下触头间有可能发生重燃。通常考虑最危险的过电压情况，即重燃恰巧发生在恢复电压最高的时刻。在电弧重燃瞬间，电源电压 E 突然加在 C 与 L 组成的振荡回路上，由于回路固有频率比工频大很多，所以过渡过程为高频振荡，忽略回路损耗引起的电压衰减，振荡过程中线路上的电压最高值为：
在高频振荡过程中，高频电路第一次过零瞬间发生熄弧。此后随着触头之间的距离越来越大，恢复电压也越来越高，如每隔半个工频周期重燃一次，则过电压将按照 3E，5 E，7 E 的规律变化，但不会无限增大[2]。
采用matlab进行仿真，设定仿真电压幅值为100V，考察2.5T内的情形。
得出的仿真电压波形如下：
图7 电压仿真波形
实际上，由于电弧过程有很大的随机性，过电压的幅值与也与起弧时刻、熄弧时刻密切相关，具有很大的随机性[3]。
GIS 中所有的电气元件以稍不均匀电场下工作为前提。隔离开关断口出现先导型放电时才形成预或重击穿，击穿时会在几ns内建立火花导电通道，在均匀或稍不均匀电场中通道形成VFTO冲击波的上升时间[1]：
2 反措
1）定期进行局放和气体取样检测；
2）结合更换防爆膜时对隔离开关内部进行检查；
3）尽可能避免或减少操作一端带电的隔离开关；
4）工程条件满足的前提下，装配一种带分合闸电阻的新型隔离开关[6]。
3 总结
本文根据某500kV开关站刀闸过程中出现的隔离开关放电事故，结合VFTO过电压计算结果和实物解体观察，对其放电事故原因进行了全面分析，推断了隔离开关放电事故的原因。并提出了避免同类事故发生的反措。
在本次事故中，操作一端带电的隔离开关切除电容电流引起的操作过电压是发生故障的直接原因。
分析得出：在進行分闸操作时，母线侧接有联变和电网，起弧时电压处于过零点附近，动静触头之间的绝缘恢复速度不及电压恢复速度，使得动静触头的分离过程经历多次燃弧/熄弧过程，断口的过电压倍数增加，是损坏隔离开关的根本原因。在动静触头完全脱离之后，动触头与静触头均压罩之间发生放电，使用带电粒子扩散，最终发生母线对地放电，是导致407JS损坏的直接原因。可以认为，300kV以上系统隔离开关连接有带电变压器时，为避免随机性效应导致GIS设备损坏，应尽量避免或减少隔离开关的操作。
带电操作隔离开关，易在动、静触头间产生操作过电压（VFTO），尽管过电压的大小是随机的，但是带电操作隔离开关，有设备发生放电损坏的可能性（小概率），因此，应根据系统的工作和隔离的需要，尽可能避免或减少操作一端带电的隔离开关（不操作一端带电的隔离开关，可杜绝隔离开关的烧毁）。
参考文献：
[1]何善庆. GIS中的快速暂态过程[J].高压电器，1995，02：4145.
[2]张龙斌，王治国，袁瑶.切除空载线路过电压matlab 仿真研究[J].黑龙江科技信息，2015，15：53.
[3]林福昌.高电压工程[M].北京：中国电力出版社，2007.
[4]张翠霞.核电站500kV变电站D0GEW 407JS隔离开关放电原因分析.中国电力科学研究院，2008.
[5]钟连宏，欧世尧，周红霞.GIS中快速暂态过电压的分析及计算[J].高电压技术，2000，26：6062.
[6]阮全荣，施围.GIS隔离开关带分合闸电阻抑制VFTO的研究[J].高电压技术，2005，31：68.