500kV变电站开关操作瞬态电场测量与研究

Proceedings of the CSEEVol.24 No.4 Apr. 2004

©2004 Chin.Soc.for Elec.Eng.

文章编号：0258-8013（2004）04-0133-06 中图分类号：TM63 文献标识码：A 学科分类号：470·4014

500kV变电站开关操作瞬态电场测量与研究

卢斌先，王泽忠，李成榕，丁立健，王 伟，王景春

（华北电力大学电气工程学院，北京 102206）

MEASUREMENTS AND RESEARCH OF SWITCHING OPERATION TRANSIENT

ELECTRIC FIELD IN 500kV SUBSTATIONS

LU Bin-xian, WANG Ze-zhong, LI Cheng-rong, DING Li-jian, WANG Wei, WANG Jing-chun（School of Electrical Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China）

ABSTRACT: Switching operations in substations, includingcircuit breaker operations and disconnect switch operations, cangenerate transient switching electric fields. We measuredswitching transient electric fields in the field of two 500kVsubstations. This is the first switching transient electric fieldmeasurement in the field of 500kV substations in china. Athree-dimensional electric field sensor which is spherical andactive was used in the measurement, and can measure maximalvalue of 48kV/m. The electric fields generated by several kindsoperations, including energizing and de-energizing open bussections and the short line by operating disconnects, energizingopen long transmission lines and energizing open transformerby operating circuit breakers, were measured. After analyzingthe measured data, some important characteristics of switchingfields were obtained. These characteristics are useful for theore-tical analysis and practical engineering interference analysis inpower substation and susceptibility experiments of protectionand control equipments.

KEY WORDS: Switching operation transient electric field;Electromagnetic interference; High voltage substation

摘要：变电站断路器和隔离开关操作会产生瞬态电场。该文对国内正在调试的两座500 kV变电站开关操作产生的瞬态电场进行了测量。这是国内首次进行现场测量。本次测量使用三维球形有源瞬态电场探头，该探头最大可测48kV/m。测量项目包括隔离开关分合空载母线和短线、断路器合长线和投空载变压器等。对测量的数据进行分析获得关于断路器和隔离开关操作产生瞬态电场的一些重要特征。这些结果对变电站电磁干扰分析和保护与控制设备抗扰度研究具有重要的理论意义和实用价值。关键词：瞬态开关操作电场；电磁干扰；高压变电站

基金项目：国家电力公司“西北电网750kV输变电工程关键技术研究”基金项目（SP11-2001-01-01-24）。

1 引言

电力系统的电磁干扰和电磁兼容问题越来越受到重视[1-8]。高压变电站稳态运行和暂态过程都存在电磁干扰问题。开关操作过程产生的瞬态电磁场是变电站中重要的电磁干扰源之一。因此受到许多科研工作者和工程人员的重视[9-13]。本文利用三维球形有源瞬态电场探头对国内新建的两座500kV变电站（Y变电站和X变电站）调试过程中开关操作产生的瞬态电场进行了测量。现场测量具有重要的意义，主要因为：

（1）通过测量可以对变电站开关操作产生瞬态电场的特征有所了解，包括瞬态场时域特性和频域特性；

（2）由于变电站内接线复杂，线路存在交叉和下垂等因素，变电站内电场的理论分析和数值仿真较困难，实际测量可对变电站电场计算模型的验证提供依据；

（3）变电站自动化水平的提高及保护小室下放到现场，使得变电站电磁干扰问题研究更加有必要；

（4） 对于AIS和GIS变电站，专家认为一些变电站事故与开关操作时的过电压及瞬态电磁场干扰有关，但是需进一步验证。

基于以上原因，本文作者对现场开关操作产生的瞬态电场进行了测量，获得了一些重要的数据。这两次测量的项目主要包括隔离开关分合空载母线和断路器合空载长线和投空载变压器等。这是国内第一次对500kV变电站开关操作产生瞬态电场进行现场测量。

134中 国 电 机 工 程 学 报第24卷

2 测量手段及测量项目

2.1 测量工具

（1）球形有源三维瞬态电场探头 负区测量范围为-0.1~-30kV/m和正区0.1~48kV/m, 3dB带宽15Hz~100MHz，探头校正系数为16.67kV/m/V；球径为90mm；

（2）数字存储示波器 带宽200 MHz,存储长度可达2MB；

（3）屏蔽车 用来屏蔽现场干扰对测量的影响。2.2 　测量项目

（1）隔离开关分合空载母线和短线；（2）断路器合空载变压器；（3）断路器合空载长线。2.3 　测量位置

500kV变电站单相主接线图如图1(a)所示。现场测量过程中主要选择四个地点进行测量。在位置（1）测量断路器合空载变压器产生的瞬态电场，在位置（2）测量隔离开关操作空载母线产生的瞬态电场，在位置（3）测量隔离开关操作空载短线产生的瞬态电场，在位置（4）测量断路器合空载长线产生的瞬态电场。图中所有的断路器均是SF6开关。X变电站测量高度均为2.0m, 测量位置为(1)、(2)、(4)。Y变电站测量时测量高度均为0.7m，测量位置是(2)、(3)。X变电站的500kV主接线图与Y的主接线图相似，只少了一条出线。图1(b)为

出线2(3)50521出线15031505250522505350531(4)50315031503250325012501115011501211(1)50132(2)500kV 2号母线503350532隔离开关操作母线示意图，图示中左侧隔离开关对空载母线进行充放电，图中标出了测量位置，d为测量地点距边相距离，d=2.0m，w为测量地点距隔离开关的水平距离，w=2.0m。图1(c)为隔离开关操作该隔离开关与断路器之间短线示意图，图示中左侧隔离开关对短线进行充放电，图中标出了测量位置，d为测量地点距边线距离，d=2.0m，w为测量地点距隔离开关的水平距离，w=1.7m。

3 隔离开关操作产生的瞬态电场特征

3.1 隔离开关操作空载短线和空载母线时单次重燃产生的瞬态电场的特征

（1）隔离开关操作单次重燃产生的瞬态电场的全过程

本文给出隔离开关操作空载短线单次重燃产生的瞬态电场波形。在高压变电站内，隔离开关经常操作断路器与隔离开关之间的引线。 图2为隔离开关合短线时单次燃弧产生的瞬态电场的波形,该段引线长度约为20m，测点高度为2.0m。可以看到：隔离开关对短线操作时产生的瞬态电场振荡峰值很大，为17kV/m；电场强度在上升沿变化速率大约为35.7kV/m/µs；电场的振荡过程是单极性的；单次燃弧产生的过渡过程大约持续15µs。

E/(kV/m)141062-2

0 10 20 30 40 t/µs

500kV 1号母线主变图2 X变电站50312隔离开关合短线时产生的

瞬态电场的单次燃弧波形

Fig.2 Single transient electric filed generated by closing

the disconnect 50312 for energizing a short line

(a)　　500kV Y变电站的一次主接线单线图

ABC断路器隔离开关ABwCdw断路器隔离开关

d测量点

(b) 隔离开关操作母线示意图

.测量点

(c) 隔离开关操作短线示意图

.图1 500kV变电站一次主接线单线图和操作示意图Fig.1 Single diagram and operation illustration

of 500kV substations

（2）隔离开关操作单次燃弧产生的瞬态电场的初期波形和中期波形

图3给出X变电站隔离开关50332对空载母线进行合闸操作时单次重燃所产生的瞬态电场初期和中期波形。母线长度约为80m。图3(a)为单次重燃波形的初期阶段，图3(b)为中期阶段。由于重燃的后期波形基本稳定，因此后期阶段波形未给出。从波形初期阶段可看出：在采样率为10MHz，电场振荡频率较高；振荡的峰值最高约为11kV/m；

第4期卢斌先等： 500kV变电站开关操作瞬态电场测量与研究135

电场强度在上升沿变化速率最高为22 kV/m/µs。 隔离开关操作中期阶段的瞬态电场的振荡频率与初期相比有所下降。从图2和图3还可以看出开关操作时随母线长度的增加瞬态电场的振荡峰值将减小。

E/(kV/m)40-4-8-12

0 5 10 15 t/µs

(a) 单次重燃的初期过渡过程

E/(kV/m)-5-6-7-8-9

0 5 10 15 t/µs

(b) 单次重燃的中期过渡过程

图3 单次重燃瞬态电场波形

Fig.3 Single transient generated by closing the disconnect

50332 for energizing bus section in X substation

出：随着合闸过程隔离开关触头与母线间断口距离的减小，每半个周波单次重燃的最大幅值有减小的趋势；每半个周波的重燃次数有增多的趋势；在系统电压到达正负最大值时单次重燃过渡过程振荡峰值最大，单次重燃电场强度最大峰值为17kV/m。

（2）隔离开关分母线时多次重燃产生的瞬态电场的特征

图5是X变电站50332隔离开关分闸操作时产生的瞬态电场波形。操作对象为一段短线加三相母线，总共长度约80m。从波形中可以看出：隔离开关由于重燃而产生的瞬态电场的过程时间很长， 图中经过100ms的时间暂态过程还没有结束；在每半个周波里重燃次数约3~4次，随着隔离开关断口的增大，重燃次数有变少的趋势；在每个系统电压峰值处或附近都有重燃现象，并且与前后重燃产生的瞬态电场峰值相比，在系统电压峰值处的瞬态电场振荡峰值较大，负峰值处的振荡峰值更大，且在到达系统电压幅值之前发生重燃；在系统电压峰值附近重燃的时间间隔较长，在正负峰值之间的重燃时间间隔较短，可能由于系统电压的变化速率不同；随着分闸的进行，断口的距离增大，重燃产生的瞬态电场的振荡峰值有增加的趋势。

E/(kV/m)1050-5-10-15

0 20 40 60 80 100 t/ms

3.2 隔离开关操作短线时多次重燃产生的瞬态电场的特征

（1）隔离开关合短线时产生的多次重燃瞬态电场的特征

图4为X 变电站50312隔离开关对断路器5031与隔离开关50312之间短线进行合闸充电时产生的电场波形。测量时探头距地面高2.0m。该短线的长度约20m。这是所有隔离开关操作中操作对象长度最短的一次操作。从波形图中可以看

E/(kV/m)151050-5-10-15

0 20 40 60 80 100 t/ms

图5 X变电站50332隔离开关给空载母线

放电时产生的瞬态电场

Fig.5 Transient electric field generated by openingdisconnect 50332 for de-energizing open bus section

in X substation

图4 X变电站50312隔离开关合短线时产生的瞬态电场Fig.4 Transient electric field generated by closing thedisconnect 50312 for energizing a short bus section

in X substation

图6是Y变电站50111隔离开关分闸操作时产生的瞬态电场波形。本次操作对象为隔离开关与母线之间的短线和三相母线，总共长度约为200m。该次测量的采样率与图5采样率相同,采样时间短,只有10ms，即半个周期。该次操作与X变电站50332隔离开关操作空载母线长度相比，母线长度要长得多。从两波形比较可以看出：图6单次重燃产生的瞬态电场的振荡峰值较图5要小；重燃的次数为6次，比图5的单位时间重燃次数多；在系统电压负

136中 国 电 机 工 程 学 报第24卷

的幅值之前处重燃产生的瞬态电场振荡峰值最大。

E/(kV/m)20151050-5-10-15

0 2 4 6 8 10 t/ms

图6 Y变电站50111隔离开关给1号空载母线

放电时产生的瞬态电场

Fig.6 Transient electric field generated by openingdisconnect 50111 for de-energizing open bus section

in Y substation

4 断路器操作时产生的瞬态电场特征

4.1 断路器操作时单次重燃产生瞬态电场的波形

断路器合空载长线时单次燃弧产生的瞬态电场波形如图7所示。图7(a)是X变电站5033断路器给长线充电时单次重燃产生的瞬态电场初期波形。在单次重燃的初期电场波形振荡频率高，振荡时间短；振荡峰值最高约为3.8kV/m。图7(b)是操作时产生的瞬态电场的中期波形。从图中可以看出：该阶段振荡的频率减小，振荡的峰值减小。单次重燃

E/(kV/m)9876543

0 2 4 6 8 10 t/µs(a) 断路器合长线时初期瞬态电场波形

瞬态电场后期的波形振荡幅值很小，振荡基本消失，本文未给出后期的波形。整个重燃过程大约十几微秒。

4.2 断路器操作时多次重燃产生瞬态电场的波形

图8是Y变电站5012断路器合空载变压器时产生的瞬态电场波形。从波形图可以看出断路器合空载变压器时瞬态电场时间很短，约为10ms；振荡最大峰值约为8.5kV/m；没有明显的行波反射产生的暂态过程。图9是X变电站5033断路器合长线操作时产生的瞬态电场波形。从波形中可以看出断路器合空载线路时产生两种瞬态场：合闸初期是在断路器动静触头完全闭合之前电弧重燃产生的瞬态电场占主导；另一种瞬态场是动静触头完全闭合后行波的反射产生的瞬态电场。在断路器动静触头闭合前的瞬态电场中存在一次振荡峰值较大的单次瞬态场，其它重燃的瞬态电场的振荡峰值相对来说很小。当断路器动静触头完全闭合后，由于行波的存在，电场的暂态过程仍然存在，而且还要持续一段时间。图8与图9相比较可以发现：断路器合空载变压器不存在明显行波反射的过渡过程，而断路器合空载线路时将存在明显行波反射的过渡过程；两者单次重燃产生的振荡峰值都不是很大。

E/(kV/m)1062-2-6-10

0 10 20 30 40 50 t/ms

E/(kV/m)8.07.67.26.86.4

0 5 10 15 20 t/µs(b) 断路器合长线时中期瞬态电场波形

图8 Y变电站5012断路器合空载变压器时

产生的瞬态电场

Fig.8 Transient electric field generated by closing thecircuit breaker 5012 for energizing open transformer

E/(kV/m)12840-4-8

0 5 10 15 20 t/ms

图7 断路器给空载长线充电时产生的

单次重燃瞬态电场波形

Fig.7 Single transient electric field generated by closing acircuit breaker for energizing a open transmission line

图9 X变电站5033断路器合玉孝长线时产生的瞬态电场Fig.9 Transient electric field generated by closing the cir-cuit breaker 5033 for energizing open long transmission line

第4期卢斌先等： 500kV变电站开关操作瞬态电场测量与研究137

5 开关操作单次重燃产生的瞬态电场分析

5.1 隔离开关操作单次重燃产生的瞬态电场分析

本节给出了隔离开关和断路器操作产生的瞬态电场的频谱图，并进行了讨论。图10为一隔离开关操作短线时单次重燃产生的瞬态电场的频谱。该次测量的采样率为10Ms/s，采样时间长度为10ms。表1是分析后各次谐波的幅值。从表1可以看出直流分量和基波分量幅值较大，其它成分的幅值较小。大于约500kHz的分量就更小了。

E/(kV/m)97531

后电场谐波分量就更小了。

E/(kV/m)543210

0 20 40 60 80 100

f/kHz

×48.828

图12 断路器操作长线时瞬态电场的频谱图

Fig.12 Spectrum of transient electric field generated by

operating circuit breaker

表2 断路器操作长线时瞬态电场的谐波分量Tab.2 Harmonic magnitude of electric field

谐波成分E/(kV/m)

DC4.73

基波1.15

2次0.48

2次0.43

3次0.30

4次0.29

5次0.12

×9.76

0 20 40 60 80 100

f/kHz

6 开关瞬态电场测量数据的一致性和分散性

6.1 一致性

（1）在隔离开关操作初期，合闸操作重燃次数少于分闸操作重燃次数，合闸操作单次重燃最大瞬态电场峰值大于分闸操作单次重燃最大瞬态电场峰值。这主要是由于合闸初期开关动静触头距离大于分闸初期开关动静触头之间距离。

（2）隔离开关操作合闸和分闸中期并无明显的区别，这主要是由于合闸分闸过程中期隔离开关断口距离相差不多。

（3）随着隔离开关操作对象长度的增加，瞬态电场的峰值在减小。6.2 分散性

由于操作时刻随机性和合分闸角不同，所以在同一开关的同一种操作中（例如合闸操作），不同的次测量绘有不同的重燃次数和最大振荡峰值，重燃的时间间隔也存在差异。6.3 不同测量的比较

本文与文献[10]中的测量数据的比较如表3所示。从表中可以看出本文测的瞬态电场最大值和单次重燃时间都大于文献[10]中的测量值。

表3 与文献[10]的数据比较

Tab.3 Electric field data comparison of disconnectoperation between this paper and the reference [10]

最大幅值kV/m

文献[10]本文

1619

图10 隔离开关操作短线时瞬态电场频谱图

Fig.10 Spectrum of transient electric field generated by

operating disconnect

表1 隔离开关操作短线时瞬态电场的谐波分量Tab.1 Harmonic magnitude of electric field

谐波成分E/(kV/m)

DC8.00

基波5.18

2次0.35

3次0.35

4次0.35

5次0.28

5.2 断路器操作单次重燃产生的瞬态电场分析

图11和图12分别为断路器操作长线时单次重燃产生的瞬态电场的波形图和单次重燃瞬态电场的频谱图。表2给出断路器操作长线产生的瞬态电场的频谱图。该次测量采样率为50MHz，采样时间长度为20ms。从图12和表2中可以看出断路器操作产生的瞬态电场较隔离开关操作短线时产生的瞬态电场的各次谐波幅值要小。在大约大于1.5MHz

0.6×16.650.5E/(kV/m)0.40.30.20.10.0-0.1

×2×10-8

0 400 800 1200 t/s

图11 断路器操作操作长线时单次重燃的

瞬态电场波形图

Fig.11 Single transient electric filed generated byoperating the circuit breaker energizing a transmission line

持续时间µs≤10≤15

波形形状单极单极

主导频率kHz500500

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7 结论

（1）单次重燃时电场的振荡是单极性的。（2）断路器与隔离开关相比，断路器操作产生的瞬态电场时间短，幅值小。

（3）断路器在给长线充电时，除重燃产生的瞬态电场外，还存在明显的行波在长距离线路上反射产生的瞬态电场，因此断路器给长线充电的瞬态过程较投空载变压器时的瞬态电场要长得多。

（4）断路器操作时由于电弧重燃产生的过渡过程大约为工频四分之一周期。

（5）变电站内隔离开关主要是用来对站内空载母线或短线进行操作，随着充放电对象长度的不同，瞬态电场的特征有很大的不同。随着长度的增加，瞬态电场的振荡峰值将下降。

（6）隔离开关操作过程中测得的最大场强约为19kV/m，断路器操作时测得的最大场强约为15kV/m。开关操作产生的瞬态电场受开关类型和操作类型的影响。

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收稿日期：2003-10-27。 作者简介：

卢斌先（1969-），男，硕士，现从事故障分析、故障定位、电力系

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王泽忠（1960-），男，博士，教授，博士生导师，现从事电磁场分

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（责任编辑 韩 蕾）