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摘 要：GIS的发展离不开SF6，以及SF6断路器的发展，由于SF6气体几乎是断路器以及GIS的唯一绝缘和灭弧介质，GIS 的主要部件就是SF6断路器。该气体已经诞生了百余年了，越来越发展的社会使得人们从研究中越来越发现该气体的优异性，并得到了广泛的应用，以此来取代变压器油以及其它的绝缘介质。本文通过对该气体的绝缘组合电器中的隔离开关的电弧放电过程的理论分析，从而指明了它的数学、物理建模过程当中所应当引起重视的一面。
关键词：GIS隔离开关；电弧放电过程；理论分析；绝缘介质；SF6
Summary： the GIS out of SF6， as well as the development of SF6 circuit breakers， SF6 gas is almost breaker only insulating and ARC-quenching medium and GIS， GIS is the main part of SF6 circuit breakers. The gas gave birth to hundreds of years， a growing development community made it more and more from the study found that the gas well， and a wide range of applications， in order to replace the transformer oil， as well as the dielectric. Based on the gas insulated switchgear disconnector theory analysis of arcing process， which indicates its mathematics， physics should bring to the attention of the modeling process.
Keywords： GIS switchgear； arc discharge processes theoretical analysis of dielectric； SF6
引言：
近些年來，我国的高压电网的发展日趋完备，导致SF6气体成为了封闭式的组合电器，由于该组合结构较为紧凑且可靠性很高以及维修周期比较长还有节省空间的特点，已然得到了较为广泛的应用，在当隔离开关在其投切空载短母线时，由于间隙电弧放SF6电会产生特快速暂态过电压，从而严重影响到了电力系统的稳定运行以及相邻电气设备的安全使用。
通过电弧的连续多次放电，在放电过程中产生了阶跃电压波团也就是VETO，GIS隔离开关的电弧放电过程的研究，不逛是对VETO的仿真计算具有很重要的指导作用，且其价值还表现在对于隔离开关的设计、选型和结构的改进等。作为电弧放电来说其主要还是气体放电的一种形式，通过气体击穿从而形成电弧，这个过程是比较复杂的，GIS隔离开关间隙击穿进而电弧放电，也是为什么VETO所产生的原因，也是电弧放电过程影响VETO波形的重要因素，然而还有一些理论没有完全同意，所以关于GIS隔离看开关电弧放电的研究还是处在一个不断发展的道路当中。
1.关于GIS的初探
所谓GIS值的就是气体绝缘组合电器，由于它在变电站中的优点，使得GIS得到了非常广泛的应用。但是又由于GIS中隔离开关的灭弧性能比较差，使得分合闸的速度就降低了，在切合容性小电流时开关的两个触头间会发生预击穿和多次重燃，行波通过隔离开关形成上升沿很陆的冲击波。加上GIS各部件的波阻抗不相同，这一冲击波在GIS各部件之间来回折反射，形成快速暂态过电压（Very Fast Transient Over-voltage），简称 为VFTO。VFTO同别的过电压相比较的话，它的特点是：①上升的时间比较短，且GIS将SF6作为了介质，该介质是空气强度的三倍，而灭弧性能更是后者的百倍，并且绝缘耐受力很强。②高频的成分比较大。导致VFTO的频带比较宽，从而使得行波在各个段短母线之间进行来回的反射。
且在当GIS隔离开关击穿的时候触头之间会有电弧的产生，更是由于SF6中电弧受电场、磁场的相互作用，使得它的变化涉及到很多化学以及物理的反应过程，导致研究难度加大。大部分的电弧模型主要还是用在断路器当中的吹电弧，然而虽然这样的理论模型比较有名，然而还是偏复杂的，由于其运算量大以及物理量牵扯的比较多事的其测算结果的误差很大。
2.关于GIS隔离开关的电弧放电过程的具体分析
隔离开关的电弧放电过程同许多因素相关联，主要体现为确定因素以及非确定因素这样两大类。确定的因素有：开关线路的电压等级，开关的型式结构，最大间隙击穿电压等；不确定因素有：重复击穿的次数、击穿时刻和熄弧时刻，电弧电流大小及其持续时间，电弧电阻在不同阶段的取值等等。数学建模与仿真已然成为了研究电弧放电的重要工具。我们都知道电弧是一个非常复杂的物理以及化学的动态过程。当前在对GIS隔离开关电弧放电的研究当中，大多是针对临界击穿电压的测算进行的，然而对于开关间隙击穿的过程甚少。击穿过程也就是指电弧的形成的过程，根据气体击穿理论的流柱理论，开关开断过程中，击穿总是由介质最为薄弱的那点引起的，然后贯穿动静触头之间，从而形成连贯的放电通道，从而导致间隙击穿产生电弧。气体的击穿过程对于后续电弧的发展变化过程以及VETO的陡度具有决定性的意义。目前在描述开关间隙“击穿过程”的电弧弧模型的研究方面，比较有代表性有指数衰减模型、双曲线模型、Toeple二击穿模型等。实际上，由于仿真中隔离开关模型的选择较为简卑，得到的仿真波形不够准确，加上VFTO测量的困难，使得测量与仿真结果不能进行证实，具体表现在VFTO幅值、主要频率、各频率分量大小还有就是试验条件影响规律上。譬如，在仿真计算中，目前的隔离开关模型未能反映隔离开关触头结构、行程特性、熄弧特性等因素对VFTO的影响。在缺少隔离开关击穿特性、电弧电阻特性及熄弧规律试验依据的情况下，对隔离开关分/合闸全过程进行准确仿真是比较困难的。再次击穿的仿真无法印证隔离开关分/合闸全过程的VFTO波形及前一次击穿的残余电荷对后一次击穿的击穿电压所产生的影响。
除此之外，电弧的熄弧过程也是影响VETO特性的一个非常重要的因素。对于电弧的熄灭当前存在两种理论，也就是弧隙介质强度恢复理论以及弧隙能量平衡的理论。前者认为电弧放电是由于收到外加电场将间隙击穿的结果导致的，电弧的熄弧条件为电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时刻始终高于弧隙上的恢复电压。后者认为电弧放电并不是电流过零后简单的电压击穿，而是电路及弧隙之间能量平衡的性质。所以说，电弧的熄灭条件为弧隙的输入能量小于弧隙的散出能量。从252kV GIS的试验中采集了大量的电流波形，通过电流的波形图我们可以看出，在高频成分过零以后，电流的振荡趋势并没有发生变化，而是一直持续着下去，直到它的振荡幅值不断地减小，甚至渐渐趋向于零。这足以说明隔离开关电弧并不是高频过零而发生熄弧，而是由于幅值趋于零才熄弧，从而也进一步验证了弧隙的能量平衡理论中的熄弧规律。
3.总结语
我们知道，GIS 将多种多高压元件既组合又封闭，不仅利用了优异的 SF6，大大节省了变电站面积，而且还带来巨大的综合效益，而且伴随着电气体作为灭弧以及绝缘介质压升高，这种综合效益必定会更加现象出来。而我们本文主要分析的就是SF6气体绝缘组合电器中隔离开关电弧放电的整个过程，对当前隔离开关物理数学模型中所存在的问题进行了具体的剖析，并通过此来指出了今后研究过程中应当注意的问题以及具体的研究方向。
参考文献
[1] 刘振亚特高压交流输电技术研究成果专辑2010年 [M].北京：中国电力出版社，2011.
[2] 陈维江，颜湘莲，王绍武，等气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压研究的新进展川中国电机工程学报，2011，31（31）：1-11.
[3] 郑记玲252kV GIS中隔离开关电弧模型的研究[D].北京：华北电力大学，，2012.
[4] 孟涛，林莘，徐建源.分段电弧模型下VFTO的计算与分析.电工技术学报，2010， 25（9）.
作者简介：邱林攀，1976—，男，广东东莞人，本科生，助理工程师，高级技师，从事变电检修专业的研究。
关键词：GIS隔离开关；电弧放电过程；理论分析；绝缘介质；SF6
Summary： the GIS out of SF6， as well as the development of SF6 circuit breakers， SF6 gas is almost breaker only insulating and ARC-quenching medium and GIS， GIS is the main part of SF6 circuit breakers. The gas gave birth to hundreds of years， a growing development community made it more and more from the study found that the gas well， and a wide range of applications， in order to replace the transformer oil， as well as the dielectric. Based on the gas insulated switchgear disconnector theory analysis of arcing process， which indicates its mathematics， physics should bring to the attention of the modeling process.
Keywords： GIS switchgear； arc discharge processes theoretical analysis of dielectric； SF6
引言：
近些年來，我国的高压电网的发展日趋完备，导致SF6气体成为了封闭式的组合电器，由于该组合结构较为紧凑且可靠性很高以及维修周期比较长还有节省空间的特点，已然得到了较为广泛的应用，在当隔离开关在其投切空载短母线时，由于间隙电弧放SF6电会产生特快速暂态过电压，从而严重影响到了电力系统的稳定运行以及相邻电气设备的安全使用。
通过电弧的连续多次放电，在放电过程中产生了阶跃电压波团也就是VETO，GIS隔离开关的电弧放电过程的研究，不逛是对VETO的仿真计算具有很重要的指导作用，且其价值还表现在对于隔离开关的设计、选型和结构的改进等。作为电弧放电来说其主要还是气体放电的一种形式，通过气体击穿从而形成电弧，这个过程是比较复杂的，GIS隔离开关间隙击穿进而电弧放电，也是为什么VETO所产生的原因，也是电弧放电过程影响VETO波形的重要因素，然而还有一些理论没有完全同意，所以关于GIS隔离看开关电弧放电的研究还是处在一个不断发展的道路当中。
1.关于GIS的初探
所谓GIS值的就是气体绝缘组合电器，由于它在变电站中的优点，使得GIS得到了非常广泛的应用。但是又由于GIS中隔离开关的灭弧性能比较差，使得分合闸的速度就降低了，在切合容性小电流时开关的两个触头间会发生预击穿和多次重燃，行波通过隔离开关形成上升沿很陆的冲击波。加上GIS各部件的波阻抗不相同，这一冲击波在GIS各部件之间来回折反射，形成快速暂态过电压（Very Fast Transient Over-voltage），简称 为VFTO。VFTO同别的过电压相比较的话，它的特点是：①上升的时间比较短，且GIS将SF6作为了介质，该介质是空气强度的三倍，而灭弧性能更是后者的百倍，并且绝缘耐受力很强。②高频的成分比较大。导致VFTO的频带比较宽，从而使得行波在各个段短母线之间进行来回的反射。
且在当GIS隔离开关击穿的时候触头之间会有电弧的产生，更是由于SF6中电弧受电场、磁场的相互作用，使得它的变化涉及到很多化学以及物理的反应过程，导致研究难度加大。大部分的电弧模型主要还是用在断路器当中的吹电弧，然而虽然这样的理论模型比较有名，然而还是偏复杂的，由于其运算量大以及物理量牵扯的比较多事的其测算结果的误差很大。
2.关于GIS隔离开关的电弧放电过程的具体分析
隔离开关的电弧放电过程同许多因素相关联，主要体现为确定因素以及非确定因素这样两大类。确定的因素有：开关线路的电压等级，开关的型式结构，最大间隙击穿电压等；不确定因素有：重复击穿的次数、击穿时刻和熄弧时刻，电弧电流大小及其持续时间，电弧电阻在不同阶段的取值等等。数学建模与仿真已然成为了研究电弧放电的重要工具。我们都知道电弧是一个非常复杂的物理以及化学的动态过程。当前在对GIS隔离开关电弧放电的研究当中，大多是针对临界击穿电压的测算进行的，然而对于开关间隙击穿的过程甚少。击穿过程也就是指电弧的形成的过程，根据气体击穿理论的流柱理论，开关开断过程中，击穿总是由介质最为薄弱的那点引起的，然后贯穿动静触头之间，从而形成连贯的放电通道，从而导致间隙击穿产生电弧。气体的击穿过程对于后续电弧的发展变化过程以及VETO的陡度具有决定性的意义。目前在描述开关间隙“击穿过程”的电弧弧模型的研究方面，比较有代表性有指数衰减模型、双曲线模型、Toeple二击穿模型等。实际上，由于仿真中隔离开关模型的选择较为简卑，得到的仿真波形不够准确，加上VFTO测量的困难，使得测量与仿真结果不能进行证实，具体表现在VFTO幅值、主要频率、各频率分量大小还有就是试验条件影响规律上。譬如，在仿真计算中，目前的隔离开关模型未能反映隔离开关触头结构、行程特性、熄弧特性等因素对VFTO的影响。在缺少隔离开关击穿特性、电弧电阻特性及熄弧规律试验依据的情况下，对隔离开关分/合闸全过程进行准确仿真是比较困难的。再次击穿的仿真无法印证隔离开关分/合闸全过程的VFTO波形及前一次击穿的残余电荷对后一次击穿的击穿电压所产生的影响。
除此之外，电弧的熄弧过程也是影响VETO特性的一个非常重要的因素。对于电弧的熄灭当前存在两种理论，也就是弧隙介质强度恢复理论以及弧隙能量平衡的理论。前者认为电弧放电是由于收到外加电场将间隙击穿的结果导致的，电弧的熄弧条件为电流过零后，弧隙介质恢复强度在任何时刻始终高于弧隙上的恢复电压。后者认为电弧放电并不是电流过零后简单的电压击穿，而是电路及弧隙之间能量平衡的性质。所以说，电弧的熄灭条件为弧隙的输入能量小于弧隙的散出能量。从252kV GIS的试验中采集了大量的电流波形，通过电流的波形图我们可以看出，在高频成分过零以后，电流的振荡趋势并没有发生变化，而是一直持续着下去，直到它的振荡幅值不断地减小，甚至渐渐趋向于零。这足以说明隔离开关电弧并不是高频过零而发生熄弧，而是由于幅值趋于零才熄弧，从而也进一步验证了弧隙的能量平衡理论中的熄弧规律。
3.总结语
我们知道，GIS 将多种多高压元件既组合又封闭，不仅利用了优异的 SF6，大大节省了变电站面积，而且还带来巨大的综合效益，而且伴随着电气体作为灭弧以及绝缘介质压升高，这种综合效益必定会更加现象出来。而我们本文主要分析的就是SF6气体绝缘组合电器中隔离开关电弧放电的整个过程，对当前隔离开关物理数学模型中所存在的问题进行了具体的剖析，并通过此来指出了今后研究过程中应当注意的问题以及具体的研究方向。
参考文献
[1] 刘振亚特高压交流输电技术研究成果专辑2010年 [M].北京：中国电力出版社，2011.
[2] 陈维江，颜湘莲，王绍武，等气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压研究的新进展川中国电机工程学报，2011，31（31）：1-11.
[3] 郑记玲252kV GIS中隔离开关电弧模型的研究[D].北京：华北电力大学，，2012.
[4] 孟涛，林莘，徐建源.分段电弧模型下VFTO的计算与分析.电工技术学报，2010， 25（9）.
作者简介：邱林攀，1976—，男，广东东莞人，本科生，助理工程师，高级技师，从事变电检修专业的研究。