类型a：学术研究报告
本文档为IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems于1982年10月发表的原创研究论文，题为《Disconnect Switch Induced Transients and Trapped Charge in Gas-Insulated Substations》，作者包括S.A. Boggs、F.Y. Chu、N. Fujimoto（来自加拿大安大略水电研究所）以及A. Krenicky、A. Plessl、D. Schlicht（来自瑞士Brown, Boveri and Co.）。
学术背景
气体绝缘变电站（Gas-Insulated Substation, GIS）因其紧凑性和高可靠性在电力系统中广泛应用，但隔离开关（Disconnect Switch, DS）操作时产生的瞬态过电压（transients）和残余电荷（trapped charge）问题长期未得到充分研究。早期研究多基于理论计算，假设残余电荷为1 pu（标幺值），但缺乏实际测量验证。本研究通过现场测试和理论分析，探究了500 kV GIS中隔离开关操作引发的瞬态现象及其对设备可靠性的影响，旨在优化开关设计并降低故障风险。
研究流程
现场测试与数据采集
- 研究对象：500 kV GIS中的隔离开关操作过程。
- 测量方法：采用电容式分压器（capacitive voltage divider）直接测量瞬态电压和残余电荷，采样带宽达100 MHz，时间分辨率达10 ns。
- 关键参数：记录了开关操作时的电弧时间（arcing time）、击穿电压（breakdown voltage）及残余电荷水平。
残余电荷分析
- 实验设计：通过蒙特卡洛模拟（Monte Carlo simulation）分析开关接触几何不对称性（asymmetry）对残余电荷的影响。
- 发现：当击穿电压不对称性≥15%时，残余电荷可控制在0.3 pu以下（图4-5）。这一结果与现场实测数据（0.1–0.2 pu）一致。
瞬态过电压机制研究
- 物理模型：基于Toepler火花定律（Toepler spark law）和电磁暂态程序（EMTP），模拟了开关间隙击穿时行波（travelling waves）的生成与传播。
- 关键结论：瞬态幅值主要取决于残余电荷和GIS结构，最大过电压不超过2 pu（图6-9）。
接地故障风险验证
- 实验验证：通过高压测试平台（图12）复现开关操作场景，统计低概率击穿事件。
- 发现：故障多发生于高电压等级GIS，与瞬态叠加或场强畸变有关（图11）。
主要结果
- 残余电荷控制：开关接触几何设计可显著降低残余电荷至0.3 pu以下，减少后续操作中的过电压风险。
- 瞬态特性：实测瞬态幅值≤2 pu，上升时间15–20 ns，频率1–10 MHz，主要由行波反射叠加导致（图8-9）。
- 故障机制：开关电弧导致的场强瞬时变化（图11）可能引发低概率接地故障，需通过统计测试优化设计。
结论与价值
本研究首次通过实测数据验证了GIS隔离开关操作的瞬态特性，推翻了“残余电荷恒为1 pu”的假设，并提出通过接触几何优化控制残余电荷的方法。其科学价值在于揭示了瞬态过电压的物理机制，工程价值则为GIS可靠性设计提供了依据：
- 设计优化：建议采用不对称接触结构以减少残余电荷。
- 测试标准：需针对低概率故障开展长期统计测试（如60秒连续燃弧试验）。
研究亮点
- 创新方法：结合高带宽测量与蒙特卡洛模拟，量化了残余电荷的统计分布。
- 工程指导：明确了开关操作速度（0.1 m/s为优）与瞬态幅值的权衡关系。
- 故障预防：揭示了场强畸变导致故障的机制，为制造商改进屏蔽设计提供方向。
其他价值
论文还讨论了SF₆气体中火花通道的物理特性（式1-4），为后续研究压缩气体击穿机理提供了理论基础。