The insulation performance of gas insulated switchgear (GIS) against lightning surges is verified by applying a lightning impulse (LI) voltage alone. However, the surge voltage generated in an actual system is superimposed over the ac operating voltage to form a waveform that differs from the LI voltage waveform. For UHV- and 500 kV-class GIS in particular, where the ratio of ac operating voltage to the LI withstand voltage is high, the insulation characteristics for this LI and ac superimposed voltage are important factors to study the insulation design. Accordingly, this paper researched the insulation characteristics for the superimposed voltage of element models simulating the SF6 gas gap, creepage surface of the insulating spacer and inside of the insulating spacer, all of which are the main insulating parts of GIS. The ac component ratio of the superimposed voltage ranged from 30 to 70% of that of breakdown (BD) voltage when ac voltage was applied alone to each model, wherein conditions for superimposed phase or similar served as parameters. Subsequently, these results were evaluated from perspectives of an insulation coordination and GIS insulation test. As a result, the BD voltage showed results almost equivalent to those obtained in the case where the LI voltage was applied alone; even when the ac component of superimposed voltage was varied at three different insulation parts. Accordingly, within the 30 to 70% range of superimposed ac voltages, it emerged that the BD voltage was almost determined by the peak value of the applied voltage and was unaffected by the ac component. When comparing with GIS test voltages in the 66 kV to UHV-class, this range of 30 to 70% covers all the ratios of power-frequency and LI test voltages for operating voltages in an actual system. Consequently, the LI voltage test was considered adequate to verify the insulation performance of GIS against surge overvoltage generated during operation whereas superimposition of ac voltag- need not be considered. These results are meaningful findings for rationalizing GIS while maintaining its insulation reliability

چکیده

رفتار عایقی ادوات سوئیچینگ ایزوله-گازی (GIS) در برابر امواج آذرخش تنها با اعمال یک ولتاژ ضربه آذرخش (LI) مورد بررسی قرار گرفته است. هرچند، ولتاژ ضربه ای که در یک سیستم واقعی تولید می­شود با سوار شدن بر روی ولتاژ کاری ac، شکل موجی را تشکیل می­دهد که متفاوت از شکل موج LI است. به طور خاص، برای UHV و کلاس 500 کیلو ولت GIS، که در آن نرخ ولتاژ کاری ac به ولتاژ تحمل LI زیاد است، خصوصیات عایقی برای این ولتاژ اضافه شده LI و ac عوامل مهمی هستند که برای طراحی عایق باید مورد مطالعه قرار بگیرند. بر این اساس، این مقاله خصوصیات عایقی را برای ولتاژ اضافه شده­ی عناصر مدل مورد بررسی و تحقیق قرار داده است که این امر با شبیه سازی گاف گازی SF₆ ، سطح خزشی اسپیسر عایق کننده و داخل اسپیسر عایق کننده، که همه­ی آن ها قسمت­های عایق کننده­ی اصلی GIS هستند، میسر شده است. با اعمال تنها ولتاژ ac به هر مدل، نرخ مولفه­ی ac ولتاژ اضافه شده از 30 تا 70 درصد ولتاژ شکست (BD) تغییر یافته است،  که در آن شرایط فاز اضافه شده یا موارد مشابه آن به عنوان پارامتر در نظر گرفته شده­اند. متعاقبا، این نتایج از جنبه یک مختصات عایقی و تست عایق کنندگی GIS ارزیابی شدند. در نتیجه، ولتاژ BD نتایجی را نشان می­دهد که تقریبا با نتایج بدست آمده از حالتی که تنها  ولتاژ LI اعمال شده بود، برابر­اند؛ این حالت حتی زمانی که مولفه­ی ac ولتاژ اضافه شده در سه قسمت مختلف عایق کننده تغییر یافت، صادق بود. بر این اساس، بین 30 تا 70 درصد گستره ولتاژ اضافه شده ac، استنباط شد که ولتاژ BD بر اساس مقدار حداکثری ولتاژ اعمالی بدست می­آید و به مولفه ac بستگی ندارد. هنگام مقایسه تست ولتاژ GIS در 66 کیلو ولت با کلاس UHV، این گستره 30 تا 70 درصدی تمام نرخ­های توان-فرکانسی و ولتاژهای تست LI را برای ولتاژ­هایی که در یک سیستم واقعی هستند، پوشش می­دهد. در نتیجه، تست ولتاژ LI برای تصدیق رفتار عایقی GIS در برابر ضربه اضافه ولتاژی که طی کارکرد تولید شده است، کافی در نظر گرفته شد و این در حالی است که نیازی نیست تا ولتاژ ac اضافه شده در نظر گرفته شود. این نتایج یافته­های معنا­داری برای تفسیر GIS زمانی که عایق کنندگی آن همچنان حفظ شده است، می­باشند.

1-مقدمه

رفتار عایقی ادوات سوئیچینگ ایزوله-گازی (GIS) توسط تست ولتاژ ضریه آذرخش (LI) و تست ولتاژ توان-فرکانس (که از این به بعد تحت عنوان تست ac نام برده خواهد شد) تصدیق شده است (1 و 2). تست LI به طور کلی ضربه اضافه ولتاژ را تصدیق می­کند، در حالی که تست ولتاژ ac معمول کاری و اضافه ولتاژ موقت حین عملکرد را تصدیق می­نماید (3-5). این تست­ها تنها با اعمال شکل­موج ولتاژ مربوطه انجام می­پذیرند. از سوی دیگر، ضربه ولتاژ تولید شده در یک سیستم واقعی بر روی ولتاژ ac کاری سوار شده و شکل­موجی متفاوت از شکل­موج ولتاژ LI تشکیل می­دهد. از این رو، خصوصیات رفتاری GIS برای ولتاژ تحت شرایط ترکیبی با ولتاژ اضافه شده LI بر روی ولتاژ ac (از این به بعد "ولتاژ اضافه شده" نامیده خواهد شد ) عوامل مهمی برای مطالعه طراحی عایق هستند. خصوصا برای UHV و GIS کلاس 500 کیلو ولت، با نرخ زیاد ولتاژ ac کاری به ولتاژ تحمل ضربه آذرخش (LIWV) (1 و 2)، این نکته بسیار حائز اهمیت است که خصوصیات عایقی مربوط به این اختلاف در شکل موج را روشن نماییم و هرجایی که خصوصیات عایقی نسبت به حضور ولتاژ ac تغییر می­کند، تاثیر ولتاژ ac باید در تست LI لحاظ گردد...