7.7 限制和防护措施
7.7.1 合理安排断路器和隔离开关的操作顺序
在投切主变时，假设先断开1000kV侧的断路器以及每个断路器两端的隔离开关，再断开500kV侧的断路器以及每个断路器两端的隔离开关，则在断开1000kV侧断路器两端的隔离开关时，操作每个隔离开关均可能产生VFTO。根据特高压GIS变电站的系统结构，可合理安排断路器和隔离开关的操作顺序，以消除主变压器操作时产生VFTO的可能性。1000kV主变压器高、低压侧附近的GIS接线如图7-17所示，在切除变压器时，先将断路器H02、H03、L02、L03断开，使变压器处于不带电状态，由于变压器中性点直接接地，可使与变压器相连的GIS管道和隔离开关（图中H022、H031、L022、L03）通过变压器绕组迅速泄放电荷，再进行隔离开关操作时就不会产生VFTO。通过仿真分析得出，变压器在切除系统电压后，与之相连的隔离开关上的残余电压在0.1s内足以降至0.3p.u．以下，而通常断开断路器后需经几秒至十几秒时间确认断路器确在断开位置，之后才能拉开隔离开关，这时隔离开关上的残余电压已经很小，不可能产生重燃和VFTO。投入主变时，由于主变已经长时间处于不带电状态，并且断路器H02、H03、L02和L03已长时间处于断开状态，隔离开关H022、H031、L022和L031拉开时两侧均不会有较大的电压差，合上这些隔离开关时不会产生VFTO。
图7-171000kV主变高、低压两侧GIS接线
可见，采用以上投切主变的操作顺序，不仅能够有效消除GIS变电站中主变操作产生的VFTO，保护主变和GIS主绝缘免受VFTO危害，而且该措施无需加装过多防护设备，具有较高的安全可靠性和良好的经济技术性。
7.7.2 发电厂安装发电机出口断路器
据调研结果，早期在发电厂多采用发电机-变压器单元接线，发电机出口并不装设发电机出口断路器（GCB）。随着国际高压设备开发研制技术的发展与提高，目前适用于1000MW以下发电机组的GCB已有多家厂商研制成功，具有很高的额定电流、开断能力以及优越的开断性能，运行稳定，安全可靠。如ABB、GEC-Alsthom、西门子、三菱、日立等几家知名大公司均有能力生产。其中以ABB、GEC-Alsthom历史最为悠久，研发能力最强，在世界各地的市场占有率较高。
加装GCB并合理安排断路器和隔离开关的操作顺序，可以消除对发电厂主变操作时产生VFTO的可能性，其原理如图7-18所示。在切除变压器时，先将断路器102、103和GCB断开，使变压器处于不带电状态，由于变压器中性点直接接地，可使与变压器相连的GIS管道和隔离开关（图中1022、1031）通过变压器绕组迅速泄放电荷，再进行隔离开关操作时就不会产生VFTO。投入主变时，由于主变已经长时间处于不带电状态，并且断路器102和103已长时间处于断开状态，隔离开关1022和1031拉开时两侧均不会有较大的电压差，合上这些隔离开关时不会产生VFTO。
图7-18500kV发电厂主变高、低压两侧接线
除此之外，发电机出口GCB还具有以下优点：保护发电机、主变及厂变，减少故障损失；可避免机组在正常启动、停机及事故停机时高压厂用工作电源与启备电源之间的切换；简化继电保护接线，缩短故障恢复时间，提高机组可用率；方便试验调试。
GCB不仅在技术上有优越性，从经济上考虑，对于国内1000MW以下火力发电机组出口装设断路器方案，虽然电厂一期投资增大，但年运行费用可以大大降低，电厂可在降低年运行费用的基础上，在2～3年内就可收回装设GCB的一次投资，其总体经济性效益明显。另外采用GCB，电厂二期扩建时不再增设备用变，因此二期建设时的经济效益也会更加显著。
目前全世界有超过50%的核电厂和超过20%的火电厂采用了GCB。中国2000年版的《火力发电厂设计技术规程》修订：技术经济合理时，容量为600MW机组的发电机出口可装设断路器或负荷开关。目前国内电厂采用GCB的电厂主要有天津蓟县、辽宁绥中、伊敏电厂、沙角C电厂（3*600MW）、上海外高桥电厂（2*900MW）、天津盘山（2*600MW）、葛洲坝水电厂、二滩水电厂、李家峡、天生桥等工程。且当前在设计和建设中的600MW及以上发电机组不少采用了GCB方案。由此可见，中国对大型发电机组GCB的设置逐渐改变着观点，GCB在大型机组上已经得到越来越广泛的应用。利用GCB分闸使变电站主变处于空载状态，能够很好地消除检修主变操作时产生的VFTO。
综上所述，大型发电厂发电机组加装GCB后，能够利用分闸GCB使发电厂主变与发电机电源隔离，有效消除发电厂中检修主变时产生的VFTO，保护发电厂主变免受投切主变时产生的VFTO的危害，并且不需要改变变电站检修主变时的常规操作，提高了设备和系统运行的安全可靠性。
7.7.3 隔离开关加装并联电阻
目前在抑制VFTO危害的各种措施中，隔离开关加装并联电阻的效果最为明显，技术较为成熟，并已在实际中得到了广泛应用。鉴于1000kV变电站的安全稳定性要求极高，不允许主绝缘或二次设备因VFTO而出现故障，而其GIS设备主绝缘裕度又相对较小、系统电压基值大，容易在主绝缘和二次设备方面出现问题，建议特高压GIS变电站的隔离开关加装并联电阻以防止VFTO的危害。同时，1000kV GIS隔离开关尺寸较大，加装并联电阻在技术上相对于500kV的隔离开关更容易实现。
装有并联电阻的隔离开关其内部结构如图7-19所示，其动作过程与加装分、合闸电阻的普通断路器类似。隔离开关断开时，动触头和静触头首先分离，负荷侧的残余电荷通过并联电阻、弧形电极和电弧向系统侧泄放，起到缓冲作用后电弧熄灭使隔离开关彻底断开；闭合时，系统先通过电弧、弧形电极和并联电阻向负荷侧充电，起到缓冲作用后动触头与静触头接合，隔离开关闭合。隔离开关加装并联电阻，一方面可以使负荷侧的残余电荷通过并联电阻向电源释放，减少隔离开关发生重燃的几率，另一方面在隔离开关发生重燃时可以起到阻尼作用，吸收VFTO的能量，减小过电压的幅值。电阻值可在300Ω～600Ω之间取值，即可有效抑制各节点的VFTO幅值，降低振荡频率，阻尼高频分量，降低其陡度，对VFTO有十分明显的限制作用。
图7-19 带并联电阻的隔离开关内部结构和动作示意图
7.7.4 铁氧体磁环
铁氧体是一种非线性的高频导磁材料，将铁氧体磁环如图7-20所示套在GIS导体杆上或主变端口，可吸收隔离开关重燃时的暂态能量，达到抑制VFTO的目的。
图7-20 铁氧体磁环应用示意图
套在导体杆上的铁氧体磁环可简化为串接于导体杆中的一组并联的非线性电感Ld和非线性电阻Rd，如图7-21 所示。铁氧体磁环在低频和高频工作条件下显示出不同的铁磁特性，在低频时主要呈电感特性，Rd被短路，磁环损耗很小；在高频情况下，磁环主要呈电阻特性，电流大部分从Rd中流过，高频能量转化为热能，从而起到抑制过电压的作用。
图7-21 套在导体杆上的铁氧体磁环等值电路
7.7.5 架空线
变压器经架空线与GIS线路连接，相当于在变压器前的GIS母线中间插接一段架空线，由于架空线的波阻抗大于GIS线路的波阻抗，VFTO行波将在架空线和GIS线路的交界点产生多次折反射。传播到变压器入口的电压波是各次折射波的叠加量，将呈现逐次增大的波形特征，从而拉平了主变入口处VFTO波前陡度。架空线长度越长，对降低主变入口处的波前陡度越有利。
根据本章后节的研究结果，对于超高压发电厂或变电站，当GIS套管出口与主变之间的架空线长度不小于15 m时，即可保证将入侵主变的VFTO波前陡度降至限制水平以下，且有10 %左右的裕度；对于特高压发电厂或变电站，只要该段架空线长度不小于25m，即可达到同样的效果。因此，利用架空线可以有效地限制入侵主变的VFTO波前陡度，且并不需要占用太大空间。对于火力发电厂和变电站，架设架空线是一种很好的限制措施。而对于水电厂与抽水蓄能电厂，虽然其场地比较紧张，但是架设15m或25m的架空线并不会占用太大的面积，因此，对于这两类电厂也有可能采取该措施来限制VFTO。
7.7.6 其他措施
除了以上限制VFTO的方法外，部分文献提出采用主变入口前加装并联电容器以及串联阻波器的措施来限制入侵主变的VFTO[16]。
主变入口处加装并联电容能够有效地限制入侵主变的VFTO波前陡度，同时滤除高频分量，但是采取加装并联电容器的措施存在故障率高以及所需容量大等问题。主变入口串联阻波器后，可能会与主变入口的等效电容产生串联谐振，使主变高压侧的VFTO幅值升高，同时其降低入侵主变波前陡度的效果不如在主变入口加装并联电容器的措施。
因此，这两种限制措施对VFTO限制的有效性值得进一步评估，目前它们很少在实践中得到应用。