GIS隔離開關(guān)操作引起內(nèi)外暫態(tài)現(xiàn)象之間關(guān)聯(lián)性研究.docx

1、GIS晦離開關(guān)搽作祈超的外智態(tài)觀彖之間關(guān)聯(lián)崔M宛陳宇，周臘吾,楊彬佑，王輝,李飛龍(長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南長沙410000)摘要：為探究因隔離開關(guān)操作引起GIS內(nèi)外暫態(tài)回慕產(chǎn)生電磁哲態(tài)現(xiàn)象之間存在的關(guān)聯(lián)性，以126kVGISf電站為研究對象.在等效建模分析GIS變電站回路和運用Mayr模型等效隔離開關(guān)的基礎(chǔ)上，采用變比為1:1理想變壓器建立126kVGIS內(nèi)外暫態(tài)仿真計算回路，分析VFTO.VFTC和TEV的電段暫態(tài)特性及相互之間的關(guān)聯(lián)性存在差異的主要原因。結(jié)果表明GIS內(nèi)部產(chǎn)生的VFTO和VFTC暫態(tài)特征基本相同.說明了GIS中隅離開關(guān)操作引起暫態(tài)現(xiàn)象的主要時間基本一致。GIS

2、中VFTO.VFTC和TEV振蕩發(fā)生最為強(qiáng)烈處，均在暫態(tài)產(chǎn)生的初始時刻，說明了一旦暫態(tài)現(xiàn)象產(chǎn)生，暫態(tài)現(xiàn)象在初始時刻最為強(qiáng)烈。關(guān)鍵詞：體絕緣開美設(shè)備；仿真回路；特快速暫態(tài)過電壓；特快速暫態(tài)過電流；禿體電位升高中圖分類號:TM56文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:2096-4145(2018)08-0060-07CorrelationBetweenInternalandExternalTransientPhenomenaResultedFromDisconnectorOperationinGISCHENYu,ZHOULawu,YANGBinyou,WANGHui,LIFeilong(SchoolofElec

3、tricalandInfonnationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410000,China)Abstract：InordertoexploretheelectromagnetictransientphenomenarelationinGISbytheswitchoperationisolated,taking!26kVGISsubstationasresearchobject,basedontheequivalentmodelinganalysisGISsubstationcircuitanduse

4、Mayrmodelonthebasisofequivalentisolatingswitch,thetransientcalculationcircuitofidealtransformerwiththevariableratioof1:1isestablishedinsideandoutsideof126kVGISsubstation.TheelectromagnetictransientcharacteristicsofVFTO,VFTCandTEV,thecorrelationIxHwcenthem,themainreasonsforthecorrelationandthemainrea

5、sonsforthedifferencesareanalyzed.TheresultsshowthatthetransientcharacteristicsofVFTOandVFTCinCISarebasicallythesame,whichindicatesthatthemaintimeoftheisolationswitchoperationinGISisbasicallythesame.InGIS,themostpowerfuloscillationsinVFTO,VFTCandTEVoccurattheinitialmomentoftransientoccurrence,indicat

6、ingthatthetransientphenomenonismostintenseoncethetransientphenomenonoccurs.Keywords:gasinsulatedsubstation:simulationloop;veryfasttransientover-voltage;veryfasttransientover-current;increasedshellpotential0引言近年來，氣體絕緣組合器(GasInsulatedSubstation,GIS)中隔離開關(guān)操作時，動靜觸頭之間由于存在SF6氣體放電現(xiàn)象產(chǎn)生電弧引起特快速暫態(tài)過程得到廣泛關(guān)注。特快速暫態(tài)

7、中暫態(tài)過電壓和過電流的產(chǎn)生，一方面會破壞GIS設(shè)備絕緣，另基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51577014)ProjectsupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina(51577014)一方面暫態(tài)過電壓波的相互疊加使GIS周圍空間產(chǎn)生的暫態(tài)電磁場(TransverseElectromagnetic,TEM)和電磁十?dāng)_(Electromagneticinterference,EMI)對與GIS相連的設(shè)備(如電子式互感器、變壓器)造成不良的影響，嚴(yán)重的可能造成GIS不能正常運行同時,GIS中產(chǎn)生的內(nèi)外暫態(tài)過電壓之間具有一定的關(guān)聯(lián)性，其中

8、GIS外部暫態(tài)現(xiàn)象主要因G1S內(nèi)部的暫態(tài)過電壓耦合到GIS外部產(chǎn)生，GIS內(nèi)部暫態(tài)現(xiàn)象產(chǎn)生的根源主要是GIS氣室內(nèi)SF6氣體的多次放電引起(7。目前國內(nèi)外學(xué)者對GIS中開關(guān)電磁暫態(tài)現(xiàn)象研究多集中于特快速暫態(tài)過電壓(VeryFastTransientOver-voltage,VFTO)的研究"頊,缺少對隔離開關(guān)操作引起GIS內(nèi)外暫態(tài)回路產(chǎn)生電磁暫態(tài)現(xiàn)象之間關(guān)聯(lián)性的研究。為了探究GIS中內(nèi)外暫態(tài)現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)性,本文以126kVG1S變電站為研究對象。通過模擬等效GIS內(nèi)外暫態(tài)回路及運用Mayr電弧模型模擬等效隔離開關(guān)操作過程中SF6氣體的放電過程中導(dǎo)電通道的波阻抗變化趨勢，建立采用變比

9、為1:1的理想變壓器的GIS內(nèi)外暫態(tài)仿真回路，計算GIS內(nèi)部的特快速暫態(tài)過電壓和特快速暫態(tài)過電流(VeryFastTransientCurrent,VFTC)0在計算內(nèi)部暫態(tài)過電壓的基礎(chǔ)上，計算GIS外殼暫態(tài)殼體地電位升高(TransientEnclosureVoltage,TEV)o在計算得到GIS內(nèi)外特快速暫態(tài)過電壓和過電流的前提下，分析了GIS內(nèi)外暫態(tài)現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)性特征,及發(fā)生第一次擊穿時GIS內(nèi)外暫態(tài)現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)性和存在差異主要原因，對VFTO,VFTC和TEV的電磁暫態(tài)特性關(guān)聯(lián)性的研究具有指導(dǎo)意義。1GIS中暫態(tài)仿真回路建立1.1GIS中暫態(tài)現(xiàn)象分析由于GIS占地面積小,GIS隔

10、離開關(guān)操作過程中，在動靜觸頭之間發(fā)生的多次間隙擊穿放電和SF6氣體放電會產(chǎn)生特快速暫態(tài)波。特快速暫態(tài)波在GIS內(nèi)部傳播，在不同波阻抗處發(fā)生復(fù)雜的折射、反射過程，形成GIS內(nèi)部暫態(tài)現(xiàn)象。當(dāng)內(nèi)部傳播的特快速暫態(tài)波部分通過耦合等方式傳播到GIS外殼上，形成GIS外部暫態(tài)現(xiàn)象，如圖1所示。其中，乙為GIS母線導(dǎo)體與殼體內(nèi)表面波阻抗;乙為殼體外壁與大地之間的波阻抗;乙為架空線與大地之間的波阻抗5沛為殼體距地面高度;知為架空線距地面高度;CB為斷路器;DS為隔離開關(guān)。GIS內(nèi)部暫態(tài)現(xiàn)象包含特快速暫態(tài)波形成的特快速暫態(tài)過電壓和特快速暫態(tài)過電流。由于VFTO和VFTC均具有高陡度、高幅值、高頻率等特性，在GI

11、S內(nèi)部進(jìn)行傳播，將對GIS的絕緣造成較大損壞。同時,GIS外部暫態(tài)現(xiàn)象包含特快速暫態(tài)波形成的殼體暫態(tài)地電位升高TEWii。傳播到GIS外殼的電壓波或電流波產(chǎn)生向外輻射的暫態(tài)電磁場TEM,對二次設(shè)備構(gòu)成危害。由于GIS內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸不同，且較為復(fù)雜，產(chǎn)生的電壓波和電流波折射、反射也不相同，故在各個節(jié)點處形成的暫態(tài)波特性也不相同。其中：R乙=601nF(1)Z2=601n普(2)Z3=601n牛(3)式(1)式(3)中:R為母線導(dǎo)體外半徑;&是殼體內(nèi)半徑;R為殼體外半徑“為架空線半徑。因此，研究GIS內(nèi)外暫態(tài)網(wǎng)路之間的關(guān)系，對GIS中VFTO,VFTC和TEV的電磁暫態(tài)特性關(guān)聯(lián)性的研究具有指

12、導(dǎo)意義。1.2GIS中元器件等效分析本文以四川省某126kVGIS智能變電站為研究對象，該變電站采用集成式電子式(CurrentTransformer,CT)的分相智能化GIS,其主接線方式簡化圖如圖2所示叫。其中,Tr為主變壓器,簡稱主變；BSG為套管;CT為電流互感器；1M,2M為主母線;EVT為電壓互感器。圖2126kVGIS智能變電站主接線圖Fig.2Mainwiringdiagramofthe126kVGISsmartsubstation1.2.1GIS中元器件等效根據(jù)126kVGIS的現(xiàn)場尺寸(ZF7A-126型GIS)以及對應(yīng)的電壓等級，將GIS中相應(yīng)的元器件進(jìn)行等效，其等效結(jié)果

13、如表1所示。衰1GIS各元器件等效模型Tab.1EquivalentmodelsofelementsinGISsubstation兀器件參數(shù)母線波阻說根據(jù)尺寸計算絕緣子對地電容8-20pF氣體套管波阻抗和電容4000,10-20pF電流互感器串聯(lián)電感及對地電容忽略接地線分布參數(shù)或集中參數(shù)1jtH/m避宙器集中對地電容10pF運用電磁暫態(tài)仿真軟件Atp-emtp對GIS回路進(jìn)行等效分析時，由于GIS同軸傳輸，因此可以將GIS母線進(jìn)行等效處理.其中內(nèi)外暫態(tài)回路連接方式采用變比1:1理想變壓器連接,計算參數(shù)如表2所示。表2GIS內(nèi)外暫態(tài)回路波阻抗Tab.2Internalandexternaltra

14、nsientimpedanceofGIS1.2.2隔離開關(guān)等效模型阻抗內(nèi)部波阻抗/Q外部波阻抗/Qz.250180Zi61180z,61173z.75164z,752017521310,213黑盒模型由于不用考慮電弧內(nèi)部復(fù)雜的物理變化過程，僅描述電弧發(fā)展過程中的電路特性，因此方便用于電路的暫態(tài)計算，但黑盒模型對試驗的依賴性很強(qiáng)，需從試驗數(shù)中提取其基本參數(shù)。由于Mayr黑盒模型能夠較好地模擬電流過零區(qū)域的燃弧過程.故有學(xué)者將Mayr模型應(yīng)用于隔離開關(guān)燃弧過程的仿真研究中。本文采用Mayr黑盒模型，如式(4)所示。而其他的黑盒模型均是在常用模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改后得到。式中:g為電弧電導(dǎo)W為Mayr

15、黑盒模型電弧電壓;i為Mayr黑盒模型電弧電流;"為Mayr黑盒模型電弧時間常數(shù);R為Mayr黑盒模型電弧散熱功率。1.3GIS暫態(tài)仿真回路建立對126kVGIS等效處理，在電磁暫態(tài)仿真軟件Atp-emtp建立GIS內(nèi)外暫態(tài)計算回路.如圖3所示。其中,。,口分別為進(jìn)、出線套管處TEV測量節(jié)點；山為電源側(cè)VFTO測量節(jié)點；。1D6為隔離開關(guān)負(fù)載側(cè)VFTO測址節(jié)點，本次仿真選取測址節(jié)點為01;/b為電源側(cè)VFTC測kt節(jié)點;w為隔離開關(guān)負(fù)載側(cè)VFTC測量節(jié)點。電阻是Atp-emtp中一種可控的TYPE91型電阻，初始值為零，其運行過程中電阻由連接在其上的Model元件控制.而Model元

16、件從電路中取得電流和電壓值。通過相應(yīng)的程序計算,實現(xiàn)對電弧電阻的實時控制.同時在電孤電阻前加1個時控開關(guān)開啟和斷開整個電路,從而計算GIS中因隔離開關(guān)操作引起的暫態(tài)現(xiàn)象昨性在電磁暫態(tài)仿真軟件Atp-emtp中電壓設(shè)置為126kV,仿真時間為時間步長為leso2計算結(jié)果分析2.1GIS仿真回路計算結(jié)果分析根據(jù)計算，可得CIS內(nèi)外暫態(tài)路中暫態(tài)過電壓和過電流及GIS外殼上的暫態(tài)過電壓，如表3所示。哀3GIS內(nèi)外暫態(tài)特性Tab.3InternalandexternaltransientcharacteristicsofGIS兀件VFTO/kVTEV/kVVFTC/kA變壓器127.762.52套管12

17、7.52.45避雷器204.32.278.432CT2332.14DS2310.86依據(jù)表3分別對GIS電源側(cè)與出線套管處的VFTO,VFTC和TEV進(jìn)行具體的波形和頻譜分析。2.2VFT。與VFTC計算結(jié)果分析w圖3ATP-EMTP計算回路Fig.3CalculationcircuitofATP-EMTP如圖46所示，對GIS中電源側(cè)VETO,VFTC和負(fù)載側(cè)VFTO暫態(tài)特征波形及其頻譜分析.VFTC頻率主要分布在1MHz和4.2MHzo125.51250127.5127.012651260(a)電源側(cè)VETO波形績率/MHz(b)«fe®WVFToMii8圖4電源側(cè)VF

18、TO暫態(tài)特性Fig.4TransientcharacteristicsofVFTOinpowerside圖6電源側(cè)VFTC暫態(tài)特性Fig.6TransientcharacteristicsofVFTCofpowersideAwsilwm(b)出ttfcnttTEVWifl圖7GIS出線套管處TEV暫態(tài)特性Fig.7TransientcharacteristicsofTEVatGISoutcasing5n11J11i0123456技率/MHz(b)負(fù)WfflVFTOWif!圖5隔離開關(guān)負(fù)載側(cè)VFTO波形Fig.5TransientcharacteristicsofVFTOofdisconnect

19、or2.3 TEV計算結(jié)果分析如圖7-8所示,GIS中出線套管和進(jìn)線套管處TEV波形及其頻譜分析,TEV主要頻率分布基本均發(fā)生在1MHz和4-4.5MHz之間。2.4 GIS套管處暫態(tài)特性分析通過圖48,對GIS內(nèi)外暫態(tài)過電壓及過電流的分析，可得G1S套管處的暫態(tài)特性，如表4所o(a)iSttfcnttTEV波形I40I20IOOXO604020I40I20IOOXO604020圖8GIS進(jìn)線套管處TEV暫態(tài)特性Fig.8TransientcharacteristicsofTEVatGISinputcasing20虬"志i<)o饑枚例VFTO>Ns_«t.一一彳

20、10050AXSIM豚illWfflVFTC表4GIS套管處暫態(tài)特性Tab.4TransientcharacteristicsofGIScasing蜂值主要頻率分布/MHz電源側(cè)VFH)127.76/kV/負(fù)栽側(cè)VFTO233.05/kV/VFTC8.432/kA1,4.2出線套管處TEV2.52/kV1,4.2-4.5進(jìn)線套管姓TEV0.86/kV1,4.2-4.53GIS中內(nèi)外暫態(tài)過程關(guān)聯(lián)性分析3.1GIS內(nèi)部暫態(tài)現(xiàn)象關(guān)聯(lián)性分析(I)隔離開關(guān)兩側(cè)VFTO關(guān)聯(lián)性，如圖9所示。1245JvnoaaHtt2S0r圖9隔離開關(guān)兩側(cè)VFTO關(guān)聯(lián)性對比Fig.9ComparisonofVFTOcorr

21、elationonbothsidesofdisconnector(2)VFTO與VFTC關(guān)聯(lián)性，如圖10所示。電i»6MVIlo電i»6MVIlo發(fā)I.竹念過印中.VHO.VFTC6080100tlttfflVFTO圖10GIS內(nèi)部暫態(tài)VFTO與VFTC關(guān)聯(lián)性對比Fig.10ComparisonofthecorrelationbetweenVFTOandVFTC對比圖9和圖1()可知：(1) GIS中電源側(cè)、負(fù)載側(cè)VETO波和電源側(cè)的VFTC波發(fā)生振蕩最強(qiáng)時刻均在初始時刻.主要原因是本文采用變比為1:1的理想變壓器模型，在此模型下不會出現(xiàn)電能損耗，電源側(cè)的暫態(tài)現(xiàn)象反映(；【

22、S內(nèi)部的暫態(tài)過程，負(fù)載側(cè)的暫態(tài)現(xiàn)象反映G1S外部的暫態(tài)過程,在1:1的理想變壓器模型下電源側(cè)的VFTO和VFTC以光速傳播至負(fù)載側(cè)，G【S內(nèi)外的暫態(tài)過程大致在同一時刻發(fā)生(TEV稍微延后些,VFTO是TEV產(chǎn)生的根源)。(2) 設(shè)置/I為電源側(cè)和負(fù)載側(cè)VFTO的持續(xù)時間"2為電源側(cè)VFTC的持續(xù)時間。VFTO持續(xù)時間/039jiS,VFTC持續(xù)時間/240ptS.主要:因為當(dāng)隔離開關(guān)動靜觸頭間的氣隙絕緣不足以氓受觸頭間的電壓時，發(fā)生擊穿或燃弧.此時整個同路處于短暫的導(dǎo)通狀態(tài).產(chǎn)生暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流，隨著擊穿產(chǎn)生的電孤熄滅.整個網(wǎng)路再次處于開斷狀態(tài).暫態(tài)電壓和暫態(tài)電流消失。故VFTC持

23、續(xù)的時間和VETO持續(xù)的時間基本相同。3.2GIS內(nèi)外暫態(tài)現(xiàn)象關(guān)聯(lián)性分析如圖11所示，設(shè)置，133分別為VETO暫態(tài)的持續(xù)時間、TEV暫態(tài)的持續(xù)時間。通過對比圖II中的VFTO與TEV關(guān)聯(lián)性分析可知：(1) GIS中VFTO與TEV波發(fā)生振蕩最強(qiáng)時刻均在初始時刻，主要原因是本文采用變比為1：1的理想變壓翌模型，CIS內(nèi)外的暫態(tài)現(xiàn)象基本是同一時刻發(fā)生o(TEV稍微延后些TEV是內(nèi)部暫態(tài)過電壓傳播到外殼造成的)。(2) TEV持續(xù)的時間f3=62plS.VFTO持續(xù)的時間H=38心”1V3,主要:原因是TEV主要在G1S外殼上產(chǎn)生.而內(nèi)部的VKTO傳播到CIS外殼還需要時間；同時GIS的尺寸大小不

24、相同.導(dǎo)致VFTO波形在傳輸過程中發(fā)生了復(fù)雜的折射反射現(xiàn)象.故造成了TEV持續(xù)的時間比VFTO持續(xù)的時間要長叫(3) 負(fù)載側(cè)的VFTO波形與GIS外殼上的TEV波形的變化趨勢破本一致.主要原因在于兩者在建模過程中均發(fā)生在隔離升關(guān)的負(fù)載側(cè)，與電源側(cè)有本質(zhì)的區(qū)別，隔離開關(guān)的開合閘決定了暫態(tài)現(xiàn)象的產(chǎn)生，而電源側(cè)暫態(tài)現(xiàn)象主要是暫態(tài)波與電源波的相互疊加。ffl11GIS中VFTO與TEV關(guān)聯(lián)性對比Fig.11ComparisonofthecorrelationbetweenVFTOandTEV4結(jié)論本文通過對126kV仿真回路中隔離開關(guān)操作引起電磁暫態(tài)現(xiàn)象的研究，分析了GIS中產(chǎn)生VFTO和TEV的原因

25、，重點計算了VFTO和TEV的暫態(tài)特性、以及兩者之間的關(guān)聯(lián)性分析，并得出了如下的結(jié)論：(1) GIS內(nèi)部產(chǎn)生的VFTO和VFTC暫態(tài)特征基本相同，主要體現(xiàn)在持續(xù)的時間、頻率主要分布在1MHz和4.2MHz,說明了兩者的產(chǎn)生有一定的關(guān)聯(lián)性，兩者的產(chǎn)生均來自于GIS中隔離開關(guān)操作。(2) GIS中VFTO,VFTC和TEV的主要頻率分布均發(fā)生在1MHz,44.5MHz之間，說明GIS中隔離開關(guān)操作引起暫態(tài)現(xiàn)象的主要時間基本一致，由于GIS的殼體尺寸、接地和結(jié)構(gòu)布局等因素，導(dǎo)致暫態(tài)波的傳播發(fā)生了稍微的延時。(3) GIS中VFTO.VFTC和TEV中振蕩發(fā)生最為強(qiáng)烈處，均在暫態(tài)產(chǎn)生的初始時刻，說明了

26、一旦暫態(tài)現(xiàn)象產(chǎn)生，暫態(tài)現(xiàn)象在初始時刻最為強(qiáng)烈。對于初始時刻暫態(tài)現(xiàn)象的重點防御問題，目前已做的主要研究有:在GIS設(shè)備中隔離開關(guān)斷口附近的中心導(dǎo)體上裝設(shè)磁環(huán)，利用磁環(huán)中的渦流損耗以及電感效應(yīng)，對暫態(tài)現(xiàn)象初始時刻產(chǎn)生抑制作用且磁環(huán)串長度越長抑制效果越好;在GIS設(shè)備中隔離開關(guān)加裝金屬氧化物避雷器，使暫態(tài)現(xiàn)象初始時刻的波形衰減，在一定程度上降低暫態(tài)現(xiàn)象初始時刻的幅值,并減緩暫態(tài)現(xiàn)象初始時刻的波前陡度;隔離開關(guān)加裝阻尼電阻能顯著抑制暫態(tài)現(xiàn)象初始時刻的幅值和高頻振蕩。筆者后續(xù)將利用在Emtp仿真回路中加裝R-C濾波器來研究對暫態(tài)現(xiàn)象初始時刻的防御效果。參考文獻(xiàn)1 張志遠(yuǎn).CIS開關(guān)操作對電子式互感器的影

27、響研究D.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.2 張璐，黃國強(qiáng),劉孝為，等.快速暫態(tài)過電壓下GIS絕緣特性研究綜述J.陜西電力,2015,43(7):70-77,ZHANGLu,HUANGGuoqiang,LIUXiaowei,etal.ReviewofinsulationcharacteristicsofGISunderveryfasttransientovervoltagefjj.ShaanxiElectricPower,2015,43(7):70-77.3 韓旭濤，張亮，張芋，等.基于特高頻法的雷電沖擊電壓下實體GIS導(dǎo)桿尖剌缺陷局部放電檢測和分析J.智慧電力,2018,1(46):45-

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