特快速瞬态过电压和雷电冲击作用下特高压GIS绝缘特性

随着电压等级的提高,气体绝缘开关设备(GIS)的额定雷电冲击(LI)耐受电压和特快速瞬态过电压(VF-TO)水平的差异越来越小,由VFTO引起的绝缘事故也日益严重。为研究特高压GIS在VFTO下的绝缘耐受水平,设计了VFTO模拟产生装置,研究了不同气压下SF6棒-板和球-板间隙在VFTO和雷电冲击下的绝缘特性。实验结果表明:稍不均匀电场间隙在VFTO下的击穿电压高于雷电波;对于高气压下棒-板间隙,负极性VFTO下的击穿电压和伏-秒特性曲线位于雷电波之下;雷电冲击下棒-板间隙极性效应在一定的气压下会出现反转现象。分析表明:在不同冲击波前和振荡波尾的VFTO和雷电波作用下SF6气体间隙击穿特性的差异与放电过程中空间电荷行为的差异有关。

特快速瞬态过电压作用下金属氧化物电阻片响应特性试验

依据特高压气体绝缘的金属封闭式组合电器（gas-insulated metal-enclosed switchgear,GIS）中特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltage,VFTO）试验平台实测VFTO波形特征,确定金属氧化物电阻片（metal oxide varistors,MOV）试验平台波形参数,设计搭建了电压波头时间为20 ns的特快波前冲击电压试验回路,选取5种用于超/特高压的典型MOV作为样本,试验研究了MOV在电压波头时间为20 ns、电流峰值范围在0.5~2.5 k A特快波下的伏安特性。试验结果表明：与标准雷电冲击波下MOV残压相比,VFTO下MOV的残压上升约14.7%到18.2%;特快波前冲击电压作用下MOV存在一个阻抗转折电压U0,在U0电压下,MOV呈现阻性,当电压峰值小于U0时MOV呈现出容性阻抗特征,当电压峰值大于U0时MOV呈现出感性阻抗特征;U0/U1m A与MOV形状尺寸关系不大;MOV电压、电流同时响应,零点位置相同,电压与电流响应时间不存在延时效应,MOV即时响应。

气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压研究的新进展

气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)中的隔离开关操作空载短母线会产生陡波前、高幅值的特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)、瞬态壳体电位和电磁干扰,对GIS及其连接的具有绕组的设备、与壳体连接的二次设备绝缘产生危害,干扰二次设备工作,严重影响设备的安全运行。对2009年前国内外在VFTO测量方法、特性试验、数字仿真和对绝缘影响以及外部VFTO方面的研究状况进行了综述。概要总结了国家电网公司在特高压GIS中VFTO实测及仿真研究方面取得的新进展,提出了特高压GIS中VFTO需要深化研究的内容,即重点关注VFTO的传播特性与仿真建模,VFTO下的绝缘特性和机制研究,以期全面掌握特高压GIS中VFTO特性,对特高压输变电设备的研制、工程设计和运行提供依据和有益的参考。

特高压气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压特性的试验研究

气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)中隔离开关操作产生的特快速瞬态过电压(very fast transientovervoltage,VFTO)会影响电气设备的安全运行,随着系统电压等级的提高,该影响会越来越严重,在特高压系统中尤为突出。为掌握特高压GIS的VFTO特性,在特高压GIS设备的VFTO试验回路进行了大规模GIS隔离开关操作试验,并对VFTO测量结果进行了统计分析。研究得到了VFTO全过程波形的波形特征、击穿次数、频率成份和残余电压分布,单次击穿波形的波形特征和振荡系数分布,及预充/不预充直流电压下的VFTO幅值特性,揭示了隔离开关加装阻尼电阻对VFTO的抑制作用。所获得的特高压GIS中的VFTO特性为进一步研究VFTO仿真和绝缘配合等提供了依据。

气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压的全过程测量方法

特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltages,VFTO)是超/特高压气体绝缘开关设备(gas insulatedswitchgear,GIS)设计和运行中十分关心的问题,试验研究VFTO的特性是非常必要的。VFTO包含特快速瞬态分量、工频分量和准直流分量(空载母线残余电荷电压),其中VFTO的瞬态分量在GIS中以电压波的形式传播,致使不同位置的VFTO波形具有显著差异。因此,试验研究VFTO的关键是对VFTO时间过程和空间分布的全过程测量。研究了VFTO测量方法,采用手孔式电容传感器与阻抗变换器相结合的方法实现了全过程测量,研制出测量频带为0.003 Hz^100 MHz和波形记录时间为200 ms的测量系统;采用多个测量系统,并基于隔离开关触头间隙击穿时的电磁波辐射信号,研制出了同步触发装置,实现了对GIS上不同位置的VFTO空间分布的测量。

特高压气体绝缘开关设备特快速瞬态过电压的试验回路研究

为研究特高压气体绝缘开关设备(gas insulatedswitchgear,GIS)中的特快速瞬态过电压(very fast transientovervoltage,VFTO)规律,需要建立全尺寸的真型模拟试验回路。计算了1000kV GIS变电站和模拟试验回路在不同接线方式下的VFTO,指出1000kV GIS的VFTO模拟试验回路宜带有分支母线,比国家标准和IEC标准规定的无分支母线的简单试验回路更严格,从而提出新的VFTO试验回路,并推荐了测点布置方案和试验隔离开关型式。对所建成的VFTO试验回路进行试验,结果表明:无论是从VFTO实测波形还是从统计规律上看,试验回路均达到了设计的预期,对研究VFTO的特性发挥了重要作用。

隔离开关操作速度对特快速瞬态过电压的影响

气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)内的隔离开关在操作空载短母线时会发生多次击穿,并产生特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO),严重时可能造成变压器和其他电气设备的损坏。隔离开关的操作速度是影响VFTO的重要因素之一,对此国内外有不同看法。在仿真研究中考虑了隔离开关操作过程中的多次重击穿、间隙击穿电压的极性特性、概率特性及其随操作速度变化的特性,采用统计分析方法研究了隔离开关的速度对VFTO的影响,并与实测结果进行了对比。研究结果表明,在一定范围内当隔离开关速度较慢时,分闸后负载侧残压较低,合闸、分闸操作过程中产生的VFTO幅值也较低。

特高压气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压测量用电容传感器的标定

为保证特高压气体绝缘开关设备(gas insulatedswitchgear,GIS)中特快速瞬态过电压(very fast transientovervoltage,VFTO)测量用手孔式电容传感器的准确性,必须对其进行标定。研制了用于电容传感器的标定系统,它由3种不同幅值及波形的脉冲源及相应测量系统组成。其中:低电压陡脉冲源用于校验电容传感器的高频特性;高电压陡脉冲源用于校验传感器在高压下的稳定性;低电压长波尾电源用于校验传感器的低频特性。水电阻分压器及金属膜电阻分压器用于测量3种脉冲源的输出波形,在标定电容分压器前,对电阻分压器的频率特性及线性度特性进行了试验。电容传感器的标定试验结果表明,华北电力大学和清华大学研制的电容传感器均具有良好的频率特性、线性度和稳定性,可以满足特高压GIS设备VFTO测量工作的需要。

动态电弧模型下特快速瞬态过电压特性的计算与分析

在特快速瞬态过电压(very fast transient over-voltage,VFTO)的仿真计算过程中,建立准确的隔离开关高频电弧模型是提高VFTO计算准确度的关键。在分段电弧模型的基础上,提出一种动态电弧模型。在预击穿阶段,该模型考虑击穿延时对VFTO的影响,采用双曲线形式的时变电阻;在熄弧阶段建立完整的麦也尔(Mayr-Schwarz)模型描述电弧的动态物理过程。结合某1100kV气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)的实际电路,详细计算2种电弧模型下GIS内部的VFTO幅值、频率和陡度,同时讨论了击穿延时对VFTO波形的影响。计算结果表明:动态电弧模型下VFTO具有幅值较高、频率较高、上升陡度较大的特点;击穿延时对VFTO的初始上升时间和幅值有影响。通过VFTO仿真与实测数据相比较可知,动态电弧模型是分段电弧模型的进一步完善,对于提高VFTO仿真计算的精度有重要意义。

2.5MV特快速瞬态过电压发生器

气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)以其占地面积少、密封性好,受环境影响小,运行可靠、维修周期长等优点在中国电网中得到了广泛应用。在330kV以上电压等级的系统中,开关动作产生的特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)对系统有很大危害。为满足特高压GIS中VFTO的模拟,利用6MV敞开式冲击电压发生器与陡化装置结合的方法,研制出一种模拟VFTO产生的装置。通过增加GIS母线长度来补偿回路固有电感的影响,以及通过控制陡化间隙的击穿电压来控制输出电压幅值,使该装置可以输出幅值为2.5MV、高频振荡达到35 MHz的电压波,能够满足特高压试验对VFTO模拟的要求。采用外加积分器方式,制作了一种锥形电容传感器来测量该装置产生的电压波,测试结果表明该电容传感器可以满足试验的要求。

252kV GIS中特快速瞬态过电压和特快速瞬态电流特性试验研究

为深入研究特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)和特快速瞬态电流(very fast transient current,VFTC)的波形特性,以及隔离开关运动速度对二者幅值的影响,采用一套可调节开关运动速度的252 k V气体绝缘组合电器(gas insulated switchgear,GIS)试验回路,对隔离开关分合闸操作中产生的特快速瞬态波形进行了试验研究。获得了VFTO、VFTC的单次击穿波形特征、单次击穿统计特性、波形的频率成分、全过程波形特征、全过程统计特性和残余电压统计特性。分析了开关运动速度对VFTO、VFTC幅值的影响,结果表明,随着开关速度的提高,击穿次数会降低,从而降低出现大幅值VFTO、VFTC的几率。

GIS隔离开关特快速瞬态过电压试验重复击穿全过程仿真模型研究

现有特快速瞬态过电压(VFTO)重复击穿仿真模型未考虑隔离开关断口击穿特性,以及弧阻模型不能充分反映电弧动态变化,需开展试验研究来获取。首先,建立252 kV GIS试验平台,进行隔离开关分合闸操作,获取断口击穿特性。对断口进行交直流联合击穿试验研究,提出重复击穿电压曲线试验方法。其次,考虑电流峰值、弧长以及气压等影响因素,结合特快速瞬态过电流(VFTC)的电弧熄弧规律,提出GIS隔离开关双指数型高频电弧电阻模型。之后,基于重复击穿电压曲线以及弧阻模型,建立252 kV GIS回路VFTO全过程仿真模型,采用自适应变步长方法交替进行工频稳态和高频暂态过程计算,实现VFTO的全过程高效仿真,通过试验波形对比验证仿真模型的准确性。最后,采用武汉交流特高压试验基地GIS试验回路进行VFTO全过程仿真,验证了所提仿真方法的适用性。

550 kV GIS隔离开关操作引起特快速瞬态过电压仿真研究

为计算分析洪屏抽水蓄能电站550 k V GIS变电站在电机以发电机和电动机运行方式下投切主变压器、母线、出线操作时的VFTO(特快速瞬态过电压)以及影响因素,采用EMTP-ATP电磁暂态程序建立了电路仿真模型。分析结果可知,主变压器处VFTO幅值并不大,但是在高频振荡分量作用下有可能激起局部共振过电压,对主变压器匝间绝缘有危害。同时,连接地上地下部分的长电缆加速暂态过程的衰减。最后选取较严重VFTO下的操作方式进行了主变压器VFTO抑制措施的研究,结果表明,在GIS母线与主变压器之间连接一条3 m长的架空线即可限制VFTO波前陡度对主变压器纵绝缘的危害。

基于隔离开关操作速度对特快速瞬态过电压的影响

由于气体绝缘开关设备内的隔离开关在进行空载短母线的操作时,会发生多次击穿,同时产生特快速瞬态过电压,导致其他设备受到一定程度的影响和损坏。而隔离开关的操作速度对特快速瞬态过电压有重要的影响。该文分析了超高压气体绝缘开关设备内的隔离开关的操作方式下产生的快速瞬态过电压。经计算得出结果表明击穿时对特快速瞬态过电压的陡度影响最大,击穿延续时间就越短。为特快速瞬态过电压仿真中气体绝缘开关设备内的隔离开关的选取提供了借鉴,从而也对选择合适的模型、参数来评价特快速瞬态过电压水平有一定的参考依据。

1000kV GIS中燃弧电阻模型对快速瞬态过电压的影响

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中隔离开关因开断性能差在动作时会产生上升时间极短的快速瞬态过电压(VFTO),VFTO上升时间短、幅值高的特性会对电气设备绝缘造成严重危害。本文利用仿真研究定值燃弧电阻模型、指数燃弧电阻模型、双曲线燃弧电阻模型、Mayr燃弧电阻模型和重燃弧电阻模型,得到各燃弧模型下VFTO的幅值和频谱图,并分析各燃弧模型下VFTO波形的衰减、振荡与上升时间。通过对比各模型仿真结果得出,重燃弧电阻模型更符合实际电弧模型,利用该模型得到的VFTO幅值、振荡与上升时间能更好地描述其波形。

隔离开关开合母线充电电流瞬态过电压影响浅析

随着产业结构调整步伐的加快,电力设备需求量逐年增加,气体绝缘金属封闭开关设备增量迅猛。隔离开关作为其主要单元,运行的长期性和稳定性尤为关键,其中瞬态过电压对隔离开关的影响得到了越来越多的关注。重点介绍了瞬态过电压的种类,其各自的产生原理、主要特点和典型危害。以800k V GIS隔离开关为典型实例,介绍了为耐受瞬态过电压而进行的特殊设计,并通过试验对该设计结构进行考核,试验结果表明,特殊设计达到了预期的效果。另外还提出了一些其他的预防措施和方法。

特高压变电站电磁暂态过电压机理与控制

根据研究的总体目标及研究思路和任务,该研究总结归纳出重点需关注的科学问题:(1)VFTO机理及建模仿真;(2)VFTO作用下GIS破坏机理和绝缘特性。针对此科学问题的主要研究内容包括:基于所研制的T型电极VFTO传感器在特高压变电站开展了特快速暂态过电压的实测研究,获得了大量宝贵实测数据。为特高压变电站隔离开关带电操作决策及变电站设计提供了支撑。研究提出并实践了从"SF6小间隙(间隙距离为mm级)-SF6大间隙(间隙距离为cm级)-GIS隔离开关"的系统技术路线,有效克服GIS隔离开关中VFTO高频振荡电弧难以观测的技术难题,得到了特高压GIS隔离开关的全过程时变弧阻模型。研究获得了大尺度GIS部件的VFTO绝缘特性,获得了与雷电绝缘特性的等价关系,给出了波形转换系数1.1,为VFTO绝缘配合难题的解决提供了重要支撑。建立两路纳秒级脉冲群VFTO模拟电源及其配套的绝缘试验腔和测试系统,测试系统包括紫外光谱测试仪、高能电子测试装置。模拟VFTO波形,开展纳秒脉冲下SF6气体的击穿和闪络特性实验,获得不同气体压力下SF6气体的击穿和闪络规律和特性;发现在一定压力条件下,极不均匀场下SF6击穿的极性效应出现反转现象;基于记忆效应提出重复纳秒脉冲下的放电机理。在252 k V GIS试验回路上,开展了铁氧体磁环串抑制VFTO的系列试验,研究了不同试验电压下VFTO波形的主要特征参数与磁环串长度的关系,证实了铁氧体磁环串对VFTO的幅值和陡度均有显著的抑制效果。

特高压变电站电磁暂态过电压机理与控制

根据研究的总体目标及研究思路和任务,该研究总结归纳出重点需关注的科学问题:(1)VFTO机理及建模仿真;(2)VFTO作用下GIS破坏机理和绝缘特性。针对此科学问题的主要研究内容包括:基于所研制的T型电极VFTO传感器在特高压变电站开展了特快速暂态过电压的实测研究,获得了大量宝贵实测数据。为特高压变电站隔离开关带电操作决策及变电站设计提供了支撑。研究提出并实践了从"SF6小间隙(间隙距离为mm级)-SF6大间隙(间隙距离为cm级)-GIS隔离开关"的系统技术路线,有效克服GIS隔离开关中VFTO高频振荡电弧难以观测的技术难题,得到了特高压GIS隔离开关的全过程时变弧阻模型。研究获得了大尺度GIS部件的VFTO绝缘特性,获得了与雷电绝缘特性的等价关系,给出了波形转换系数1.1,为VFTO绝缘配合难题的解决提供了重要支撑。建立两路纳秒级脉冲群VFTO模拟电源及其配套的绝缘试验腔和测试系统,测试系统包括紫外光谱测试仪、高能电子测试装置。模拟VFTO波形,开展纳秒脉冲下SF6气体的击穿和闪络特性实验,获得不同气体压力下SF6气体的击穿和闪络规律和特性;发现在一定压力条件下,极不均匀场下SF6击穿的极性效应出现反转现象;基于记忆效应提出重复纳秒脉冲下的放电机理。在252 k V GIS试验回路上,开展了铁氧体磁环串抑制VFTO的系列试验,研究了不同试验电压下VFTO波形的主要特征参数与磁环串长度的关系,证实了铁氧体磁环串对VFTO的幅值和陡度均有显著的抑制效果。

特高压操作过电压类型及其控制指标

目前操作过电压已成为影响电站正常运行的重要不良因素之一。针对沪西特高压变电站的设备特点将可能出现的操作过电压分为合闸和重合闸空载线路过电压、接地故障过电压、清除故障过电压、合空载变压器过电压、特快波前瞬态过电压（VFTO）等。论述了各种过电压类型出现的原因，过电压特点和保护措施并结合特高压交流输电特点给出相应计算，旨在为研究特高压变电站过电压在线监测方法提供理论支持，亦为检修人员判别故障原因、进行过电压事故分析提供科学依据。

特高压半封闭气体绝缘组合电器的暂态电压仿真分析

特高压系统的电压等级高、容量大,暂态电压现象严重。为了提高特高压系统暂态电压计算的准确率,结合我国某特高压开关站建立半封闭气体绝缘组合电器(HGIS)系统整体模型。根据多导体传输线理论和相模变换方法,建立了HGIS外壳传输特性模型。除此之外,采用π型等效电路表示接地体单元,并结合HGIS内部暂态模型,详细计算了隔离开关操作时产生的特快速瞬态过电压(VFTO)和暂态壳体电压(TEV),分析了HGIS内部关键设备处VFTO和相应壳体上TEV的最大值和频谱特性,进一步分析了不同壳体接地方式和接地网对VFTO和TEV的影响。研究结果表明:在考虑接地网的情况下,VFTO的最大值为1 296kV,TEV的最大值为83kV,都要比不考虑接地网时的最大值小,且良好的接地方式是降低特高压HGIS系统暂态电压的有效方法。研究结果可供HGIS设计和相关电气设备绝缘结构设计参考。