Mayr电弧模型下GIS中快速暂态过电压的仿真分析

SF6气体绝缘封闭组合开关(GIS)中隔离开关进行分合母线时,产生快速暂态过电压(VFTO),幅值高且上升速率极快,威胁GIS及相邻设备的绝缘。选取某800 kV GIS隔离开关分合母线的试验电路为研究对象,采用电磁暂态程序(EMTP/ATP)进行建模仿真,隔离开关燃弧时采用Mayr电弧模型,分析其对VFTO的影响,得出考虑Mayr电弧模型时操作隔离开关、断路器侧隔离开关及变压器侧隔离开关的电压波形,并与考虑时变电阻模型的VFTO进行对比。对VFTO波形进行离散傅里叶分析,得到过电压频率、幅值的变化特征,研究结果为GIS绝缘设计提供参考。

考虑GIS外壳传输特性的VFTO计算模型

在计算快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)时,全封闭式组合电器(gas insulatedswitchgear,GIS)暂态电路的准确搭建直接影响VFTO的计算准确度。结合中国某1100kVGIS变电站,根据多导体传输线理论和相模变换方法,建立了GIS外壳传输特性模型,并与GIS内部暂态模型相结合,详细计算了隔离开关操作时所产生的VFTO,分析了GIS内部关键设备处VFTO的极值、频谱特性及上升率。最后研究了未操作相母线上残余电压对操作相VFTO的影响。研究结果可供GIS设计及连接在GIS上的电气设备绝缘结构设计参考。

330kV超高压GIS开关动作VFTO辐射电场的测量与分析

笔者对GIS断路器与隔离开关动作时所产生的VFTO辐射场进行了测量与分析。首先研制了一套基于光纤传输的VFTO辐射电场测量系统,并对该测量系统进行了标定实验,结果显示该测量系统具有响应频带宽、抗干扰能力强和传输距离远的特点。然后选取了典型的330 kV超高压GIS变电站,应用光纤测量系统对其开关正常动作时所引发的VFTO辐射场信号进行了测量。比较了断路器与隔离开关动作所产生的VFTO辐射场之间的差异,分析了差异产生的机理。同时也比较分析了相同开关的不同操作所产生VFTO辐射场之间的差异和机理。结论显示开关电弧放电位置与其引起的辐射场信号的频谱幅值分布具有紧密的联系。文中的研究成果对GIS变电站的在线监测提供了测量手段与依据。

220kV GIS中断路器关合空载变压器所产生VFTO辐射电场的测量与波形特征分析

为研究变电站中开关动作所产生瞬态辐射场的波形特征,利用变电站停电检修的机会对220k V GIS中三相断路器操作所产生的VFTO辐射电场进行了测量与分析。首先针对变电站内复杂的电磁环境,研制了一套宽频带、抗电磁干扰能力强且传输距离远的光纤电场测量系统;然后选取了数个具有代表意义的测点,对断路器闭合空载变压器时所产生的VFTO辐射电场进行了测量;取得测量结果后,分别从时域和频域进行了波形特征与分布规律的分析。经分析可知:断路器对空载变压器的闭合操作可以在变电站中产生VFTO辐射场,脉冲电场的幅值可达7k V/m,前沿可达5ns,前沿陡度可达1.2(k V/m)/ns,该辐射场对工作在GIS中的电子设备具有潜在的威胁,因此需要研究VFTO辐射场的波形特征。研究结果表明:VFTO辐射电场一般为间隔数ms的脉冲群,每个脉冲为振荡衰减波且具有多个特征频率,按照不同特征频率的波形成分衰减速度的不同,可以将脉冲在时域上分为三个时期。

电弧三维电磁场模型参数对GIS中VFTO的影响

隔离开关操作产生的特快速暂态过电压(VFTO)对一次设备的绝缘和二次设备安全稳定运行产生很大的危害。电弧模型对VFTO理论分析有很大影响。基于实测电弧等效电阻,应用三维瞬态电磁场模型,分析了隔离开关操作过程中圆柱形电弧模型半径变化对VFTO分布的影响。基于矢量动态位,讨论了应用三维有限元法分析GIS内部瞬态电磁波初始条件的设定。根据实测电弧等效电阻,用导电媒质建立了用于3D电磁分析的电弧模型。对比了不同电弧模型半径下电源侧、空载母线侧和电弧处VFTO波形及峰值。通过分析发现当电弧模型的半径下降到一定数值后,半径开始对VFTO分布有较大的影响,其对电弧处电压响应幅值的影响最明显;随着电弧模型半径的减小VFTO在时间上发生滞后,电弧模型半径的减小对电源侧、负载侧和电弧处时间滞后影响程度基本相同。因此在应用3D电磁场模型分析VFTO时,电弧模型半径应尽量与实际相符。

计及套管导体辐射损耗的VFTO计算方法

特高压交流试验基地特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)试验回路研究发现,计算得到的VFTO单次击穿波形的衰减时间超过了实测值,对于通过仿真计算提取VFTO标准波形的半波时间取值影响较大,需要开展损耗机制的研究。对于CIGRE推荐模型和现有文献中对套管处辐射损耗的考虑不足,首先分析了套管导体电流分布的行波模式,推导了辐射电阻和平均特征阻抗的计算公式,建立了计及辐射损耗的套管传输线模型;然后针对辐射电阻这一频变参数问题,提出了VFTO频域计算方法;最后对VFTO试验回路的计算发现,套管导体的辐射电阻在波形主频处远大于电弧电阻和GIS母线电阻,同时计算波形的衰减时间更接近实测波形,因此验证了所提出的计算方法的合理性。

基于网络函数的VFTO下变压器绕组响应的计算

提出了一种基于网络函数的VFTO下变压器绕组响应计算的有效方法。该方法首先用由网络分析仪测量得到的散射参数计算所需的电压传输函数,然后通过矢量匹配法对电压传输函数进行有理函数的拟合,最后,利用与拟合的电压传输函数对应的指数形式的激励响应和输入信号进行时域递归卷积,以获得电压响应。与实测电压响应比较的结果表明:利用传输函数仿真计算得到的结果与测量结果吻合。这说明该方法简单、准确。

罗氏线圈型电子式互感器抗VFTO方案探讨

为解决气体绝缘变电站有源电子式电压互感器在开关操作时因受到快速暂态过电压的影响而导致采集卡损坏的问题,提出一种新型的电子式电压互感器抑阻措施。通过建立电路模型,推导出作用于电子式互感器采集卡上的快速过电压幅值,提出通过增加电子式互感器外壳接地以降低外壳过电压;在电子式互感器一次、二次引出端增加电感元件;同时要求电子式互感器采集卡与一次设备外壳空间距离大于快速暂态过电压的空气击穿距离等措施。该方法可有效避免电子式互感器采集卡损坏的问题,提升电子式互感器抗干扰能力。

三相分体式GIS一次系统VFTO的建模与计算

对GIS一次系统元件的建模方法进行了总结与讨论,根据实际情况对部分元件的模型进行了修正。用EMTP建立了一实际110 kV GIS一次系统的计算模型,并对特快速暂态过电压和接地导体上的暂态电流进行了仿真计算。计算结果与实测结果进行了比较,验证了模型的有效性和仿真计算的可行性。

VFTO对电力变压器绕组暂态电压分布的影响研究

当气体绝缘金属封闭式开关装置（GIS）进行隔离开关分合闸操作时,产生的快速暂态过电压（VFTO）极有可能造成GIS内部设备及与之相连的电力设备发生绝缘事故,其中对电力变压器的危害更为严重。本文应用EMTP对GIS中隔离开关操作引起的各节点的VFTO进行了仿真计算,分析了VFTO的幅值特征,将VFTO作用在变压器绕组上,分析了变压器绕组的暂态电压分布、找出了变压器绕组的绝缘薄弱环节。

GIS中VFTO辐射干扰的场-路-波协同法仿真研究

超高压气体绝缘开关设备(GIS)中的隔离开关操作产生的特快速瞬态过电压(VFTO)会对开关及其周围设备产生严重的干扰。针对这一工程问题,给出了VFTO辐射干扰的场-路-波协同仿真方法。结合工程实例,首先用准静态电磁场分析方法提取了GIS的等效电路,结合开关电弧的时变电阻模型,应用宽带电路方法得到VFTO的等效时变电压源,最后利用时域瞬态全波方法仿真了VFTO在空间内的电磁场干扰。该方法对于高压开关的设计具有参考意义。

考虑VFTO特性的GIS绝缘配合

电压等级升高,气体绝缘开关设备(GIS)的额定雷电冲击耐受电压和快速暂态过电压(VFTO)水平的差异逐渐减小,由VFTO引起的GIS绝缘事故日益增加,考虑VFTO特性的GIS绝缘配合迫在眉睫。文章介绍了传统绝缘配合方法,提出了考虑VFTO特性的GIS绝缘配合方法;结合生产运行经验,获得了GIS设备的绝缘配合系数和安全系数;依据绝缘特性试验结果,获得了VFTO与雷电冲击的波形转换系数;通过绝缘配合举例,验证了该方法的实用性与有效性。

应用小磁环加装大磁环抑制GIS中VFTO的试验研究

特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)严重威胁到气体绝缘开关设备(gas insulated substation,GIS)和邻近设备的安全运行,在总结前人研究的基础上,文中提出应用小磁环加装大磁环抑制GIS中的VFTO。依托VFTO发生器和真实500 kV GIS组成的试验平台,分别在充电电压为460、500、540、560 kV情况下开展无磁环、40、80 cm小磁环串和80 cm小磁环串加装10 cm大磁环串的一系列对比试验,其中小磁环串是由铁氧体磁性材料构成,大磁环是由纳米晶软磁材料制成。试验数据表明小磁环加装大磁环在所有试验中取得了较好的抑制效果,同时也指出磁环串的长度与抑制作用存在一定的关系。试验结果证实了应用小磁环加装大磁环可增强整体设备对VFTO的抑制效果。

利用ICT算法计算变压器绕组中的VFTO

为研究特快速暂态过电压(VFTO)对变压器的影响并解决大型电力变压器建模时矩阵阶数过大的问题,以匝为单元建立了变压器绕组多导体传输线(MTL)模型,并利用积分相合变换(ICT)的阶数缩减算法直接对电报方程进行求解,避免了对传输线时空离散造成矩阵阶数过大的问题,有效地提高了计算效率并且保证了降阶系统的无源性。仿真与实验结果证明该法正确可行。

3/2接线方式变电站中抑制VFTO磁环的推荐安装位置

铁氧体磁环作为一种结构紧凑、成本较低的新型VFTO抑制手段受到关注,但现有研究结果尚不足以支撑其进入工程应用。文中针对磁环的应用场合与安装位置展开研究;研究了VFTO幅值与回路负反射系数的关系;定量分析GIS回路中不同部件和结构的负反射系数;明确了3/2接线方式变电站中可能产生高幅值VFTO的一种结构和操作方式:即构成双端开路对称T形结构。研究发现磁环的主要适用场合为抑制双端开路对称T形结构,给出了磁环的推荐安装位置。且针对磁环抑制特高压GIS中VFTO的应用方式、抑制效果和仿真方法也进行了一定的研究。

特高压GIS变电站VFTO波形衰减仿真研究

为研究特高压GIS变电站VFTO计算中波形衰减程度与实测相差较大的原因,首先介绍了我国某特高压变电站VFTO实测波形的产生方式和波形特征;其次对VFTO波形的衰减因素,如弧道电阻、盆式绝缘子、GIS弯管和GIS套管的模型进行了分析。在可能产生的电磁泄漏或辐射等损耗的基础上改进了原有IEC推荐模型。最终建立了GIS变电站的整体仿真模型。通过对实测波形的等值转换,将仿真条件与实测波形进行统一后,获得不同模型下的仿真波形特征。结果表明考虑所研究的波形衰减因素后,仿真波形的衰减程度与实测更加吻合,验证了所提出模型的合理性。

变压器铁芯接地线上耦合VFTO信号的仿真研究

在对变压器铁芯接地信号(core earthing signals,CES)监测过程中,多次记录到侵入变压器的特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)冲击脉冲,这为检测VFTO冲击提供了新途径。为了研究VFTO耦合至CES的途径,并分析CES中VFTO信号的特征,首先对VFTO的产生过程进行仿真分析;其次建立绕组的高频暂态混合模型,仿真分析VFTO在绕组内的传输模式;最后建立铁芯高频电容耦合模型,并与前面模型进行联合仿真,分析VFTO致使CES中产生VFTO脉冲的全过程,总结VFTO脉冲特征,初步建立VFTO脉冲的特征知识库。同时,还对某水电站隔离开关分闸过程进行对比仿真,仿真波形与实测波形基本一致。上述研究表明,VFTO在绕组上同时存在沿线传输和电容耦合两种传输模式。VFTO可通过绕组与铁芯之间、铁芯内部的电容耦合至CES,产生VFTO脉冲,这些脉冲在隔离刀闸分闸过程中呈现出幅值逐渐增大、分布逐渐稀疏的特征,而在合闸过程则完全相反。通过该研究,获知了VFTO耦合至CES的全过程,总结了CES中VFTO脉冲的关键特征,进而证明了利用CES检测VFTO冲击的可行性。

500kV GIS隔离开关操作产生VFTO的研究

针对气体绝缘封闭式开关设备(GIS)中快速暂态过电压(VFTO)产生的原因、出现的种类、对GIS本身以及对外部设备的危害等问题,对某水电站500 kV GIS建立了系统的仿真模型,利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP,计算分析了隔离开关在3种典型操作方式时在主变压器线圈上引起的VFTO,并提出了防止VFTO的运行操作要求。

550 kV GIS变电站中VFTO仿真计算及抑制措施

在气体绝缘变电站GIS(gas insulated substation)中,隔离开关进行分合母线时引起的特快速暂态过电压VFTO(very fast transient overvoltage)威胁站内设备安全,深入认识VFTO的特点并提出适当的抑制措施对于保障GIS变电站的安全具有重要意义。选取深圳某550 kV GIS变电站为研究对象,采用电磁暂态程序EMTP/ATP(electro-magnetic transient program/alternative transient program)仿真研究了隔离开关切合母线时产生的VFTO过程及特点,分析了变压器入口电容和主变进线长度对VFTO波形、幅值和频率的影响,提出了采用阻波器和铁氧体磁环抑制VFTO的方法。结果表明:随着变压器入口电容的增大,VFTO的幅值增大;随着主变进线长度的增加,VFTO的频率降低。阻波器比铁氧体磁环具有更好的VFTO抑制效果。所得结论对GIS变电站中的VFTO防控具有参考价值。

广州蓄能水电厂500kV GIS设备VFTO仿真研究

GIS变电站中隔离开关的操作会产生特快速暂态过电压(VFTO),可能损害一次设备的绝缘,并可能对二次回路引起电磁干扰。结合广州蓄能水电厂的GIS变电站实际布置方式,对电厂500k V GIS隔离开关操作产生的VFTO进行了仿真计算,确定VFTO最大值及其出现时的操作方式,为工程运行提供技术支撑。