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。

GIS中快速暂态过电压VFTO的抑制研究进展

气体绝缘变电站GIS中的隔离开关在分合闸时,会产生快速暂态过电压VFTO,对GIS本身及邻近设备将造成极大危害。综述了国内外现有抑制VFTO的研究现状。从抑制VFTO的产生、改造GIS内部结构及抑制VFTO沿输电路径传播3个方面,概要总结了各抑制方法的优势及存在的问题。提出了抑制VFTO需要深化的研究内容:研制能精准控制开关合闸时间的成套设备,怎么样控制电弧击穿导通的时间,通过微机系统综合控制实现精准相位合闸;探索场路论结合的方式准确仿真加装阻尼母线前后VFTO的变化,建立阻尼母线抑制VFTO的特性参数关系;磁环抑制VFTO的理论,量化分析磁环的物理尺寸及磁材料特性参数对抑制效果的影响,在此基础上进而研究半圆卡扣式磁环对抑制VFTO的影响,以便后续在运GIS的改造,最后还需进一步研究如何解决磁饱和增加磁损耗增强抑制效果。

利用MOV限制变压器绕组的特快速暂态过电压研究

气体绝缘金属封闭式组合电器(gas insulated substation,GIS)中的特快速暂态过电压会对电力系统的稳定性和变压器绕组的绝缘防护造成极大的损害。变压器的绝缘设计通常只考虑雷电过电压和操作过电压,而常忽略特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)对变压器的冲击作用,金属氧化物避雷器(mental oxide varistor,MOV)因其良好的非线性特性而被用于改善绕组电位分布。基于此研究了变压器绕组两端并联MOV前后电压分布和电压梯度分布来探究MOV用于防护过电压的可行性。首先,提出了改进的时域有限元法,建立了变压器绕组并联MOV前后的多导体传输线模型;然后,推导了基于单变量时域有限元法求解该模型的边界条件;最后,通过MATLAB仿真计算了变压器绕组并联MOV前后的电压分布和电压梯度大小,验证了所采用的计算模型和计算方法的正确性,同时也证明了在VFTO作用下用MOV保护变压器绕组的可行性。

特高压GIS中快速暂态过电压的抑制措施研究

GIS变电站中都有隔离开关。因为触点动作缓慢,隔离开关自身也不具备灭弧能力,所以触点接触的空隙中会发生多次灭弧重燃现象。高频振荡在这种损害性放电影响下形成快速瞬变过程,最终产生快速暂态过电压(VFTO)。该文基于1000kV GIS的研究测试现象和数据,以某变电站为例,对1000kV变电站主电气接线隔离开关的合闸运行进行了仿真研究,得出采用并联合闸电阻和在母线添加铁氧体磁环2种抑制措施能抑制VFTO,抑制效果较好。

油浸式电流互感器主绝缘快速暂态过电压分布的研究

测量得到了不同水分含量油浸绝缘纸和半导电纸的介电频域谱,利用改进的Cole-Cole模型,拟合得到各材料介电参数与水分含量及频率的函数关系。在考虑插入电屏薄层的条件下,建立了油浸倒立式电流互感器绝缘系统的宽频多导体传输线模型,模型分布参数考虑了湿度及频率依存性,对绝缘系统特快速暂态过电压分布计算提出了一种新方法。

磁环抑制GIS中特快速暂态过电压的模拟试验和仿真

封闭式组合电器(GIS)中隔离开关操作空载短母线时产生的特快速暂态过电压(VFFO)有可能在GIS及其相连设备引起故障,已有的VFTO抑制方法存在种种不足, 文中提出采用磁环抑制GIS中的VFTO。模拟试验证明磁环可以有效抑制VFTO。考虑磁环的饱和、滞回、损耗特性, 应用Jiles-Atherton模型对磁环仿真,模拟试验电路的仿真结果和试验结果基本符合,验证了模型的正确性。对磁环磁化过程的分析表明,磁环在动态磁化过程中储存和消耗了行波能量,从而降低了VFTO的幅值、加速了VFTO的衰减、降低了VFFO的陡度。应用这一模型计算了大亚湾电站GIS 系统中加入磁环前后的VFTO,结果表明磁环对VFTO有明显抑制作用。

特高压GIS特快速暂态过电压试验重复击穿过程研究

为深入研究重复击穿过程的发生规律,研究隔离开关特性对重复击穿过程的影响,改进隔离开关设计,完善特快速暂态过电压(VFTO)评估方法,采用1100kV气体绝缘组合电器(GIS)试验回路,对GIS隔离开关分闸和合闸空载短母线所产生的触头间隙重复击穿和VFTO进行了试验研究。鉴于重复击穿过程的随机性,进行了约500次分合闸操作试验,统计获得了被试隔离开关在分合闸操作中的触头间隙击穿电压随触头间隙形成时间的变化关系,试验隔离开关的分闸操作末次残余电压基本是以-0.44倍工频电压幅值为期望,0.037倍工频电压幅值为方差的正态分布,合闸操作中的首次击穿工频相位主要集中在50°～90°。基于试验结果,分析了触头间隙重复击穿的发生规律及对VFTO的影响,给出了重复击穿随机过程终止的条件。

采用套管传感器测量变压器线端快速暂态过电压的方法

全封闭气体绝缘组合开关内隔离开关操作产生的快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)给变电站内其他运行设备的安全带来严重危害,提出了一种利用变压器套管传感器测量变压器引线端电压的测量方法。将传感器低压臂部分接到变压器套管末屏上,与套管电容构成VFTO套管传感器;采用卷积模型法处理方波响应结果,获得了传感器响应特性;基于增量Wiener反卷积滤波器的波形还原方法,解决了套管引起的传感器高频响应频率失真问题。在实验室建立了一个快速暂态过程实验平台,在此平台上验证了套管传感器VFTO测量系统的有效性。在某超高压变电站用套管传感器测量了隔离开关操作时高压电抗器处的VFTO,并对测量结果进行了波形还原。测量结果表明,基于变压器套管传感器的VFTO测量系统可以满足现场测量的需要。

特快速暂态过电压下变压器绕组高频电路模型的研究

变压器绕组的高频模型对于分析特快速暂态过电压对变压器的影响是非常重要的。从易于高频测量的散射参数出发,提出了一种建立变压器绕组高频电路模型的方法。该方法首先由散射参数计算绕组各匝的电压传输函数,并利用矢量匹配法对得到的电压传输函数进行有理函数逼近;其次,对得到的有理函数形式的传输函数进行阶数缩减,得到变压器绕组电压传输函数的降阶模型;最后,运用网络综合技术建立变压器绕组的高频电路模型。该电路模型简单、通用,仅由R、L、C和理想变压器构成,其模型参数可以根据电压传输函数的极点和留数非常方便地得出。通过对电路模型的仿真结果与实际测量结果进行比较,验证了文中方法的正确性。

气体绝缘开关设备的隔离开关分合空载短母线时特快速暂态过电压及特快速暂态电流测量

为深入研究气体绝缘开关设备(GIS)的隔离开关分合空载短母线产生的特快速暂态过电压(VFTO),建立了252kV GIS试验回路并研制了VFTO、特快速暂态电流(VFTC)和开距测量系统。该系统采用手孔式电容分压器测量、Rogowski线圈及光纤传输系统、位置传感器分别测量VFTO、VFTC、开关开距。对上述测量系统进行了标定:VFTO测量系统低频截止频率<20Hz,高频截止频率>80MHz;VFTC测量系统带宽达到70MHz;开距测量系统误差<1.5%。结果表明各系统满足测量要求。试验结果表明:在试验回路上实现了隔离开关分合闸时VFTO、VFTC及开距的同时测量,获得了VFTO和VFTC的典型波形、隔离开关间隙的击穿电压特性和燃弧规律。该试验回路产生的VFTO幅值最大值为447.02kV,上升时间约为13ns;VFTC的幅值最大值为2.61kA,上升时间约为7ns。VFTO和VFTC的主要频率均为4.4、23.3、44.2MHz,主要取决于回路的电感、电容及暂态行波的折反射。间隙的击穿电压没有明显的极性效应。燃弧时间<2μs。

气体绝缘开关设备介质窗口式特快速暂态过电压测量用传感器研制

为克服现有窗口式特快速暂态过电压(VFTO)测量传感器安装时间较长、维护时需要气体绝缘开关设备(GIS)间隔停电等缺点,研制了1种介质窗口式VFTO测量系统,通过介质窗口实现了测量传感器与GIS内气体的隔离。探索了不同密封介质窗口材料对测量系统频带的影响,为了实现对VFTO工频分量的准确测量,优选聚四氟乙烯作为介质窗口绝缘介质板的材料。测量系统频率响应试验结果表明:介质窗口式VFTO测量系统高频截止频率>175 MHz,低频截止频率<10 Hz。此外,利用该种传感器在252 kV GIS回路对隔离开关操作产生的暂态过电压进行了数百次的分合闸测试,传感器的分压比保持恒定,验证了传感器长期测量的可靠性。

特高压GIS变电站中快速暂态过电压仿真及其特性分析

在计算快速暂态过电压(VFTO)时,建立准确的全封闭气体绝缘变电站(GIS)暂态电路模型是影响VF-TO的关键。为此,将GIS内部暂态模型和GIS外壳传输特性模型相结合,建立了VFTO整体仿真模型。在GIS内部元件建模时,根据电弧的动态物理过程,建立隔离开关分段式动态电弧模型;结合交变电场下电介质极化原理,建立金属氧化物避雷器(MOA)暂态电路模型;并从GIS本体结构出发,通过三维电场分析,获得较准确的GIS元件暂态模型及参数;结合传输线理论和相模变换,获得GIS外壳暂态模型,并建立了考虑接地体间互感作用的暂态地网模型。最后结合国内某1 100kV气体绝缘变电站,进行VFTO详细仿真。仿真结果表明,分段式动态电弧模型下VFTO幅值标幺值高达1.270(基准值取898kV),较指数时变电弧模型下的VFTO幅值标幺值增加了17.59%,当考虑了MOA的非线性特性时,VFTO的振荡幅值有不断减小的趋势,在仿真时间将近20μs时,VFTO标幺值振荡幅度至0.8。最后将仿真结果与实测波形进行对比分析,VFTO幅值标幺值相差0.2～0.4,证明了所建立的VFTO仿真整体模型的实用性。

GIS中快速暂态过电压的仿真计算

采用 EMTP程序仿真计算了天荒坪抽水蓄能电站5 0 0 k V GIS系统隔离开关操作产生的快速暂态过电压。分析了影响过电压幅值的因素。

特高压气体绝缘开关设备中电磁式电压互感器耐受特快速暂态过电压的特性分析

为满足系统同期合环的要求,特高压气体绝缘开关设备(GIS)中安装有电磁式电压互感器(IVT)。GIS内部隔离开关操作会产生特快速暂态过电压(VFTO),可能引起IVT绕组出现电压分布不均的问题。为掌握特高压工程用GIS IVT在VFTO下的耐受特性,采用仿真和实测相结合的方法对其绕组在VFTO下的电压分布进行了研究。建立了IVT的端口模型和绕组电压分布计算模型计算其端口VFTO和绕组电压分布,并通过陡前沿冲击电压下绕组电压分布试验予以验证。通过仿真计算,获得了特高压变电站IVT端口的典型VFTO波形及其作用下的绕组电压分布特性。计算表明电压沿绕组分布整体比较均匀,绕组端部匝间、层间开口位置电压分布相对集中,试验结果初步也验证了仿真结果。根据仿真和试验结果,校核了绕组电压分布集中位置的绝缘耐受能力。进一步说明在实际特高压工程中,IVT绝缘耐受VFTO具有足够的裕度;在产品的优化设计中须加强绕组首端匝间和层间绝缘,以进一步提高其VFTO耐受能力。

架空线对入侵超高压变压器的特快速暂态过电压波前陡度的限制

在采用气体绝缘组合开关(GIS)的500kV变电站或发电厂中,陡波前的特快速暂态过电压(VFTO)对主变纵绝缘有很大的威胁。为此,分别从实验和仿真这2个方面详细探讨了连接于GIS母线与变电站或发电厂主变之间的架空线对到达主变端口的VFTO波前陡度的削弱作用,并采用ATP-EMTP仿真计算、分析了该段架空线长度与到达主变端口的VFTO波前陡度之间的定量关系。研究结果表明,长度为5～15m的架空线能够很好地保护主变纵绝缘:当架空线长度约为5m时,架空线能够非常明显地削弱到达主变端口的VFTO波前陡度;当架空线长度为10m时,对于大部分采用GIS的500kV变电站以及发电厂,到达变压器的VFTO波前陡度不会超出限制水平;当架空线长度达到15m时,对于各种采用GIS的500kV变电站以及发电厂,到达变压器的VFTO波前陡度都不会超出限制水平。

GIS在快速暂态过电压下的放电特性

SF6气体绝缘开关装置 (GIS)中的隔离开关在操作时产生的快速暂态过电压 (VFTO) ,会造成 GIS的绝缘击穿事故。对 VFTO作用下的 GIS击穿特性进行了研究 ,同时通过光电检测的方法研究了雷电冲击和快速振荡冲击电压作用下的预放电特性。实验结果表明 ,由金属导电微粒所导致的绝缘子表面电荷积聚是造成

特快速暂态过电压和雷电冲击下SF_6长间隙伏秒特性

为研究特高压气体绝缘开关设备(GIS)在特快速暂态过电压(VFTO)和雷电冲击(LI)下的SF6长间隙伏-秒(U-t)特性,设计了VFTO模拟产生装置。通过改变实验间隙距离、气压和电压种类,研究了不同气压下SF6棒-板和球-板长间隙在负极性VFTO和LI下的U-t特性。实验结果表明:球-板稍不均匀电场间隙在VFTO下的最小击穿电压高于LI下的,而VFTO下的U-t曲线较LI下的曲线平坦,导致2种电压下U-t曲线相交。对于高气压(0.5MPa)下棒-板间隙,VFTO下的U-t曲线位于LI的之下。基于对实验结果和U-t特性曲线物理意义的分析,得到了用于预测给定SF6长间隙U-t曲线的半经验公式,该公式为带有3个参数的幂指数函数,其中的待定参数可由气压、间隙距离和电场不均匀系数共同决定。校验结果表明:采用半经验公式预测的U-t曲线能准确反映SF6间隙击穿特性,从而为GIS绝缘设计提供参考。

测量快速暂态过电压的宽带预埋环传感器的研制

为解决现有测量快速暂态过电压(VFTO)的盆式绝缘子预埋环传感器带宽较窄(2MHz)的问题,研制出带宽较宽的预埋环传感器,以传感器的等效电路为基础,分析了影响传感器测量带宽的主要因素,提出了提高带宽的多种措施,最终研制出了一种±3dB带宽为10Hz～16MHz的宽带预埋环VFTO传感器。应用该传感器对750kV官亭变电站GIS内特定情况下的VFTO进行了测量,测到的VFTO最大值为947kV(标幺值为1.45),最大陡度为5.3kV/ns,主要频率成分为430kHz和3MHz。研究结果表明,通过减小传感器寄生电感因素、合理选择传感器电容,可以设计出带宽更宽的预埋环式传感器,使得其可以适应一定条件下对VFTO的测量。

断路器结构参数对GIS中特快速暂态过电压波形的影响

550kV及以上电压等级的气体绝缘变电站(GIS)系统中一般采用双断口断路器,并装有均压电容。本文着重分析断路器均压电容、空载母线、接地开关状态等对GIS系统中特快速暂态过电压(VFTO)波形的影响。首先建立了考虑断路器结构的简化GIS分析模型,推导了系统中节点电压的频域解析解答,然后分析了断路器结构参数和接地开关状态对VFTO的影响。结果表明,随着断路器均压电容、对地电容变大以及断路器到隔离开关母线长度的增加,系统中VFTO主要频率变小,但各频率分量的幅值在不同节点处有不同的变化规律;空载母线末端VFTO幅值呈减小趋势,上升沿变平缓,变压器线圈处幅值变化比较小,上升沿陡度变化不大,但上升时间增大;接地开关断开时,断路器断口间电压较小,但断口对地可能产生过电压;接地开关闭合时,断口间和断口对地可能出现谐振过电压,在设计时应予以避免。

磁环抑制特高压GIS设备中特快速暂态过电压的模拟试验

为抑制特高压气体绝缘组合电器(GIS)设备中特快速暂态过电压(VFTO)提出了采用磁环抑制的方法,并进行了模拟试验。利用252kV GIS设备构建试验系统,利用SF6气体间隙在50、75和100kV的电压等级下击穿产生高陡度的行波,测试了不同长度的R2KB铁氧体磁环串和FJ37非晶磁环串对电压行波幅值和陡度的抑制效果。试验表明,只要磁环串的长度>0.5m,其对于电压行波幅值的抑制效果将不再随磁环串长度的增加而发生显著变化,但行波上升时间将随磁环串长度的增加而增加;在磁环串长度≥1m的情况下,铁氧体磁环对于电压行波的综合抑制效果优于非晶磁环。试验表明,采用磁环抑制特高压GIS中VFTO的方法在原理上是可行的。