柳偉青　楊　琴　鄧傳?！⌒るA平　王　涵

（1. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林　132012；2. 東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林 吉林　132012）

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550kV GIS 中快速暫態(tài)過(guò)電壓仿真及防護(hù)措施研究

柳偉青1楊琴2鄧傳海1肖階平1王涵1

（1. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林132012；2. 東北電力大學(xué)信息工程學(xué)院，吉林 吉林132012）

摘要目前，隨著全封閉組合電器（GIS）的廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，尤其是在超、特高壓系統(tǒng)中，由隔離開(kāi)關(guān)操作引起的特快速暫態(tài)過(guò)電壓（VFTO）對(duì)設(shè)備造成的危害得到普遍關(guān)注。首先利用電磁暫態(tài)仿真軟件（ATP-EMTP）仿真計(jì)算550kV GIS中在操作母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)的操作方式下一些主要節(jié)點(diǎn)的VFTO波形和幅值。然后提出并分析抑制GIS系統(tǒng)中VFTO的措施，分別是附加合閘電阻、加裝避雷器、利用接地開(kāi)關(guān)泄放殘余電荷、主變高壓側(cè)加裝并聯(lián)耦合電容器的方法，為超、特高壓GIS設(shè)備的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：全封閉組合電器；快速暫態(tài)過(guò)電壓；仿真；隔離開(kāi)關(guān)；防護(hù)措施

在電網(wǎng)系統(tǒng)中隨著電壓等級(jí)的不斷升高，由于GIS具有占地面積少和空間體積小、可靠性高、維修周期長(zhǎng)、運(yùn)行費(fèi)用低、有利于環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。研究表明，隔離開(kāi)關(guān)（DS）沒(méi)有滅弧裝置，對(duì)于330kV及以上電壓等級(jí)的GIS中隔離開(kāi)關(guān)的操作會(huì)產(chǎn)生VFTO，其主要特點(diǎn)是幅值一般不超過(guò)2.5p.u.（標(biāo)幺值），最高可達(dá)到3.0p.u.，頻率可達(dá)到幾十甚至上百M(fèi)Hz，且波形陡度比較大，上升時(shí)間ns級(jí)[1-3]，這不但對(duì)主回路本體設(shè)備容易引起對(duì)地故障，而且造成相鄰設(shè)備（如變壓器等）的絕緣損壞，甚至二次設(shè)備也產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[4-8]。

以往對(duì)VFTO的研究方法主要是理論分析、實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)、計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬仿真以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)。完全利用實(shí)測(cè)試驗(yàn)固然是最可靠的，但不現(xiàn)實(shí)，也沒(méi)有必要讓電力系統(tǒng)承擔(dān)如此大的風(fēng)險(xiǎn)。因此最安全可靠的辦法就是利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬進(jìn)行分析隔離開(kāi)關(guān)操作對(duì)VFTO幅值、振蕩頻率、波頭陡度的影響[9]。在此基礎(chǔ)上研究采取一定的防護(hù)手段盡量抑制VFTO的辦法。

EMTP是用數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)模擬電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)現(xiàn)象，隨著500kV輸變電系統(tǒng)的建設(shè)，EMTP程序由于具有成本低、使用方便、仿真準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，可模擬多種在現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室無(wú)法做的試驗(yàn)，其在電力工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[10]。利用EMTP計(jì)算VFTO，采用集中或分布式的電感或電容來(lái)模擬各電氣設(shè)備，真實(shí)可靠、計(jì)算精度較高，為科研、設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供可靠的數(shù)值依據(jù)。

本文以某550kV系統(tǒng)為例，選取操作母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)的操作方式利用EMTP軟件進(jìn)行仿真計(jì)算產(chǎn)生的VFTO，重點(diǎn)考察變壓器出口及關(guān)鍵設(shè)備處VFTO的幅值大小，提出抑制VFTO的一些措施。

1　模型的建立及仿真計(jì)算

1.1550kV GIS系統(tǒng)

某550kV GIS電氣主接線圖如圖1所示。被研究的高壓變電裝置采用GIS結(jié)構(gòu)，電氣主接線為3/2斷路器接線形式，出線三回，三組變壓器。其中每條線路出口各布置一臺(tái)避雷器以及一組接地開(kāi)關(guān)，母線上各裝設(shè)一組電壓互感器。

圖1　550kV GIS電氣主接線示意圖

1.2元件模型及參數(shù)的選取

本文采用傳統(tǒng)的GIS元件電路模型，用單相電路進(jìn)行模擬仿真。

在變壓器模型的選取方面，文獻(xiàn)[1]指出，當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間為2～30μs時(shí)，變壓器波過(guò)程基本測(cè)不出勵(lì)磁電流，計(jì)算可采用等效電感和入口電容等效變壓器。

GIS母線、電纜和架空線路均采用無(wú)損均勻傳輸線模型，氣體絕緣變電站GIS內(nèi)同軸母線外殼與電纜內(nèi)導(dǎo)體和屏蔽導(dǎo)體的波阻抗由式（1）決定[11]：

式中，R1為屏蔽導(dǎo)體的內(nèi)半徑，R2為內(nèi)導(dǎo)體的半徑。經(jīng)計(jì)算本系統(tǒng)中GIS母線波阻抗為63Ω，架空線路波阻抗為165Ω。

在文獻(xiàn)[12-14]中表明，燃弧狀態(tài)的隔離開(kāi)關(guān)可用指數(shù)函數(shù)表示的時(shí)變電阻模型、分段電弧模型、動(dòng)態(tài)電弧模型來(lái)進(jìn)行模擬。穩(wěn)態(tài)燃弧階段弧阻基本為恒定，在0.5～5Ω之間取值時(shí)，對(duì)仿真影響不大。本文為了研究方便，同時(shí)不失一般性，選取燃弧狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)值2Ω。

在目前運(yùn)行的550kV系統(tǒng)中，母線側(cè)為420kV避雷器，線路側(cè)為444kV避雷器。420kV避雷器電氣特性見(jiàn)表1[15]。

表1　550kV變電站MOA電氣特性

將GIS設(shè)備中各元件和設(shè)備的模型及參數(shù)用表2等效。

表2　550kV GIS中各元件和設(shè)備的模型及參數(shù)

1.3仿真計(jì)算分析

GIS中CB有專(zhuān)門(mén)的滅弧裝置，分閘時(shí)一般不會(huì)產(chǎn)生重燃，而DS操作時(shí)可能會(huì)發(fā)生重燃，以及在管母中多次折、反射后會(huì)產(chǎn)生VFTO。通過(guò)以往經(jīng)驗(yàn)可知，在單機(jī)、單變、單回線的運(yùn)行工況方式最為嚴(yán)重。因此本文給出了一種運(yùn)行方式為：#1主變運(yùn)行，經(jīng)#2母線直接向線路2L送電。此時(shí)斷路器在斷開(kāi)狀態(tài)、母線已工作，合母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)DS31，由此確定系統(tǒng)的計(jì)算模型。根據(jù)元件參數(shù)設(shè)定仿真步長(zhǎng)為10?9s和計(jì)算時(shí)間為20μs。同時(shí)考慮重燃最嚴(yán)重的情形，即電源側(cè)電壓為1.0p.u.，負(fù)載側(cè)電壓為?1.0p.u.（對(duì)于500kV系統(tǒng)中，1p.u.=550×= 449kV）。

參照文獻(xiàn)[16]，在上述操作方式下建立的EMTP仿真模型如圖2所示。

圖2　550kV系統(tǒng)仿真模型圖

通過(guò)計(jì)算得到的各測(cè)試點(diǎn)電壓幅值見(jiàn)表3，其仿真波形如圖3至圖5所示。

表3　各測(cè)試點(diǎn)VFTO的幅值

圖3　操作的隔離開(kāi)關(guān)處的VFTO波形

圖4　母線末端處的VFTO波形

圖5　主變出口處的VFTO波形

被操作的隔離開(kāi)關(guān)DS31與斷路器CB31之間的短線上容易產(chǎn)生比較大的VFTO，經(jīng)計(jì)算其幅值為1.656p.u.（743.544kV）。在主變出口處VFTO的幅值較小為1.307p.u.（586.843kV），對(duì)主絕緣影響不大，但是由于主變結(jié)構(gòu)的特殊性及累積效應(yīng)，同時(shí)上升陂度大、振蕩頻率分量高，過(guò)電壓對(duì)主變的危害也很大。在母線末端部由于波在傳播過(guò)程中多次折、反射造成VFTO幅值最高，可達(dá)到2.038p.u. （915.065kV），其頻率包含了各個(gè)分量（幾百kHz至十幾MHz），電壓波形由各個(gè)頻率疊加而成。

2　相關(guān)的防護(hù)措施

從上述仿真得到的幾個(gè)關(guān)鍵測(cè)試點(diǎn)VFTO的波形發(fā)現(xiàn)幅值都不超過(guò)2.5p.u.，但從圖中可看到陂前陡度及振蕩頻率很高，需要采取防護(hù)措施進(jìn)行抑制。

2.1加裝分合閘電阻

工作原理[17]為：分合閘電阻裝在靜觸頭處，當(dāng)動(dòng)觸頭閉合時(shí)，分合閘電阻被旁路；當(dāng)觸頭擊穿或重燃時(shí)，動(dòng)觸頭與分合閘電阻都同時(shí)接入電路；當(dāng)動(dòng)觸頭完全斷開(kāi)后電弧熄滅，分合閘電阻不接入電路。本文計(jì)算在隔離開(kāi)關(guān)上裝設(shè)不同阻值的分合閘電阻時(shí)，產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值見(jiàn)表4。

表4　不同阻值的合閘電阻產(chǎn)生的VFTO的幅值

通過(guò)仿真計(jì)算，發(fā)現(xiàn)三種位置處產(chǎn)生的VFTO的幅值都與合閘電阻的阻值成線性反比關(guān)系。以主變出口處為例，當(dāng)并聯(lián)400Ω分合閘電阻時(shí)，可以使變壓器入口處過(guò)電壓幅值降到1.042p.u.（467.858kV）。

由此可見(jiàn)，在隔離開(kāi)關(guān)上操作的過(guò)程中先串入合適的分合閘電阻，阻尼作用使行波上升時(shí)間下降，VFTO由無(wú)衰減的自由振蕩變?yōu)橛幸?guī)律的振蕩，對(duì)VFTO的抑制效果明顯。然而由于GIS緊湊使得隔離開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了技術(shù)和工藝上的難度，削弱了系統(tǒng)的可靠性從而增加了故障概率。

2.2加裝避雷器

在目前應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)大多數(shù)為線路上安裝避雷器對(duì)雷擊過(guò)電壓進(jìn)行抑制。對(duì)于GIS系統(tǒng)，可以試著考慮在主變出口處、母線處安裝避雷器抑制VFTO[18]。由于VFTO的波頭很陡，帶間隙的碳化硅避雷器不可能可靠的保護(hù)，所以本文考慮在靠近主變側(cè)距變壓器5～10m處和距母線首段10～15m處上分別加裝一組無(wú)間隙氧化鋅避雷器。避雷器用表1的非線性伏安特性的電阻來(lái)模擬，經(jīng)計(jì)算各測(cè)試點(diǎn)過(guò)電壓幅值見(jiàn)表5。

表5　各測(cè)試點(diǎn)VFTO的幅值

與前面未加防護(hù)措施的結(jié)果相比較可知，由于避雷器的非線性電阻特征，兩種位置加裝避雷器都可對(duì)VFTO有一定的衰減作用，也會(huì)降低電壓幅值的振蕩幅度。在主變側(cè)加裝避雷器對(duì)主變出口處抑制VFTO的效果較為明顯，而在母線上加裝避雷器對(duì)操作的隔離開(kāi)關(guān)處起到抑制VFTO的作用。

加裝避雷器對(duì)VFTO的保護(hù)距離有限，需要幾個(gè)避雷器才能保護(hù)整個(gè)GIS。因此，在主變側(cè)、母線側(cè)以及出線處同時(shí)加裝避雷器時(shí)，對(duì)VFTO的抑制效果更為明顯，其各測(cè)試點(diǎn)過(guò)電壓幅值如表6所示，電壓波形如圖6所示。

表6　各測(cè)試點(diǎn)VFTO的幅值

圖6　加裝多組避雷器時(shí)主變出口處的VFTO的波形

由表6和圖6可以看出，在多位置處安裝多組避雷器后對(duì)GIS內(nèi)各設(shè)備上的VFTO幅值有較好的限制效果，在主變出口處使VFTO最大值降低了15%，并加速了VFTO的衰減。不足的是對(duì)VFTO的抑制程度有限，而且其對(duì)頻率和陡度基本無(wú)影響。同時(shí)也增加了投資。

2.3利用接地開(kāi)關(guān)泄放殘余電荷

當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)對(duì)空母線斷開(kāi)后，母線上的殘余電荷衰減得很慢，會(huì)影響VFTO的幅值。本文選取被切合母線上不同的殘留電荷水平，計(jì)算操作隔離開(kāi)關(guān)時(shí)GIS設(shè)備中各主要節(jié)點(diǎn)VFTO的幅值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

根據(jù)分析可知，操作開(kāi)關(guān)處、母線末端處、主變出口處的VFTO幅值與殘余電荷電壓間呈近似線性正比關(guān)系，即母線上殘余電荷電壓越高，隔離開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的VFTO越大。因此，在母線及線路停電后及時(shí)利用接地開(kāi)關(guān)來(lái)泄放殘余電荷完盡后，仿真計(jì)算可得接地開(kāi)關(guān)動(dòng)作能將母線上、操作的隔離開(kāi)關(guān)處、主變的出口處的VFTO幅值分別抑制在1.53p.u.、1.33p.u.、1.17p.u.左右，效果比較明顯。

表7　不同的殘余電荷在各測(cè)試點(diǎn)產(chǎn)生的VFTO的幅值

2.4主變高壓側(cè)加裝并聯(lián)電容器

在主變高壓側(cè)并接電容器，等于增大主變的入口電容值，有效地降低傳向變壓器的VFTO的波前陡度，減少對(duì)主變繞組的危害。本文初步計(jì)算不同的并聯(lián)電容值，其各測(cè)試點(diǎn)電壓幅值如表8所示。

表8　不同電容值的并聯(lián)電容器產(chǎn)生的VFTO的幅值

由表8可知，主變的入口電容對(duì)VFTO的幅值有一定的影響。當(dāng)加裝不同的并聯(lián)電容器，其對(duì)各設(shè)備處VFTO的影響是不同的。在離主變很近的位置，其測(cè)試點(diǎn)幅值與并聯(lián)電容值成近似線性反比關(guān)系，有效降低進(jìn)入主變的電壓振蕩幅度和波前陡度。而對(duì)于GIS設(shè)備中其他測(cè)試點(diǎn)幅值與并聯(lián)電容值成近似線性正比關(guān)系。而不同的電容值對(duì)于操作隔離開(kāi)關(guān)處電壓幅值影響不大。從表8中可知，當(dāng)主變的入口電容小于5000pF，在主變?nèi)肟诳拷髯兒芙牡胤絍FTO的幅值減小較快，入口電容小于5000pF其幅值減小較慢，而其他設(shè)備測(cè)試點(diǎn)則增加幅度不大。所以，由資料可知入口電容等值與電壓等級(jí)、容量和結(jié)構(gòu)有關(guān)[19]，在與GIS系統(tǒng)相連的變壓器設(shè)計(jì)方面，可合理的設(shè)計(jì)變壓器的繞組和匝間結(jié)構(gòu)，使入口電容盡量接近5000pF。但是由于主變的入口電容和等效電感，以及其他設(shè)備的電容值有可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振[20]，因此在設(shè)計(jì)的時(shí)候要多加考慮。

3　結(jié)論

本文選取了550kV GIS系統(tǒng)，計(jì)算了操作的母線側(cè)隔離開(kāi)關(guān)處、母線末端處、主變出口處的VFTO，并提出了幾種抑制措施。主要結(jié)論如下：

1）當(dāng)550kV GIS系統(tǒng)內(nèi)不采取任何的抑制VFTO的措施，由隔離開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的VFTO最大幅值可能并不是很大，但由于變壓器的累積效應(yīng)和特殊結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)變壓器絕緣造成影響，長(zhǎng)期也會(huì)有損其他GIS設(shè)備的絕緣，使母線老化和危害相連二次設(shè)備。

2）在隔離開(kāi)關(guān)上斷口處串入400Ω的分合閘電阻，阻尼作用使各位置處電壓降低到1.1p.u.附近，對(duì)VFTO的抑制效果明顯。但是大大增加了GIS的復(fù)雜程度及投資成本。

3）在不同位置處安裝多組避雷器后對(duì)VFTO幅值有一定的限制效果，但不足的是抑制程度有限，而且其對(duì)頻率和陡度基本無(wú)影響。

4）在母線及線路停電后及時(shí)利用接地開(kāi)關(guān)來(lái)泄放殘余電荷能有效的抑制操作產(chǎn)生的VFTO幅值。

5）合理的設(shè)計(jì)變壓器的繞組和匝間結(jié)構(gòu)，使入口等效電容盡量接近5000pF，也可抑制隔離開(kāi)關(guān)操作產(chǎn)生的VFTO。但要考慮是否會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] 鐘笑拳, 周力行, 劉濤, 等. 1000kV GIS中快速暫態(tài)過(guò)電壓抑制措施研究[J]. 電瓷避雷器, 2013, 6(6): 119-123.

[2] 劉青, 張玉峰, 施圍. 800kV GIS中變壓器的VFTO防護(hù)的研究[J]. 高壓電器, 2007, 2(2): 122-124.

[3] 金青, 余芳, 郭潔, 等. 750kV GIS中快速暫態(tài)過(guò)電壓的研究[J]. 高壓電器, 2009, 45(5): 57-60.

[4] 谷定燮, 修木洪, 戴敏, 等. 1000kV GIS變電所VFTO特性研究[J]. 高電壓技術(shù), 2007(11): 27-32.

[5] 魯鐵成, 李思南, 馮伊平, 等. GIS中快速暫態(tài)過(guò)電壓的仿真計(jì)算[J]. 高電壓技術(shù), 2002(11): 3-5.

[6] 楊凌輝, 張嘉旻. 500kV GIS隔離閘刀操作暫態(tài)過(guò)電壓的研究[J]. 華東電力, 2004, 32(1): 37-41.

[7] 李青春. 電氣工程中GIS快速暫態(tài)過(guò)電壓（VFTO）研究[J]. 電氣開(kāi)關(guān), 2007, 45(4): 30-32, 36.

[8] Shibuya Y,Fujita S,Shimomura T. Effects of very fast transient over-voltage on transformer[C]. IEEE Proeeedings, 1999: 3

[9] 田馳. 超、特高壓GIS中快速暫態(tài)過(guò)電壓（VFTO）及其影響的研究[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 2009.

[10] 田慶. 基于ATP-EMTP的交流特高壓試驗(yàn)示范工程建模及仿真[J]. 湖北電力, 2007, 31(5): 19-21.

[11] 江學(xué)斌, 梁樑, 陳光, 等. 500kV GIS變電站快速暫態(tài)過(guò)電壓及防護(hù)措施仿真研究[J]. 能源工程, 2010(3): 19-22, 27.

[12] 張雪. GIS設(shè)備VFTO仿真中隔離開(kāi)關(guān)電弧模型的研究[D]. 北京: 華北電力大學(xué), 2010.

[13] 王娜, 林莘, 徐建源, 等. GIS中隔離開(kāi)關(guān)電弧模型對(duì)快速暫態(tài)過(guò)電壓的影響[J]. 電工電能新技術(shù), 2013, 32(1): 85-88.

[14] 劉教民, 杜巍, 王震洲, 等. VFTO仿真中GIS隔離開(kāi)關(guān)電弧模型的研究進(jìn)展[J]. 高壓電器, 2013, 5(5): 21-25.

[15] 王靜. GIS中氧化鋅避雷器對(duì)快速暫態(tài)過(guò)電壓影響的研究[D]. 沈陽(yáng): 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué), 2012.

[16] 吳文輝, 曹祥麟. 電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算與EMTP應(yīng)用[M]. 北京: 中國(guó)水利水電出版社, 2012.

[17] 劉佳, 李汶江. 550kV GIS中VFTO的仿真研究[J].電氣技術(shù), 2010(10): 21-23, 34.

[18] 楊曉亮, 徐建源, 林莘, 等. 避雷器對(duì)GIS中快速暫態(tài)過(guò)電壓的影響[J]. 電工電能新技術(shù), 2011, 30(1): 74-78.

[19] 林莘, 庚振新, 徐建源, 等. 550kV全封閉組合電器快速暫態(tài)過(guò)電壓影響因素分析[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2009(19): 190-194.

[20] 胡文堂, 金祖山, 李思南, 等. 500kV GIS快速暫態(tài)過(guò)電壓防護(hù)措施的選擇[J]. 高電壓技術(shù), 2005, 1(1): 35-37.

柳偉青（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)檫^(guò)電壓特性分析及防護(hù)。

The Simulation and Protective Measures Study by Simulation on VFTO in GIS

Liu Weiqing1Yang Qin2Deng Chuanhai1Xiao Jieping1Wang Han1
(1. School of Electrical Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin132012; 2. School of Information Engineering, Northeast Dianli University, Jilin, Jilin132012)

Abstract At present, with the wide application of Gas Insulated Switchgear(GIS) in power system, especially in Super Voltage and UHV systems, the damage of equipment caused by Very Fast Transient Over-voltage(VFTO) for disconnector operation get widespread attention. First, obtain the VFTO waveform and amplitude of some main node under Bus-side disconnector operation in a 550kV GIS by using the electromagnetic transient simulation software(ATP-EMTP). Furthermore, the measure to restrain the VFTO in GIS system is propsed by adding closing resistance, loading metal oxide arrester, using grounding switch to release residual charge, paralleling coupling capacitor in high voltage side of main transformer; the method provide a reference to design and product Super Voltage or UHV GIS equipment.

Keywords：gas Insulated Switchgear；very fast transient overvoltage；simulation；disconnector；protective measures

作者簡(jiǎn)介