基于不同燃弧電路模型的快速暫態過電壓研究

左明鑫,王忠利

(鄭州科技學院 電氣工程學院,河南 鄭州 450064)

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基于不同燃弧電路模型的快速暫態過電壓研究

左明鑫,王忠利

(鄭州科技學院 電氣工程學院,河南 鄭州 450064)

研究在不同燃弧電路模型時快速暫態過電壓的幅值和頻率特性，結合電弧的特點與電感元件的特性，認為電阻和電感串聯模型更合理，為進一步分析VFTO作用下GIS的絕緣性能提供參考。

快速暫態過電壓;燃弧電路模型;頻率分量;電感元件

1 前言

GIS(Gas-Insulated Switchgear，簡稱GIS)以占地面積小、安全可靠等系列優點得到相關部門的認可，但GIS中隔離開關操作時產生幅值較高、頻率很大的快速暫態過電壓VFTO(Very Fast Transient Over-voltage)，它對GIS內部設備的絕緣以及鄰近設備都可能造成一定程度的危害，該問題得到相關部門的關切[1-2]。但是在計算機模擬仿真分析VFTO時隔離開關的燃弧電路模型目前沒有統一的結構，這給分析VFTO的特性以及分析VFTO對電力系統的影響帶來一定的困擾，故研究隔離開關的燃弧電路模型具有一定的實際意義。

本文基于不同的隔離開關燃弧電路模型進行分析，分別用時變電阻模型、電阻和電感串聯模型、電阻和電感串聯再并聯電容模型等三種電路來近似模擬等效隔離開關燃弧狀態，在這三種情況下分析VFTO的特性，找出更合理的模型，為進一步分析VFTO作用下GIS的絕緣性能提供參考。

2 燃弧電路模型的選取

圖1所示為某些變電站500kVGIS典型的部分接線圖，圖中T為變壓器，ES為接地開關，DS為隔離開關，CT為電流互感器，CB為斷路器，BUS為母線，分析的是當CB、DS2及所有ES均斷開時，對DS1進行操作時的狀態。

圖1 500kV GIS部分接線圖

針對500kV GIS結構的特點，給出GIS中各主要元件除了隔離開關燃弧之外的其他等效模型和參數，列于表1，GIS中各元件的模型和參數(包括隔離開關燃弧)有的是參考文獻[3-9]，有的模型是依據實際結構經過合理分析給出的，有的參數是經過仿真計算得到的。而關于隔離開關燃弧狀態的等效電路模型分時變電阻模型、電阻和電感串聯模型以及電阻和電感串聯再并聯電容模型等三種情況進行討論。

圖4 電阻和電感串聯再并聯電容模型

圖5 隔離開關結構示意圖

3 VFTO的仿真計算結果

表1 GIS主要元件的等效模型及參數

結合文獻[9]，在GIS中斷路器開斷端的支撐絕緣子處的VFTO幅值最高，鑒于此，本文只分析斷路器開斷端的支撐絕緣子處的VFTO波形。

圖6 時變電阻模型時VFTO波形

圖7 電阻和電感串聯模型時VFTO波形

從圖6～圖8可以看出，在時變電阻模型、電阻和電感串聯模型以及電阻和電感串聯再并聯電容模型時斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的電壓幅值分別為3.0351p.u、3.1344p.u和3.0868p.u，發生時刻均為17.45μs，由此可見，在電阻和電感串聯模型時VFTO波形的電壓幅值最高。

圖8 電阻和電感串聯再并聯電容模型時VFTO波形

4 VFTO的頻率特性

為了更全面的分析這三種模型時VFTO波形的情況，下面分別對這三個VFTO波形進行快速傅里葉變換，提取出頻率成份及對應的電壓信息。

圖9 時變電阻模型時VFTO頻譜圖

圖10 電阻和電感串聯模型時VFTO頻譜圖

圖11 電阻和電感串聯再并聯電容模型時VFTO頻譜圖

從圖8～圖10可以看出，在時變電阻模型、電阻和電感串聯模型以及電阻和電感串聯再并聯電容模型時，斷路器開斷端的支撐絕緣子處的VFTO波形所包含的頻率分量都是相當豐富，并且數值很大，多數頻率分量集中于2.75～44.8MHz，也有少數頻率分量超過100MHz，比如120.8MHz、157.95MHz和196.55MHz，甚至有極少數頻率分量超過200MHz，如237.3MHz和279.35MHz，不論是哪種模型時基頻分量均為2.75MHz，這充分說明了VFTO波形的基頻分量是由GIS本身結構的等效電感和電容的大小來決定的，這和隔離開關的燃弧等效電路模型幾乎沒有關系，根據文獻[9-10]中提到的德拜方程可知，基頻分量對絕緣介質的介電常數影響較小，并且相對應的電壓幅值又不太高，所以基頻分量對GIS的絕緣應該不會造成太大的威脅。但是除了基頻分量外，還包括十幾、幾十兆赫茲甚至更大的高頻率分量，這些高頻率分量可以較明顯的降低絕緣介質的介電常數，使其放電、擊穿電壓的基準值有所降低，從而影響GIS的絕緣水平，但是在特高頻率分量下，雖然可以明顯降低絕緣介質的介電常數，由于對應的電壓幅值很低，對GIS的絕緣也應該不會造成太大的影響，那么在10～150MHz頻率段，既明顯降低絕緣介質的介電常數，又有較高的幅值，自然會對GIS的絕緣造成較大的影響，應引起重視。

對比分析三種電路模型時VFTO波形在10～150MHz頻率段的電壓幅值情況，從圖9～圖11可以看出，在時變電阻模型時這個頻率段的電壓幅值最低，GIS中隔離開關在開斷過程中產生的電弧，在變化過程中涉及物質的組成和物性變化、電磁場分布、能量的輸運等問題，它受電場、磁場等的共同作用和影響[4]，僅僅用電阻來等效燃弧電路不太恰當，而隔離開關在打開狀態時由于極間電容很小，通常作為開路開關處理即可[8]，無需再并聯電容。結合電感元件的特征，當電感線圈中有電流通過時，線圈的周圍會有磁場出現，如果線圈中電流發生變化時，其周圍的磁場也會相應的變化，電感元件也能實現電能與磁能之間的相互轉化，因此串聯一個電感元件更能體現燃弧的特點，并且在電阻和電感串聯模型時VFTO波形的電壓幅值最高，在10～150MHz頻率段頻率分量對應的電壓幅值也最高，因此在這三種燃弧電路模型中電阻和電感串聯模型更接近燃弧的實際情況，為進一步分析VFTO作用下GIS的絕緣性能提供參考。

5 結論

(1)仿真計算出三種模型時斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形，在電阻和電感串聯模型時VFTO波形的幅值最高，為3.1344p.u。

(2)對VFTO波形進行快速傅里葉變換，電阻和電感串聯模型時VFTO在對GIS的絕緣造成較大影響的10～150MHz頻率段的電壓幅值最高。

(3)再結合電弧的特點與電感元件的特性，認為在這三種模型中電阻和電感串聯模型更接近燃弧的實際情況。

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Study on VFTO Based on different Arc Circuit Models

ZUOMing-xin，WANGZhong-li

(Department of Electrical Engineering，Zhengzhou College of Science &Technology,Zhengzhou 450064，China)

Study the feature of amplitude and frequency of VFTO,combine the character of arc and feature of inductance element,think resistor and inductance series connection more appropriate,provide reference for further analysing insulating property of GIS.

VFTO;arc circuit model;frequency component;inductance element

1004-289X(2015)04-0085-04

TM71

B

2015-04-05

左明鑫(1980.12-)，男，碩士研究生，研究方向：電工理論與新技術。