GIS隔離開關(guān)電弧模型建模研究及其對VFTO的影響

劉德東，何人望，詹驥文，陳臣

(華東交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

1 引言

特快速暫態(tài)過電壓(VFTO)上升時間短、幅值高，波頭幾納秒到幾十納秒不等，尤其在特高壓輸變電系統(tǒng)中，對GIS設(shè)備不同部位以及開關(guān)本身的絕緣都有很大的危害，甚至危及到相連設(shè)備變壓器的絕緣性能。其產(chǎn)生機理主要是觸頭間隙間發(fā)生多次重燃，因此隔離開關(guān)電弧模型的建模直接影響到VFTO的仿真精度［1］。

目前，定值電阻模型和時變電阻模型是VFTO計算時常用的兩種電弧模型，前者只考慮靜態(tài)電弧電阻，后者只考慮電弧預(yù)擊穿過程［2－3］，文獻(xiàn)［4］提出了分段電弧模型，將電弧分為預(yù)擊穿、穩(wěn)態(tài)、和熄弧三段，分別用時變電阻模型、定值電阻模型和不考慮恢復(fù)電壓的mayr電弧模型模擬三個階段的電弧，但缺乏擊穿和熄弧的準(zhǔn)確時間節(jié)點判據(jù)，沒有考慮恢復(fù)電壓的影響［5］。本文提出動態(tài)混合電弧模型，結(jié)合某1000kVGIS變電站，用ATP－EMTP軟件進(jìn)行仿真，MODELS自定義電弧電阻模型，與其他電弧模型對比，分析了新的電弧模型對VFTO的影響，詳細(xì)計算了動態(tài)混合電弧模型下GIS內(nèi)部的VFTO。

2 GIS設(shè)備的暫態(tài)電路模型

某1000kV特高壓變電站，高壓配電裝置采用GIS，出線端布置并聯(lián)電抗器和線路終端設(shè)備。

1000kV高壓側(cè)采用雙母線分段接線，每段母線各安裝避雷器。電氣主接線圖如圖1所示。

2.1 隔離開關(guān)的電弧模型

如上述，目前在VFTO的計算中，常用的兩種隔離開關(guān)的電弧模型是定值電阻模型和時變電阻模型。前者僅考慮靜態(tài)電弧電阻，阻值一般取為2～5的經(jīng)驗值。而隔離開關(guān)的燃弧過程非常復(fù)雜，定值電阻的電弧模型不能準(zhǔn)確地反映電弧電阻的動態(tài)特性，會給計算帶來較大誤差［6］。

時變電阻模型中，將電弧處理成時變電阻的形式，其數(shù)學(xué)模型如下式:

圖1 某1000kV GIS變電站電氣主接線圖

式中:R0=10Ω;T=1ns;Ra=0.5Ω。

在時變電阻的電弧模型中，由式(1)容易看出，時變電阻的等效模型僅考慮了電弧電流過零前，動靜觸頭的預(yù)擊穿過程中電弧電阻的變化趨勢，而沒有考慮電弧電流過零后熄弧階段電弧電阻的變化趨勢。

文獻(xiàn)［5］提出的分段電弧模型分段情況如圖2所示，但隔離開關(guān)的燃弧過程非常復(fù)雜，由于恢復(fù)電壓的影響，會造成一些無規(guī)律性的隨即問題，預(yù)擊穿階段電弧電流曲線式增大，熄弧階段電弧電流曲線式下降等現(xiàn)象。電弧的生命周期并非按照理想的段式發(fā)展，預(yù)擊穿和熄弧的趨勢隨時都可能發(fā)生，這樣就給判斷擊穿和熄弧的準(zhǔn)確時間節(jié)點增加了很大難度。

圖2 分段電弧模型

鑒于以上分析，本文提出動態(tài)混合電弧模型，把燃弧過程分為兩個階段，模型跟蹤弧道電流的變化，實時地調(diào)用兩個階段中分別建立起的電弧模型，分段情況如下:

第一階段即為公式(1)中描述的時變電阻模型，模擬電弧預(yù)擊穿階段。

第二階段融合燃弧階段和熄弧階段，用完整的mayr電弧模型進(jìn)行模擬。因為考慮到目前定值電阻模型值2～5Ω是經(jīng)驗值，會對VFTO的計算產(chǎn)生難以避免的影響。其中mayr電弧模型采用由M.Kizilcay開發(fā)的Mayr的修正方程:

其中:g為動態(tài)電弧電導(dǎo)，S;G為穩(wěn)態(tài)電弧電導(dǎo)，S;τ為電弧時間常數(shù)，s;I為弧道電流，A;P為穩(wěn)態(tài)熱耗，W;U為電弧電壓，V。

模型跟蹤弧道電流的變化，實時地調(diào)用兩個部分中分別建立起的電弧模型，當(dāng)弧道電流增大時，判定電弧有預(yù)擊穿趨勢，調(diào)用階段一中電弧模型，否則，調(diào)用階段二中的電弧模型。

動態(tài)混合模型MODELS程序設(shè)計流程圖如圖3所示，設(shè)計思想如下:

圖3 程序流程圖

(1)模型初始化，選擇預(yù)擊穿階段作為起始點，電弧模型進(jìn)入上述第一階段，R(t)=R0e－(t/T)+Ra，初始狀態(tài)認(rèn)為隔離開關(guān)沒操作前，初始電弧電阻R0為1012，弧道電流為0。

(2)取電弧電阻模型兩端電壓并計算出差值Uh，算出弧道電流賦值給I0，設(shè)電流變量I。

(3)判斷I＞2I0，如果為真，則繼續(xù)使用預(yù)擊穿電弧模型，如果為假，記錄此時刻電弧電阻值R作為下個階段的起始電阻，進(jìn)入第二階段的電弧模型，即mayr電弧模型。

(4)進(jìn)入下個仿真步長進(jìn)行重復(fù)計算。

隔離開關(guān)電弧模型的建立如圖4所示。

其中:U1，U2為電弧電阻兩端電壓，MODELS輸入;R(t)為實時電弧電阻，MODELS輸出，其中MODEL ARC的主要編輯程序如下:

圖4 隔離開關(guān)模型

R:=R0*EXP(－TT/T1)+0.5

第一階段:預(yù)擊穿

I0:=ABS((U2－U1)/R)

I:=I0+I

計算弧道電流

TT:=TT+T1

IF ABS(I)＞2*ABS(I0)THEN

判斷是否I＞I0

I0:=I

R:=R1*EXP(－TT/T1)+0.5

保持預(yù)擊穿階段

R1:=R

ELSE

G1:=1/R1 G2:=I*I/(605000000000+(U2－U1)*I)+1*EXP(－(1E－9)/(1.69E－9))

第二階段:marry電弧模型

G:=G1+G2

R:=1/G

I0:=I

R1:=R

ENDIF

2.2 GIS其他設(shè)備的計算模型

在VFTO的計算中，考慮到電磁波的傳播過程，將變壓器等效成一個集中地對地電容，斷路器等效為斷口的等效串聯(lián)電容［7－8］，取值。波速，GIS管線波阻抗。計算過程中電壓采用標(biāo)幺值，基準(zhǔn)電壓取系統(tǒng)運行最高相電壓峰值，即:

3 VFTO的計算與分析

隔離開關(guān)操作時觸頭間隙會發(fā)生多次重燃，每次重燃都可能引起VFTO。幅值較大的VFTO在觸頭間距較大時產(chǎn)生，但2次幅值較大的重燃之間幾乎無重疊，上次重燃只決定了下次重燃時空載母線的殘壓。因此，本文只考慮1次電弧過程中產(chǎn)生的VFTO，不考慮多次重燃［9－10］。

為簡要起見，本節(jié)讓一號主變壓器運行，經(jīng)母線直接向線路2L送電。隔離開關(guān)操作時，殘余電壓以－1.0p.u考慮，此時電弧重燃，產(chǎn)生的VFTO是最嚴(yán)重的［11－13］。通過與定值電阻模型和時變電阻電弧模型的對比，詳細(xì)計算了GIS內(nèi)部的VFTO，分析了GIS內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備處VFTO的極值。三種電弧模型下隔離開關(guān)處的VFTO和電流波形如圖5所示。

圖5 三種電弧模型下隔離開關(guān)處的VFTO和電流

由圖5可以看出，三種電弧模型下隔離開關(guān)處VFTO和電流的變化趨勢大致相同，其中動態(tài)混合電弧模型與時變電弧模型下的VFTO和電流變化曲線吻合較好，電壓極值處有明顯不同之處，動態(tài)混合電弧模型下的VFTO和電流波頭相對比較明顯，這是因為此時弧道電流幅值最大，在發(fā)生變化的臨界點，電弧電阻跟蹤電弧電流的變化而發(fā)生了變化。定值電弧模型下的VFTO和電流比前兩者的幅值較低、波形陡度明顯下降。

VFTO高幅值的特性對GIS設(shè)備絕緣行會造成很大的危害［14－16］，表1列出了三種電弧模型下GIS關(guān)鍵設(shè)備處VFTO的極值仿真結(jié)果的對比，圖6給出了其圖形變化效果。

表1 GIS各關(guān)鍵設(shè)備處VFTO的極值

由表1可以看出，動態(tài)電弧模型下GIS內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備處VFTO的極值比時變電弧模型和定值電弧模型下的極值大，而定值電阻模型下GIS內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備處VFTO的極值總體最小。圖5中可以直觀的得出:三種模型下，GIS各個關(guān)鍵設(shè)備中，按VFTO水平高低排序為:母線端部、變壓器側(cè)操作隔離開關(guān)、操作隔離開關(guān)、變壓器。

圖6 GIS各關(guān)鍵設(shè)備處VFTO的極值

由于動態(tài)混合電弧模型受電弧電流實時變化的影響較大，文章對三種電弧模型下隔離開關(guān)處電流進(jìn)行了分析，其中電流極值如表2所示。

表2 電弧電流幅值

由表2可以看到，三種電弧模型相比，時變電阻電弧模型下隔離開關(guān)處電流極值要比動態(tài)混合電弧模型下的略大，定值電阻模型(定值電弧電阻取值為3)下電流極值最小。

VFTO暫態(tài)振蕩頻率主要有基本振蕩頻、高頻振蕩、特高率振蕩頻率組成［12－13］，圖7是三種電弧模型下操作隔離開關(guān)處的VFTO波形圖和頻譜分析。

圖7 不同電弧模型下操作隔離開關(guān)處的VFTO波形和頻譜分析圖

相比之下，新電弧模型下操作隔離開關(guān)處VFTO波形陡度更高，頻率分布更為廣泛，幅值略高，暫態(tài)振蕩主要有1MHz左右的基本振蕩、10～40MHz左右的高頻振蕩、60～80MHz和90～100MHz的特高頻振蕩組成，其中90～100MHz的特高頻振蕩比其他兩種電弧模下的顯著。三種模型基本振蕩頻率基本相同，這是因為基本振蕩頻率主要由整個系統(tǒng)中的電感和電容決定。

4 結(jié)語

隔離開關(guān)電弧模型的選擇對VFTO仿真結(jié)果的準(zhǔn)確與否影響很大，本文提出一種新的動態(tài)混合電弧模型，結(jié)合某1000kVGIS變電站，通過與其他電弧模型對比對GIS內(nèi)部的VFTO進(jìn)行了詳細(xì)計算，結(jié)果表明:

(1)動態(tài)混合電弧模型下得到的隔離開關(guān)處的VFTO波形和電流波形與定值電阻模型和時變電阻模型下得到的變化趨勢基本相同，其中與時變電弧模型的仿真結(jié)果吻合較好，在電壓和電流極值處都有明顯不同，動態(tài)混合電弧模型下的VFTO極值較大。

(2)動態(tài)電弧模型下GIS內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備處VFTO的極值比時變電弧模型和定值電弧模型下的極值大，而定值電阻模型下GIS內(nèi)部關(guān)鍵設(shè)備處VFTO的極值總體最小。GIS各個關(guān)鍵設(shè)備中，按VFTO水平高低排序為:母線端部、變壓器側(cè)操作隔離開關(guān)、操作隔離開關(guān)、變壓器。

(3)動態(tài)混合電弧模型下操作隔離開關(guān)處的VFTO波形陡度更高，頻率分布比其他兩種電弧模型分布更為廣泛，幅值略高，VFTO暫態(tài)振蕩主要有1MHz左右的基本振蕩、10～40MHz左右的高頻振蕩、60～80MHz和90～100MHz的特高率振蕩組成。其中90～100MHz的特高頻振蕩比其他兩種電弧模下的顯著。

綜合以上結(jié)論，結(jié)果表明:在VFTO的計算和分析中，用動態(tài)混合電弧模型模擬隔離開關(guān)的電弧過程是適用的。

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