550kV GIS 中快速暫態(tài)過電壓仿真及防護措施研究

柳偉青　楊　琴　鄧傳海　肖階平　王　涵

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

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550kV GIS 中快速暫態(tài)過電壓仿真及防護措施研究

柳偉青1楊琴2鄧傳海1肖階平1王涵1

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

摘要目前，隨著全封閉組合電器（GIS）的廣泛應用于電力系統(tǒng)，尤其是在超、特高壓系統(tǒng)中，由隔離開關操作引起的特快速暫態(tài)過電壓（VFTO）對設備造成的危害得到普遍關注。首先利用電磁暫態(tài)仿真軟件（ATP-EMTP）仿真計算550kV GIS中在操作母線側隔離開關的操作方式下一些主要節(jié)點的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、利用接地開關泄放殘余電荷、主變高壓側加裝并聯(lián)耦合電容器的方法，為超、特高壓GIS設備的設計及生產(chǎn)提供依據(jù)。

關鍵詞：全封閉組合電器；快速暫態(tài)過電壓；仿真；隔離開關；防護措施

在電網(wǎng)系統(tǒng)中隨著電壓等級的不斷升高，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、運行費用低、有利于環(huán)境保護等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到廣泛應用。研究表明，隔離開關（DS）沒有滅弧裝置，對于330kV及以上電壓等級的GIS中隔離開關的操作會產(chǎn)生VFTO，其主要特點是幅值一般不超過2.5p.u.（標幺值），最高可達到3.0p.u.，頻率可達到幾十甚至上百MHz，且波形陡度比較大，上升時間ns級[1-3]，這不但對主回路本體設備容易引起對地故障，而且造成相鄰設備（如變壓器等）的絕緣損壞，甚至二次設備也產(chǎn)生嚴重的影響[4-8]。

以往對VFTO的研究方法主要是理論分析、實驗室模擬實驗、計算機的數(shù)值模擬仿真以及現(xiàn)場實測實驗。完全利用實測試驗固然是最可靠的，但不現(xiàn)實，也沒有必要讓電力系統(tǒng)承擔如此大的風險。因此最安全可靠的辦法就是利用計算機數(shù)值模擬進行分析隔離開關操作對VFTO幅值、振蕩頻率、波頭陡度的影響[9]。在此基礎上研究采取一定的防護手段盡量抑制VFTO的辦法。

EMTP是用數(shù)值計算的方法來模擬電力系統(tǒng)的電磁暫態(tài)現(xiàn)象，隨著500kV輸變電系統(tǒng)的建設，EMTP程序由于具有成本低、使用方便、仿真準確的優(yōu)點，可模擬多種在現(xiàn)場和實驗室無法做的試驗，其在電力工業(yè)領域的應用越來越廣泛[10]。利用EMTP計算VFTO，采用集中或分布式的電感或電容來模擬各電氣設備，真實可靠、計算精度較高，為科研、設計和運行提供可靠的數(shù)值依據(jù)。

本文以某550kV系統(tǒng)為例，選取操作母線側隔離開關的操作方式利用EMTP軟件進行仿真計算產(chǎn)生的VFTO，重點考察變壓器出口及關鍵設備處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結構，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避雷器以及一組接地開關，母線上各裝設一組電壓互感器。

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，用單相電路進行模擬仿真。

在變壓器模型的選取方面，文獻[1]指出，當試驗時間為2～30μs時，變壓器波過程基本測不出勵磁電流，計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損均勻傳輸線模型，氣體絕緣變電站GIS內同軸母線外殼與電纜內導體和屏蔽導體的波阻抗由式（1）決定[11]：

式中，R1為屏蔽導體的內半徑，R2為內導體的半徑。經(jīng)計算本系統(tǒng)中GIS母線波阻抗為63Ω，架空線路波阻抗為165Ω。

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

在目前運行的550kV系統(tǒng)中，母線側為420kV避雷器，線路側為444kV避雷器。420kV避雷器電氣特性見表1[15]。

表1　550kV變電站MOA電氣特性

將GIS設備中各元件和設備的模型及參數(shù)用表2等效。

表2　550kV GIS中各元件和設備的模型及參數(shù)

1.3仿真計算分析

GIS中CB有專門的滅弧裝置，分閘時一般不會產(chǎn)生重燃，而DS操作時可能會發(fā)生重燃，以及在管母中多次折、反射后會產(chǎn)生VFTO。通過以往經(jīng)驗可知，在單機、單變、單回線的運行工況方式最為嚴重。因此本文給出了一種運行方式為：#1主變運行，經(jīng)#2母線直接向線路2L送電。此時斷路器在斷開狀態(tài)、母線已工作，合母線側隔離開關DS31，由此確定系統(tǒng)的計算模型。根據(jù)元件參數(shù)設定仿真步長為10?9s和計算時間為20μs。同時考慮重燃最嚴重的情形，即電源側電壓為1.0p.u.，負載側電壓為?1.0p.u.（對于500kV系統(tǒng)中，1p.u.=550×= 449kV）。

參照文獻[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

通過計算得到的各測試點電壓幅值見表3，其仿真波形如圖3至圖5所示。

表3　各測試點VFTO的幅值

圖3　操作的隔離開關處的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

被操作的隔離開關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），對主絕緣影響不大，但是由于主變結構的特殊性及累積效應，同時上升陂度大、振蕩頻率分量高，過電壓對主變的危害也很大。在母線末端部由于波在傳播過程中多次折、反射造成VFTO幅值最高，可達到2.038p.u. （915.065kV），其頻率包含了各個分量（幾百kHz至十幾MHz），電壓波形由各個頻率疊加而成。

2　相關的防護措施

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

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，當動觸頭閉合時，分合閘電阻被旁路；當觸頭擊穿或重燃時，動觸頭與分合閘電阻都同時接入電路；當動觸頭完全斷開后電弧熄滅，分合閘電阻不接入電路。本文計算在隔離開關上裝設不同阻值的分合閘電阻時，產(chǎn)生的過電壓幅值見表4。

表4　不同阻值的合閘電阻產(chǎn)生的VFTO的幅值

通過仿真計算，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系。以主變出口處為例，當并聯(lián)400Ω分合閘電阻時，可以使變壓器入口處過電壓幅值降到1.042p.u.（467.858kV）。

由此可見，在隔離開關上操作的過程中先串入合適的分合閘電阻，阻尼作用使行波上升時間下降，VFTO由無衰減的自由振蕩變?yōu)橛幸?guī)律的振蕩，對VFTO的抑制效果明顯。然而由于GIS緊湊使得隔離開關結構復雜，增加了技術和工藝上的難度，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

在目前應用中，國內大多數(shù)為線路上安裝避雷器對雷擊過電壓進行抑制。對于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，所以本文考慮在靠近主變側距變壓器5～10m處和距母線首段10～15m處上分別加裝一組無間隙氧化鋅避雷器。避雷器用表1的非線性伏安特性的電阻來模擬，經(jīng)計算各測試點過電壓幅值見表5。

表5　各測試點VFTO的幅值

與前面未加防護措施的結果相比較可知，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VFTO有一定的衰減作用，也會降低電壓幅值的振蕩幅度。在主變側加裝避雷器對主變出口處抑制VFTO的效果較為明顯，而在母線上加裝避雷器對操作的隔離開關處起到抑制VFTO的作用。

加裝避雷器對VFTO的保護距離有限，需要幾個避雷器才能保護整個GIS。因此，在主變側、母線側以及出線處同時加裝避雷器時，對VFTO的抑制效果更為明顯，其各測試點過電壓幅值如表6所示，電壓波形如圖6所示。

表6　各測試點VFTO的幅值

圖6　加裝多組避雷器時主變出口處的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GIS內各設備上的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VFTO的抑制程度有限，而且其對頻率和陡度基本無影響。同時也增加了投資。

2.3利用接地開關泄放殘余電荷

當隔離開關對空母線斷開后，母線上的殘余電荷衰減得很慢，會影響VFTO的幅值。本文選取被切合母線上不同的殘留電荷水平，計算操作隔離開關時GIS設備中各主要節(jié)點VFTO的幅值，計算結果見表7。

根據(jù)分析可知，操作開關處、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系，即母線上殘余電荷電壓越高，隔離開關操作產(chǎn)生的VFTO越大。因此，在母線及線路停電后及時利用接地開關來泄放殘余電荷完盡后，仿真計算可得接地開關動作能將母線上、操作的隔離開關處、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試點產(chǎn)生的VFTO的幅值

2.4主變高壓側加裝并聯(lián)電容器

在主變高壓側并接電容器，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，減少對主變繞組的危害。本文初步計算不同的并聯(lián)電容值，其各測試點電壓幅值如表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VFTO的幅值有一定的影響。當加裝不同的并聯(lián)電容器，其對各設備處VFTO的影響是不同的。在離主變很近的位置，其測試點幅值與并聯(lián)電容值成近似線性反比關系，有效降低進入主變的電壓振蕩幅度和波前陡度。而對于GIS設備中其他測試點幅值與并聯(lián)電容值成近似線性正比關系。而不同的電容值對于操作隔離開關處電壓幅值影響不大。從表8中可知，當主變的入口電容小于5000pF，在主變入口靠近主變很近的地方VFTO的幅值減小較快，入口電容小于5000pF其幅值減小較慢，而其他設備測試點則增加幅度不大。所以，由資料可知入口電容等值與電壓等級、容量和結構有關[19]，在與GIS系統(tǒng)相連的變壓器設計方面，可合理的設計變壓器的繞組和匝間結構，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，以及其他設備的電容值有可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振[20]，因此在設計的時候要多加考慮。

3　結論

本文選取了550kV GIS系統(tǒng)，計算了操作的母線側隔離開關處、母線末端處、主變出口處的VFTO，并提出了幾種抑制措施。主要結論如下：

1）當550kV GIS系統(tǒng)內不采取任何的抑制VFTO的措施，由隔離開關產(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和特殊結構，會對變壓器絕緣造成影響，長期也會有損其他GIS設備的絕緣，使母線老化和危害相連二次設備。

2）在隔離開關上斷口處串入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VFTO的抑制效果明顯。但是大大增加了GIS的復雜程度及投資成本。

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

4）在母線及線路停電后及時利用接地開關來泄放殘余電荷能有效的抑制操作產(chǎn)生的VFTO幅值。

5）合理的設計變壓器的繞組和匝間結構，使入口等效電容盡量接近5000pF，也可抑制隔離開關操作產(chǎn)生的VFTO。但要考慮是否會產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。

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柳偉青（1986-），男，碩士研究生，主要研究方向為過電壓特性分析及防護。

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

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