基于頻敏高-低阻層疊母線結(jié)構(gòu)的特快速暫態(tài)過電壓高頻成分抑制方法

李紅斌 韓林汕 葉國雄 陳 慶 焦 洋

基于頻敏高-低阻層疊母線結(jié)構(gòu)的特快速暫態(tài)過電壓高頻成分抑制方法

李紅斌1韓林汕1葉國雄2陳 慶1焦 洋1

（1. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 武漢 430074 2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司 武漢 430074）

在特快速暫態(tài)過電壓（VFTO）中，高頻成分的幅值大、耦合強(qiáng)，對電氣設(shè)備的安全運(yùn)行造成嚴(yán)重威脅。目前已開展相關(guān)研究，但未能完全解決，一、二次融合設(shè)備已加裝防護(hù)措施但仍發(fā)生故障的情況時(shí)有發(fā)生。對此，該文在探明母線電阻對高頻信號衰減過程影響的基礎(chǔ)之上，充分利用趨膚效應(yīng)的頻率敏感性，通過在常規(guī)母線表面增加高阻表層，構(gòu)建高-低阻介質(zhì)層疊的母線結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)高頻抑制：正常工頻成分在里層低阻介質(zhì)中傳輸，不受影響；VFTO高頻成分被約束在表層高阻介質(zhì)中傳輸，其幅值與振蕩時(shí)間將顯著降低。進(jìn)一步，開展等效試驗(yàn)，驗(yàn)證其有效性。

特快速暫態(tài)過電壓 高頻抑制 頻敏高-低阻層疊母線 趨膚效應(yīng) hp自適應(yīng)有限元法

0 引言

氣體絕緣變電站（Gas Insulated Substation, GIS）中的隔離開關(guān)在分合閘過程中會發(fā)生多次重燃或預(yù)擊穿現(xiàn)象，每次擊穿均會產(chǎn)生一次陡變的電壓行波，在GIS內(nèi)部波阻抗不連續(xù)點(diǎn)處發(fā)生多次折射、反射和疊加，最終形成波前陡、幅值高、頻帶寬、持續(xù)時(shí)間長的特快速暫態(tài)過電壓（Very Fast Transient Overvoltage, VFTO）[1-7]。VFTO不僅會對變電站一次設(shè)備特別是繞組類設(shè)備的絕緣產(chǎn)生危害，造成GIS一次母線對外殼的絕緣事故以及與GIS相連的繞組類設(shè)備的絕緣事故，還會對變電站中二次設(shè)備的安全準(zhǔn)確運(yùn)行產(chǎn)生危害，威脅二次弱電設(shè)備的絕緣，導(dǎo)致二次設(shè)備出現(xiàn)故障。因此，為了維護(hù)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須采取措施對VFTO進(jìn)行抑制。

VFTO的振蕩頻率主要包含kHz頻段的基本振蕩頻率和MHz頻段的高頻及特高頻振蕩頻率。其中kHz頻段由整個(gè)系統(tǒng)所決定，其幅值不高，對絕緣危害較小；MHz頻段由陡行波在GIS內(nèi)發(fā)展形成，疊加到基本振蕩過程上構(gòu)成VFTO最重要的部分，它決定了對絕緣的危害程度。目前，VFTO抑制方法研究主要分為兩大類：①抑制VFTO的產(chǎn)生過程。其中最具代表性的方法是隔離開關(guān)加裝分合閘電阻[8-9]，具體是通過隔離開關(guān)操作時(shí)串聯(lián)電阻的吸收能量特性降低VFTO的幅值和陡度，但隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，降低系統(tǒng)的可靠性，增大了機(jī)械故障概率。此外，控制隔離開關(guān)操作過程，如控制分合閘速度[10-11]和分合閘相角[12]也能降低VFTO的擊穿次數(shù)和持續(xù)時(shí)間，但對幅值和陡度的作用不大，且依賴更復(fù)雜的操動機(jī)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)動作狀態(tài)的精確控制。②抑制VFTO的傳播過程。這種方法通過改變VFTO傳播路徑上的波阻抗實(shí)現(xiàn)對VFTO的抑制。其中最具代表性的方法是清華大學(xué)提出的鐵氧體磁環(huán)法[13-14]和ABB公司提出的磁環(huán)法[15]，均可抑制VFTO幅值，但鐵氧體材料存在飽和特性限制，且在電動力作用下易斷裂、掉渣，影響抑制效果，帶來安全隱患。當(dāng)VFTO傳播至GIS外部時(shí)，可利用金屬氧化物避雷器[16-17]和架空線的電暈效應(yīng)[18]來抑制VFTO，但金屬氧化物避雷器對陡度作用不大，且僅能覆蓋避雷器臨近線路，架空線的抑制效果也不甚理想。可見，盡管已開展了研究工作并實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，但無法完全解決VFTO高頻成分引起的電磁兼容問題，已加裝防護(hù)措施的一二次融合設(shè)備出現(xiàn)異常的情況仍時(shí)有發(fā)生，因此，進(jìn)一步開展抑制方法的探索，極為必要。

對此，本文提出了一種VFTO高頻成分抑制新方法：首先，借助hp自適應(yīng)有限元法，開展了VFTO波過程的仿真研究，探明了母線電阻對信號衰減過程的影響情況；其次，充分利用趨膚效應(yīng)的頻率敏感性，提出了頻敏高-低阻介質(zhì)層疊母線結(jié)構(gòu)（后文簡稱頻敏層疊母線），中、低頻信號被約束在里層低阻介質(zhì)中傳輸，不受影響，而高頻信號被約束在表層高阻介質(zhì)中傳輸，快速衰減；然后，建立了高頻趨膚效應(yīng)下的交流電阻計(jì)算模型，研究了表層介質(zhì)材料、表層厚度以及表層覆蓋率對其抑制效果的影響情況，為表層材料類型和結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供依據(jù)；最后，在實(shí)驗(yàn)室中對鎳-銅層疊母線樣品開展等效試驗(yàn)，高頻信號抑制效果顯著優(yōu)于純銅母線，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

1 VFTO高頻成分抑制基本思路

1.1 VFTO高頻成分特征分析

VFTO典型的全過程波形如圖1所示。VFTO主要包含kHz頻段的基本振蕩頻率、MHz頻段的高頻及特高頻振蕩頻率，其中MHz頻段疊加在kHz頻段上構(gòu)成VFTO全過程。

圖1 VFTO典型波形

根據(jù)天線理論，能量在遷移和分配過程中具有頻率選擇特性；根據(jù)傳輸線理論，頻率越高，能量遷移區(qū)域越小。在MHz頻段內(nèi)，GIS管道的幾何長度不再遠(yuǎn)小于傳輸電磁波的波長，因此需要考慮傳輸線的分布效應(yīng)，即傳輸線上的電壓與電流是隨時(shí)間和空間位置而變化的。因此本文從能量交換的角度，分析VFTO中MHz頻段的產(chǎn)生機(jī)理。

MHz頻段信號主要在GIS管道中傳輸，管道長度及結(jié)構(gòu)、開關(guān)及觀測點(diǎn)的空間位置使得開關(guān)兩端顯示出不同性質(zhì)的阻抗，當(dāng)開關(guān)兩端管道的合成阻抗為容性時(shí)，會和電弧燃燒時(shí)的等效電感發(fā)生諧振，進(jìn)而產(chǎn)生10MHz乃至數(shù)10MHz的諧振電壓信號，此時(shí)高頻電磁能量僅在開關(guān)附近的母線中遷移并重新分配，產(chǎn)生的行波經(jīng)過多次折反射形成頻率可達(dá)上百M(fèi)Hz的特快速暫態(tài)過電壓。

1.2 母線電阻的抑制效應(yīng)理論分析

GIS中隔離開關(guān)在分合閘過程中，觸頭間隙之間的SF6氣體被擊穿形成回路，單次擊穿等效電路如圖2所示。

圖2 單次擊穿等效電路

式中

1.3 母線電阻的抑制效應(yīng)仿真驗(yàn)證

進(jìn)一步，以中國電力科學(xué)研究院（武漢）的220kV GIS試驗(yàn)平臺為例，借助研究團(tuán)隊(duì)已提出的VFTO高頻仿真方法[19]，獲取不同母線電阻下的VFTO高頻成分暫態(tài)波形，評估抑制效果。VTFO仿真回路如圖3所示。

圖3 VFTO仿真回路

圖4 不同母線電阻對VFTO高頻成分抑制效果

由圖4可見，母線電阻變化將造成O節(jié)點(diǎn)電壓變化。進(jìn)一步增大母線電阻至10、20、50、100倍，記錄O節(jié)點(diǎn)的電壓峰值和振蕩時(shí)間，匯總至表1。

表1 不同母線電阻對VFTO高頻成分抑制效果

Tab.1 The suppression effect on VFTO high frequency signal of different busbar resistance

由表1可見，當(dāng)母線電阻增大至100倍時(shí)，電壓峰值降幅可達(dá)15.97%；振蕩時(shí)間降幅可達(dá)88.68%。那么，通過增大母線電阻以實(shí)現(xiàn)高頻信號的快速衰減是可行的。

2 VFTO高頻成分抑制實(shí)現(xiàn)方法

2.1 頻敏層疊母線結(jié)構(gòu)

由1.2節(jié)內(nèi)容可知，提高母線電阻是一種抑制VFTO高頻成分的有效方法。若直接將母線更換為電導(dǎo)率較低的材料，母線電阻將整體增大數(shù)十倍乃至上百倍，在面臨數(shù)百安培工頻電流時(shí)的發(fā)熱更為顯著，造成GIS內(nèi)部溫度上升，帶來安全隱患。因此，相較于傳統(tǒng)銅介質(zhì)母線，具有高頻信號抑制作用的母線結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足：①高頻信號下的等效電阻增大數(shù)十倍甚至上百倍；②中、低頻信號下的等效電阻變化不大。

考慮到高頻信號在傳輸過程中的趨膚效應(yīng)，本文提出了一種高-低阻抗介質(zhì)層疊的母線結(jié)構(gòu)：在GIS常規(guī)母線表面通過電鍍工藝外包較薄高磁導(dǎo)率、低電導(dǎo)率材料的表層，而不需要改變現(xiàn)有母線內(nèi)部結(jié)構(gòu)、安裝方式等，頻敏層疊母線整體如圖5所示。

圖5 頻敏層疊母線整體圖

圖5中1為空心常規(guī)母線里層，2為高磁導(dǎo)率、低電導(dǎo)率材料表層。該方法基于趨膚效應(yīng)，具有固有的頻率敏感選擇特性，即工頻信號仍通過內(nèi)層常規(guī)母線傳輸，此時(shí)頻敏層疊母線與常規(guī)母線沒有區(qū)別，不影響工頻信號正常傳輸；但高頻信號會逐漸集中在表層中傳輸，頻敏層疊母線的高頻電阻增大則有功損耗增加，從而抑制行波的發(fā)展，達(dá)到降低VFTO高頻成分幅值和加快行波衰減速度的目的。

2.2 頻敏層疊母線可行性論證

在現(xiàn)有的計(jì)算方法中，雙層導(dǎo)體在高頻交流下的電阻特性計(jì)算已有精確的解析計(jì)算公式[23-25]。根據(jù)圖5所示，沿圓母線中心建立柱坐標(biāo)系，設(shè)定電流只有軸向，則由Maxwell方程組可以得到

由式（3）可得導(dǎo)線內(nèi)部電流密度分布為

根據(jù)坡印廷矢量可得

式中，J1為一階第一類貝塞爾函數(shù)；Y1為一階第二類貝塞爾函數(shù)。根據(jù)式（7）可知，表層介質(zhì)的磁導(dǎo)率越高、電導(dǎo)率越低，母線的高頻等效電阻就越大，即對高頻信號抑制效果越強(qiáng)。

圖6 趨膚效應(yīng)電阻曲線

2.3 頻敏層疊母線抑制效果影響因素

頻敏層疊母線的高頻等效電阻主要受表層介質(zhì)材料、表層厚度以及表層覆蓋率的影響，其中表層覆蓋率的定義為需電鍍表層介質(zhì)材料的母線長度占GIS母線總長度的比例。因此，本文以2.2節(jié)中220kV電壓等級的GIS母線參數(shù)為例，對上述三種影響因素進(jìn)行分類討論。

2.3.1 表層介質(zhì)材料

圖7 兩種表層介質(zhì)材料的抑制效果

由圖7可知，相較于鈷材料，鎳材料對VFTO高頻成分幅值和振蕩時(shí)間抑制效果更好。可見，頻敏層疊母線的表層介質(zhì)材料應(yīng)選擇高磁導(dǎo)率、低電導(dǎo)率材料。

2.3.2 表層厚度

借助1.2節(jié)中的建模方法，設(shè)置表層介質(zhì)材料為鎳材料、表層覆蓋率為100%，仿真表層厚度分別為50μm和100μm時(shí)兩種頻敏層疊母線的抑制效果，結(jié)果如圖8所示。

圖8 兩種表層厚度的抑制效果

由圖8可知，表層厚度為50μm時(shí)的抑制效果優(yōu)于100μm，可見較薄的表層能帶來更強(qiáng)的抑制能力。理論上應(yīng)將厚度控制為盡可能低的水平，但過小的厚度難以加工，且易破損剝落，實(shí)際應(yīng)結(jié)合加工工藝和使用壽命進(jìn)行綜合決策。

2.3.3 表層覆蓋率

借助1.2節(jié)中的建模方法，設(shè)置表層介質(zhì)材料為鎳材料、表層厚度為50μm，仿真表層覆蓋率分別為30%、60%、100%時(shí)三種頻敏層疊母線的抑制效果，結(jié)果如圖9所示。

圖9 三種表層覆蓋率的抑制效果

由圖9可知，表層覆蓋率越高，高頻信號幅值和振蕩時(shí)間抑制效果越好。

3 等效試驗(yàn)與有效性驗(yàn)證

3.1 等效試驗(yàn)系統(tǒng)

為驗(yàn)證基于頻敏層疊母線結(jié)構(gòu)的VFTO高頻成分抑制方法的有效性，根據(jù)中國電力科學(xué)研究院（武漢）的GIS試驗(yàn)平臺的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)參數(shù)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，搭建縮小版GIS管道等效試驗(yàn)系統(tǒng)，對常規(guī)母線和頻敏層疊母線進(jìn)行低電壓放電試驗(yàn)，試驗(yàn)原理和現(xiàn)場分別如圖10和圖11所示。

圖10 試驗(yàn)原理圖

圖11 試驗(yàn)現(xiàn)場

圖10和圖11中模擬母線有常規(guī)結(jié)構(gòu)和層疊結(jié)構(gòu)兩組，每組包含兩根長度1.2m的圓柱導(dǎo)桿：常規(guī)結(jié)構(gòu)模擬母線由銅材料制成，直徑10mm；層疊結(jié)構(gòu)模擬母線則根據(jù)2.3節(jié)分析結(jié)果以及電鍍工藝限制。選擇的最佳結(jié)構(gòu)尺寸：表層介質(zhì)材料為鎳材料，表層厚度為50μm，表層覆蓋率100%；銅管外殼為銅材料，用于模擬GIS管道，內(nèi)徑40mm；內(nèi)部布置了多個(gè)矩形截面環(huán)氧樹脂圓環(huán)件來模擬盆式絕緣子，起到絕緣和支撐模擬母線的作用。

模擬母線R右端連接直流源和機(jī)械推動機(jī)構(gòu)，左端與模擬母線L間存在氣隙。在試驗(yàn)過程中，模擬母線R在機(jī)械推動機(jī)構(gòu)作用下以固定速度靠近并接觸模擬母線L，以此模擬隔離開關(guān)中動靜觸頭運(yùn)動并發(fā)生氣隙擊穿放電過程。在模擬母線L兩端分別布設(shè)監(jiān)測探頭，右端用于監(jiān)測輸入電壓波形，左端用于監(jiān)測輸出電壓波形。

在試驗(yàn)過程中，激勵(lì)為KEYSIGHT E36234A直流源產(chǎn)生的直流電壓，幅值120V；監(jiān)測系統(tǒng)由差分探頭（YOKOGAWA 700924）與數(shù)字存儲示波器（KEYSIGHT DSOX2024A）構(gòu)成，采樣率為1GS/s。

3.2 試驗(yàn)過程與結(jié)果分析

安裝常規(guī)結(jié)構(gòu)等效母線至L、R段，控制機(jī)械推動機(jī)構(gòu)執(zhí)行模擬母線之間的靠近、接觸過程，記錄測量點(diǎn)1、2的時(shí)域波形（首次擊穿尖峰），并獲取10～100MHz范圍內(nèi)各頻率成分的分布，如圖12所示。

圖12 常規(guī)母線雙測量點(diǎn)時(shí)域和頻譜圖

類似地，安裝鎳-銅層疊結(jié)構(gòu)等效母線至L、R段，重復(fù)上述過程，試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

圖13 頻敏層疊母線雙測量點(diǎn)時(shí)域和頻譜圖

觀察圖12和圖13中的頻譜圖可知，四段監(jiān)測波形中均存在20MHz、40MHz、60MHz頻率附近的突出分量，抽取相關(guān)數(shù)據(jù)匯總見表2。

根據(jù)表2中數(shù)據(jù)可知，相較于常規(guī)母線，層疊母線在20MHz附近的能量衰減最為顯著，降幅達(dá)到了62.8%。進(jìn)一步從全局角度出發(fā)，計(jì)算10～ 100MHz范圍內(nèi)所有頻率成分的累計(jì)有效值，結(jié)果見表3。

表2 兩種母線的時(shí)頻域參數(shù)

Tab.2 The time-frequency domain parameters of two kinds of busbar

表3 兩種母線的頻譜累計(jì)有效值

Tab.3 The effective value of spectrum accumulation of two kinds of busbar

根據(jù)表3中數(shù)據(jù)可知，相較于常規(guī)母線，層疊母線高頻能量累計(jì)有效值衰減比的降幅達(dá)到了21.1%。可見，層疊母線具有更為顯著的高頻成分抑制能力。

需要說明的是，實(shí)際母線的直徑數(shù)倍于等效母線，而表層介質(zhì)的厚度可維持不變；此時(shí)，表層、里層介質(zhì)的電阻差異性更大，頻敏高-低阻層疊母線結(jié)構(gòu)在高頻成分抑制上的優(yōu)越性將進(jìn)一步凸顯。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有VFTO高頻成分抑制方法的局限，本文根據(jù)高頻趨膚效應(yīng)提出了一種新的VFTO抑制方法，即頻敏層疊母線。通過仿真和試驗(yàn)研究得到以下結(jié)論：

1）探明了母線電阻對VFTO高頻成分的抑制作用：電阻增大100倍，暫態(tài)峰值降低15.97%，振蕩時(shí)間縮短88.68%。

2）提出了高-低阻抗介質(zhì)層疊的母線結(jié)構(gòu)：通過在常規(guī)母線表面增加高阻表層，實(shí)現(xiàn)中低頻通、高頻阻。

3）實(shí)際應(yīng)用時(shí)，表層應(yīng)選擇高磁導(dǎo)率、低電導(dǎo)率材料，且保證其厚度小、覆蓋率高。

4）在實(shí)驗(yàn)室開展低壓等效試驗(yàn)，較常規(guī)母線，層疊母線可將高頻成分能量衰減21.1%。

未來將在中國電力科學(xué)研究院（武漢）的GIS平臺開展試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的工程有效性。

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A Suppressing Method for Very Fast Transient Overvoltage Based on a Frequency-Sensitive Busbar with a Laminated-Material Structure

Li Hongbin1Han Linshan1Ye Guoxiong2Chen Qing1Jiao Yang1

（1. School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. China Electric Power Research Institute Wuhan 430074 China）

In very fast transient overvoltage (VFTO), the high frequency component has high amplitude and strong coupling, which poses a serious threat to the safe operation of electrical equipment. At present, some research works on suppression methods have been carried out, but the fault situations of the primary and secondary fusion equipment equipped with protective measures have not been completely solved. In that case, on the basis of ascertaining the influence of busbar impedance on the high frequency signal attenuation process, making full use of the frequency sensitivity of the skin effect, this paper proposes a high-low resistance laminated busbar structure for high-frequency component suppression, by adding high-resistance surface layer to the surface of conventional busbar: the power frequency component is transmitted in the inner low-resistance medium and is not affected; the high-frequency component of VFTO is constrained in the surface high-resistance medium during transmission to improve the speed and amplitude of attenuation greatly. Furthermore, an equivalent experiment has been carried out to verify the effectiveness of this method.

Very fast transient overvoltage (VFTO), high frequency component suppression, frequency sensitive high-low resistance laminated busbar, skin effect, hp adaptive finite element method

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221285

TM864

國家自然科學(xué)基金智能電網(wǎng)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（U1866201）。

2022-06-30

2022-07-26

李紅斌 女，1967年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娮邮诫娏骰ジ衅鳌㈦妷夯ジ衅骷白詣踊瘷z測技術(shù)。E-mail：lihongbin@hust.edu.cn

焦 洋 男，1992年生，博士，研究方向?yàn)殡姶艜簯B(tài)仿真。E-mail：yyangjiao@hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 郭麗軍）