550kv_gis隔离开关产生的过电压计算(编辑修改稿)

550kv_gis隔离开关产生的过电压计算(编辑修改稿)内容摘要：

O 在 GIS 内发展形成，其过电 压的幅值取决于隔离开关触头首次击穿时隔离开关动静触头间的等效电感和电容值及击穿后系统的等效电感和电容值。 高频振荡是 VFTO 最重要的部分，是损坏电气设备绝缘的重要因素，并且决定着 GIS 的绝缘水平。 更高频率的特高频振荡是由于 VFTO 在 GIS 内部相邻部件间不断折射、反射和叠加形成的，通常电压幅值较低，所以对电气设备的影像基本不用考虑。 VFTO 对设备绝缘的影响 VFTO 出现在 GIS 内部，也传播到 GIS 外部，称为 FTO。 出现在架空线路与地之间，也出现在 GIS 金属外壳与地之间，同时，它还通过架空线传播到与 GIS 相连的其它电气设备上。 因而无论在 GIS 内部或外部，均可能遭受 VFTO 的威胁，在设备设计中必须考虑。 沈阳化工大学学士学位论文 第二章 GIS 隔离开关操作引起的 VFTO 9 （ 1） 老化效应 与一般切容性负荷的原理相同， GIS 隔离开关在切、合容性负载时，会产生多次重燃。 燃弧时间相对于隔离开关的操作时间而言非常短，因此，隔离开关在动作一次有可能发生数十次甚至数百次的重燃。 每一次重燃，就有可能产生 VFTO，并产生由引起的具有一定电压幅值的快速瞬变过程，于是就有可能使 GIS 内部设备在一个相当短的时间内经受千次 VFTO 的考验。 这对于其绝缘而言无异于接受一种性质与截波相似的老化试验，给绝缘带 来累积损伤。 此外，电弧燃烧也会产生一些导电微粒，微粒在电场作用下很容易着附在绝缘部件表面，使绝缘子沿面闪络电压降低。 考虑到承受电压和吸收能量后的热容量问题时，特别是环氧树脂绝缘子、电容器等由热产生老化和化学变化，从而导致强度性能和沿面放电性能大大降低。 以电容器为例简述热老化效应的危害，电容器的绝缘介质工作寿命与有机绝缘材料老化的一边规律相符，即 AUZ (） 式中， Z—— 绝缘介质的工作寿命； U—— 电容器的工作电压；  —— 取决于介质材料与结构的指数，一般取 7～ 9。 由上式可知，电容器工作电压升高，可缩短其使用寿命。 当电压升高 10%，电容器的寿命就要缩短 1/2。 如果长期承受过电压作用。 可使介质损耗增大引起发热，使介质温度升高，进一步引起分解、碳化等化学变化，从而导致电容器渗油，甚至爆炸。 国内已经出现类似事故，应该得到更多的重视 （ 2） 形成匝间、层间过电压 电磁波在气体中传播的速度为 30cm/ns。 因而对于一个上升时间为 10ns，幅值为，在 1ns 内就能将 30cm 导线末端。 当在变压器、电容套管等结构内的匝间、层间时，电的传播时间可以与陡波上升时间相比，陡波会在类似结构内部产生很大的电位差。 隔离开关触头间隙击穿电压瞬间产生的阶跃行波传到变压器时，相当于在变压器端部施加了一个陡波头电压波，可能在变压器绕组内部激发起极高的谐振过电压。 这一点对直接和非直接连接的变压器有同样的危害，只是后者遭受到的 VFTO 电压频率较低。 对于直接相连的变压器，该陡波的上升 时间只有数十纳秒，远小于雷电冲击截沈阳化工大学学士学位论文 第二章 GIS 隔离开关操作引起的 VFTO 10 波试验的波头上升时间（约 ），而通过 SF6— 油套管传播引起的高达数兆赫的频率，易在变压器绕组上产生极不均匀的匝间电压分布，危害很大。 对于非直接相连的变压器，因为陡波在传输过程中进过了两个套管和一段架空线，使陡波头趋于平缓，与雷电冲击截波相近，能传送的最高频率约为 1MHz 左右。 （ 3） 形成对二次设备的干扰电压 变电站中一次回路和二次回路之间存在着电和磁的联系，因此，在一次回路发生的任何形式的暂态过程都会通过不同的耦合途径传入二次回路中形成暂态干扰。 GIS中的暂态电磁场耦合到 外部环境中，本身是一个低能量现象，目前尚无记录证明它对人身健康问题有直接的危险。 但是，这种外部暂态电磁场将影响到 GIS 外部的电子设备，可在电子电路内感应电压或电流。 而暂态电流还会引起暂态电位升高，对二次侧的测量、监控设备产生电磁干扰。 电磁场的频率取决于 GIS 的具体位置。 靠近壳体电场的典型幅值可达每米数十千伏。 由于电站内的传导干扰远大于辐射干扰，计算二次电缆上的干扰电压时，常常忽略辐射干扰。 随着 GIS 设备额定电压等级的提高，以及变电站中的计算机控制设备的增大，电磁兼容问题将会越来越值得关注。 此外，当 VFTO 在母线上传播时，会因二次设备与高压母线间的分布电容而耦合到二次电缆的芯线上，通过电流互感器（ TA）或者电容耦合式电压互感器（ CCVT）的一次侧及一次与二次的法拉第屏蔽层之间的寄生电容而容性地耦合到二次侧。 这样，高压母线上的暂态电压电流会直接耦合到屏蔽或未屏蔽的 TA 或 CCVT 电缆的内部导线，进而对二次设备造成干扰。 由于二次设备与控制室相连，是继电保护、控制输入信号的载体。 干扰电压以行波的形式传播到二次电缆末端，将在监控系统中产生干扰电流及电压，从而影响在线检测及二次保护系统。 VFTO 的预防措施及建议 目前针对 VFTO 较高的问题，提出了一些抑制措施，其中大多涉及隔离开关本身的设计制造问题，有的则是 GIS 的设计和运行操作问题。 （ 1）提高触头的分合闸速度。 可以减少重燃次数、缩短燃弧时间，使出现快速暂态过程的几率减少，也可以在一定程度上降低过电压幅值 （ 2）在保持电场基本均匀或稍不均匀、不破坏开关绝缘的完整性的前提下，适沈阳化工大学学士学位论文 第二章 GIS 隔离开关操作引起的 VFTO 11 当增加触头间的不对称（如不对称度为 15%），以降低残余电荷。 这一方面可以减少重燃过程，降低过电压幅值，另一方面又可以减少分布在绝缘体表面的自由导电粒子的不均匀对绝缘强度的削弱。 （ 3）在触头 之间装设分合闸电阻。 研究表明，选用适当的电阻值（约几百欧姆），可以加快 VFTO 衰减速度，减少对设备的损害。 （ 4）采用氧化锌避雷器保护。 由于 VFTO 波头很陡，带间隙的碳化硅避雷器不可能可靠保护，只有采用无间隙养护新避雷器来限制才比较有效。 要注意每个避雷器对 VFTO 的保护距离有限，可能需要几个避雷器才能保护整个 GIS。 （ 5）采用接地开关泄放残余电荷。 研究表明，接地开关动作能把 VFTO 峰值有效限制在。 （ 6）目前也有采用 GIS 装设电抗器的方法来限制 VFTO （ 7）在二次设备的入口处装高频滤波器， 或者采用屏蔽措施，以减小 VFTO 对二次设备的危害。 沈阳化工大学学士学位论文 第三章 电磁暂态程序 EMTP 12 第三章 电磁暂态程序 EMTP 程序主菜单 EMTP(Electro Magic Transient Program)是目前世界上使用最为普遍的电磁暂态计算软件。 它采用数值方法解决时域传输线方程的重要工具，其中无损线的电报方程的解决采用贝龙杰法。 1984 年以后， EMTP 程序主要分为两个分支，一支以 DCG 为代表，试图将 EMTP 程序商业化；另一支即 ATP— EMTP，他继续保持 EMTP 程序的可免费性使用。 ATP— EMTP 是时域计算电 — 机械或电 磁暂态现象的仿真软件，能处理计算大型的复杂电路。 对于 PC 机的版本，该软件能处理 3000 个之路的电路、 3000 个节点、1200 个开关、 340 个电源、 460 个非线性原件、 45 个同步发电机。 图 ATP主窗口 系统菜单：包括可能的视窗作用：关闭，调整大小，恢复，移动，最小化，最大化或沈阳化工大学学士学位论文 第三章 电磁暂态程序 EMTP 13 调整大小以及下一步。 标题文本：标题文本在主视窗情况下啊的程序名和在电路视窗情况下的当前电路名。 想要移动窗口，在标题文本区域压下并拖拽。 从主菜单可以选择所有 ATP 软件提供功能。 File：打开和保存电路文件，新建，输入 /输出电路文件，创建附注和元文件 /位图文件， 打印当前文件并退出 Edit：电路编辑：复制 /粘贴 /删除 /多重复制 /跳过 /旋转，选择，移动标签和复制图画到 剪切板和撤销 /恢复等等 View：工具栏，状态栏和注释栏开 /关，缩放，更新和视窗选项 ATP：创建节点名，制作 ATP 文件，编辑 ATP 文件， ATP 文件设置，运行任务。 Objects：编辑帮助文件，为模型以及用户指定的对象创建新的文件 Tools：图标编辑器，帮助文件编辑器，文本编辑器，各种程序选项的设置 Window：电路文件的安排，地图窗口 Help： 关于盒子和视窗帮助文件系统 电路的搭建和参数的设置 以图 为例进行电路的搭建 图 （ 1） 打开主菜单选择新的命令，创建一个新的电路窗口 （ 2） 电源：直流电源从下面选择电源导线，如图 所示 图 直流电源的选择 沈阳化工大学学士学位论文 第三章 电磁暂态程序 EMTP 14 电阻和电感 依照电源 在原件菜单中选择 Branch Linear，然后依次选择 Resistor 和Inductor 原件 按照图 连接到一起得到 （ 3） 我们想测流过半导体电桥的电 流。 可以通过增加一个测量开关（ switch）来实现。 在原件菜单中选择 Probes﹠ 3phase 和 probe Volt de 得到 按上述会 很简单的把电路搭建成功，搭建好之后我们要进行参数的设置，下面我们以电压源为例 用鼠标左键双击电压源会出现如下图所示窗口 图 我们要在这里对电压源的参数进行设置设置好之后电击 OK，其余原件的参数设置基本相同。 沈阳化工大学学士学位论文 第三章 电磁暂态程序 EMTP 15 运行 ATP 仿真 ATP 文件是一个 ATP 需要来仿真一个电路的文件。 ATP 文件可以通过 ATP 菜单选择make file 命令。 在建 ATP 文件前，需要制定各种各样的参数。 这些参数的缺省值在 文件 中已经给出。 修改这些参 数可以通过setting/simulation 下属菜单选择，如图 图 间隔时间以秒计、仿真结束时间以分计、 X opt=0 电感以mh为单位、 Copt=1 电容以uf为单位。 设置好后运行 ATP 一次点击 run ATP、 Make file as、 plot XY 得 图 ATP得到的选择节点仿真 例如我们选择 v:vs 电击 Plot 得到如图所示波形 沈阳化工大学学士学位论文 第三章 电磁暂态程序 EMTP 16 图 在 ATPD raw 中按 F3，在 setting 里选择 Frequency scan 我们还以通过对参数的设置得出频域波形。 沈阳化工大学学士学位论文 第四章 550KV GIS中 VFTO数值计算 17 第四章 550KV GIS 中 VFTO 数值计算 GIS 部件瞬态特性 计算快速暂态过电压的关键是获得 GIS 中元件的暂态模型和参数。 只有对各元件进行合理的近似等效才能使数值计算结果 更加准确。 电力系统过电压计算过程中，通常将变压器视为集中的电感和电容；隔离开关燃弧时用一个电弧电阻和集中的等效电容并联代替，闭合时视为短母线；接地开关、支撑绝缘子均视为集中的对地电容；断开的断路器用对地的集中电容代替； GIS 母线采用 Bergeron 模型来表示。 （ 1） 集中原件电感 L 电感的电路模型如图 所示。 对于集中原件电感 L，电感上的电压   dt tdiLtu kmL  （ ） 或写成    dttuLtdi Lkm 1 （ ） 用数值计算求解，需要把时间离散成一系列时间间隔 t 很小的时段，根据 tt 时刻的  ttuL  和  ttikm  来求 t 时刻的 tuL 和 tikm。 为此把（ ）式改写成从t到 t 的积分形式，即。