隔离开关产生的过电压计算.docx

隔离开关产生的过电压计算.docx

《隔离开关产生的过电压计算.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《隔离开关产生的过电压计算.docx（44页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

隔离开关产生的过电压计算

隔离开关产生的过电压计算

摘要

随着我国电力工业的高速发展和电压等级的不断提高，气体绝缘变电站（GIS）在我国电力系统中的应用越来越广泛。

气体绝缘变电站的特快速暂态过程对运行安全可靠性的影响也得到了越来越高的重视，尤其是GIS在我国特高压电网中的应用前景使其受关注不断提高。

近年来GIS隔离开关操作引起的快速暂态问题更加突出，主要是以GIS中陡波前过电压（VFTO）对设备本身及相邻设备的影响，因此通过VFTO的计算以指导超、特高压GIS绝缘设计。

首先介绍了GIS产生的机理及其结构和特性，其次是关于电磁暂态程序（EMTP）的学习，最后是对VFTO的计算。

以550KVGIS为例，首先，计算模型及其等效参数的确定，根据现有文献资料确定主线路和GIS内部元件的计算模型和具体的等效参数。

其次，确定GIS的操作方式，根据有关的论文资料以及电站的电气接线特点确定GIS的具体操作方式。

最后，针对每一种操作方式，计算由隔离开关操作引起的VFTO值。

通过分析对不同运行工况下GIS内部各节点的快速暂态过电压，从而确定VFTO是否会对设备本身以及相邻设备造成危害，以此来指导GIS的绝缘设计。

关键词：

GIS；VFTO；EMTP;计算模型

Abstract

Withthehighspeeddevelopmentofourcountryelectricpowerindustryandtheincreasingofvoltagegrade,gasinsulatedsubstation（GIS）applicationsinpowersysteminourcountryismoreandmorewidely.Fasttransientprocessofgasinsulatedsubstation'sinfluenceontherunningsafetyandreliabilityalsogotmoreandmoreattention,especiallytheapplicationforegroundofGISinuhvpowergridinourcountrysothatitisincreasingattention.InrecentyearsGISdisconnectoroperationcausedbytherapidtransientproblembecomemoreprominent,mainlysteepwavefrontovervoltage（VFTO）inGIS'sinfluenceontheequipmentitselfandtheadjacentequipment,thereforetheVFTOthroughthecalculationtoguide,uhvGISinsulationdesign.

FirstintroducestheformationmechanismofGISanditsstructureandfeatures,thesecondisaboutthestudyofelectromagnetictransientprogram（EMTP）,andatlastthecalculationofVFTO.With550kvGISasanexample,firstofall,thedeterminationofcalculationmodelandtheequivalentparameters,accordingtothecurrentliteraturetodeterminethemainroadandtheGIScalculationmodelandtheequivalentparametersofinternalcomponents.Second,determinetheoperatingmodeofGIS,accordingtotheinformationaboutthepaperaswellasthepowerstationelectricalwiringcharacteristicsofGIS,themodeofoperationisdetermined.Finally,inviewofeachkindofoperatingmode,calculationcausedbydisconnectoroperationVFTOvalues.

ThroughtheanalysisoffasttransientoneachnodeoftheGISwithinthedifferentoperatingconditionsoftheovervoltage,soastodeterminewhetherVFTOwillcauseharmtotheequipmentitselfandtheadjacentequipment,soastoguidethedesignofGISinsulation.

Keywords:

GIS;VFTO;EMTP;calculationmodel

第一章绪论

1.1概述

全封闭气体绝缘变电站（GasInsulatedSubstations也译作GasInsulatedSwitchgear，简称GIS）是一种将高压电器存放于接地的密封金属壳内，以高压气体为主要绝缘介质的电站。

它因与常规空气绝缘变电站（AirInsulatedSubstation，简称AIS）相比而具有显著的优点，近几十年来得到了越来越广泛的应用。

这些优点主要包括：

由于应用了绝缘性能和灭弧性能良好的SF6气体，将断路器、隔离开关、电压和电流互感器等设备都密封在接地外壳中，从而实现了变电站的紧凑化，减小了变电站场地面积和辅助设施的建设费用，提高了电气设备的运行可靠性和安全性，不易受外界环境影响，可靠性高，维护量小，对大气过电压的保护性能好，布局灵活，便于扩展等。

20世纪90年代后期，世界上还出现了一种介于GIS和AIS之间的新型高压开关设备HGIS（HybridGasInsulatedSwitchgear），又称紧凑型组合式高压开关设备，它的结构与GIS基本相同，但不包括母线设备，即母线不装于SF6气室，而是外露的。

这与空气绝缘变电站相比，提高了设备的可靠性；而与GIS设备相比，省略了封闭式母线，大大节省了费用。

以550kV一个断路器接线的HGIS、GIS、AIS相比，HGIS的产品价格比GIS省53%，是AIS的1.5倍。

计入地皮费、土方开挖费用后，变电站总投资估计比用GIS省45%～50%，比用AIS贵约30%左右。

我国目前正在进行的晋东南—南阳—荆门特高压交流试验示范工程，计划采用HGIS设备。

HGIS设备在我国的应用前景将会很广泛。

我国的GIS的运行电压已经达到750KV，分别在我国西北电网750KV示范工程的官厅和兰州东变电站，于2005年底正式并网投入商业运行。

另外，我国也已经有相当多的大型水电站、火车变电站采用GIS作为出线变电站，例如我国西电东送工程中位于黄河上游的拉西瓦水电站，出线平台受该电站所处高山险谷地理位置的限制，为了减少洞穴开挖的工程量，也将采用气体绝缘变电站。

目前，随着GIS电压等级的提高，土地资源、环境保护和人才费用的上涨，其应用优势更加明显，GIS的发展和前景可观。

在GIS中，由于断路器、隔离开关、以及接地开关操作或带电线路对地闪络，甚至雷电波的入侵，都可能会在GIS内部产生一个上升速度极快（一般为几到几十纳秒）的电压陡波，这个电压陡波沿着GIS管道传播，遇到波阻抗就会发生反射和折射，所有在GIS中产生的多次反射和折射的各行波分量叠加在一起，就会形成波头很陡、频率高达几十MHz甚至上百MHz数量级的陡波前过电压，俗称特快速暂态过电压。

随着GIS运行电压和SF6气压的提高，特快速暂态过电压的影响日益严重，致使其在330KV及以上的电压等级的GIS中多次引起设备故障，它不但会在GIS的主回路引起对地故障，还会造成相邻设备的绝缘损坏。

1.2GIS中VFTO的危害实例

（1）1992年广东大亚湾核电站在调试过程中，进行切合空载变压器的例行操作时，由于特快速暂态过电压引起3×350MVA主变压器一相主绝缘被击穿。

（2）巴西的Grajau500KV运行期间，因隔离开关例行操作产生快速暂态过电压造成500KV油纸套管的炸裂和变压器故障

（3）2001年浙江北仑电厂主变压器损坏，原因也是因为快速暂态过电压。

（4）华东天荒坪蓄能电厂的500KVGIS自98年以来，由于隔离开关例行操作，出现了变压器保护用氧化锌避雷器频繁动作的显现，经计算是由特快速暂态过电压引起的。

另外，广东抽水蓄能电厂、四川二滩水电厂等也有类似的现象发生，经调查也是快速暂态过电压引起的。

由于特快速暂态过电压具有上升时间短，持续时间短，电压变化快，发生频率高等特点，对绕组电气设备的绝缘具有一定威胁，且在支持绝缘子上和开路末端的过电压幅值较高，容易引起GID内部的闪络的故障。

1.3国内外的研究现状

随着我国电力工业迅猛发展，输电电压等级不断提高。

目前，330kV输电系统已在我国西北地区形成主网，我国其他地区为500kV电网覆盖。

2005年西北地区建设的第一条750kV线路已投入使用，世界上最高电压等级的输电系统——交流1000kV和800kV输电系统正在积极推进中。

GIS技术的应用也将从110、220、500kV应用于750kV、1000kV甚至更高电压等级的输电系统。

电压等级的提高，意味着绝缘水平的提高。

在超高压及特高压输电系统中，GIS等关键设备的安全可靠性更是超高压及特高压电网稳定运行的基础。

80年代以来，国际上已有许多专家展开了特快速暂态现象产生机理、特征、影响因素、幅值分布情况，暂态电位升高（TransientGroundPotentialRise，简称TGPR）效应，暂态电磁和电磁干扰等问题以及绝缘对这种陡波前过电压耐受能力等方面的研究。

1998年国际上还组织了由许多国家实验室参加的强大研究队伍来主攻此课题，并对VFT对一次设备绝缘影响及对二次回路和控制、保护系统所产生的干扰给予很大的关注。

近年来随着国内高电压等级GIS的使用越来越普遍，电力系统受VFTO的影响也越来越突出，我国学术界也正在进行大量这方面的研究

国外对快速暂态过电压的研究除现场实测外，主要是计算机的数值模拟计算，也有使用物理模型尽行实验室模拟试验。

实验室的优点在于能形象地深入了解现象的发生过程，但由于受到实验室设备的限制，很难改换系统的接线和调节原件的特性，还有由于在产品设计期间更不可能进行实测。

对于计算机而言，则不像模拟装置那样，它没有改变系统接线和参数的困难，一旦建立了比较准确地计算方法，就能有意识的根据计算分析需要，改变某些参数，从而进行各种设备布局情况，不同运行方式下的计算。

县长实测，确实是最可靠的，实测结果固然比较可靠，但代价却太高，并且由于安全、测量设备精度等方面的原因，所以此方法并没有计算机模拟应用广泛。

1.4本文所做的工作

本文以黑麋峰抽水蓄电站为研究背景，运用电磁暂态分析程序（EMTP）对电路的搭建和仿真，从而得出不同操作方式下的内部快速暂态过电压（VFTO），以知道GIS绝缘的设计。

首先，通过查阅资料对GIS分类、产生的机理和特性进行了解。

其次，是对电磁暂态分析程序（EMTP）的学习，EMTP是本次论文的主要仿真软件。

我们通过EMTP，对电路模型的搭建及仿真

最后，VFTO的计算。

以黑麋峰550KV抽水蓄电站为背景，首先，通过其主接线图，我们确定可能的运行工况。

然后，在不同运行工况方式下在EMTP中分别进行电路的搭建及仿真。

最后，通过仿真得出的波形我们找出每种运行工况下节点所产生VFTO的最大值。

第二章GIS隔离开关操作引起的VFTO

2.1GIS中特快速暂态现象的分类

GIS中快速暂态现象来源于隔离开关、断路器的例行操作及接地故障，是操作或故障时的电弧重燃引起的。

各类快速暂态现象如图2.1所示。

图2.1GIS中各类快速暂态现象

内部暂态是在GIS内部的暂态过程，所形成的过电压作用于GIS内部导体和壳体之间，危害GIS内部的绝缘，包括断路器操作引起的瞬态恢复电压（TransientRecoveryVoltage，简称TRV），隔离开关操作产生的快速暂态过电压。

外部暂态是由GIS内部暂态过电压波传播到GIS外部引起的，包括危及GIS外的一次设备的暂态过电压（FastTransientOvervoltage，简称FTO），以及使GIS的壳体电位升高的外壳暂态过电压（TransientEnclosureVoltage，简称TEV），也可形成向外辐射的电磁波（TEMF），危及敏感的二次设备。

因为GIS内、外的布局及阻尼效应（传输损失，集肤效应等）不同，冲击陡波的折射、反射也不同，所以这些瞬变过程也具有不同的波形。

2.2VFTO的产生机理和特性

隔离开关动作速度缓慢，约为3～10cm/s,又没有灭弧装置，所以每一次操作都发生数十次设置数百次的复燃.。

隔离开关触头间隙两端的电压在几个纳秒内突然跌落，电压陡波在GIS内不断产生行波，来回传播，并且发生复杂的折射、反射和叠加。

从而形成了幅值很高的暂态过电压。

因此，GIS中危害较大的快速暂态过电压主要因隔离开关的操作引起的。

下面以图2.2所示的隔离开关典型操作模式为例简述VFTO产生的机理。

其中，Us（t）为电源电压，Za为电源等效阻抗，l1，l2分别代表电源及负载侧的母线。

uL

+uB-

us（t）Zal1DSl2

图2.2隔离开关开合电容电流的系统示意图

开断前，隔离开关电压

（电源侧电压）及

负载侧电压）相等，即

；开断后，

仍按工频电源电压规律变化，负载侧电压

则由于GIS内部绝缘子或母线泄漏电阻很高，残余电荷衰减很慢（通常要数小时0，可视为一恒定不变的直流电压（VFTO电压行波跌落时间为纳秒），其值由熄弧瞬间电压

决定。

随着时间的推移，触头间隙距离增大，介质恢复电压

随之线性增大。

当触头两端电压差超过其决定的介质恢复电压

时，间隙击穿，从而出现第一次重燃，产生高频率的快速暂态过电压。

由于频率过高，在电流过零时电弧仍不会熄灭，知道高频振荡衰减完毕，电弧才会熄灭，第一次复燃过程结束。

（1）幅值

暂态过程中产生的行波在GIS中传播，遇到波阻抗就会发生折射和反射，所有波在GIS中产生多次反射与折射的各行波分量叠加在一起就形成VFTO。

初始行波的上升时间和幅值对最后形成的VFTO波形有一定影响，而行波的幅值则由击穿瞬间隔离开关两端没一侧的实际条件来决定，如母线长度、阻抗改变的位置等。

这些将依次决定真个暂态过电压波形的峰值。

由于GIS隔离开关操作引起的高频暂态过电压可能达到多高的峰值，所持观点不同，大多数情况下最高过电压幅值（标么值）在2.5p.u.左右，有时也可能超过3.0p.u。

（2）陡度

GIS中所充的SF6气体本身具有很高的绝缘强度，电器内部所形成的电场都接近于均匀电场，在均匀的电场中SF6的工频电气强度约为空气的3倍，因此间隙距离比同样电压等级的空气间隙小得多。

当隔离开关发生击穿时，注如网络的阶跃波具有极高的陡度。

DS断口击穿时会在几纳秒内建立火花导电通道，在均匀或是、不均匀电场中形成VFTO冲击波的上升时间表示为

（2.1）

式中，

—击穿前的电压，KV;

—Tippler火花常数，

=50kV

ns/cm;

—活化长度，cm。

对于稍不均匀电场的GIS绝缘系统，其击穿场强

很高，因而由公式（2.1）所求得的阶跃行波的上升时间

就非常小。

其击穿场强

和绝缘气体的压

力成正比。

可以通过下面公式近似求得

（2.2）

其中：

=860kV/（cm·MPa）；

P为气体压力

电场利用系数：

0.5—0.8。

对于正常设计的GIS，预期上升时间的最小值

由以下公式进行估算

（2.3）

气体压力为0.1MPa时可以估算为15ns；气体压力为0.5MPa时仅为3ns。

一般情况下，

为3～20ms，随着电场的非均匀度而不同。

电极凹凸不平、表面粗糙或存在微粒，均会导致上升时间加长。

由于极不均匀电场（如表面存在长针状凸起），则在快速暂态击穿发展过程中会因击穿场强

的降低而导致上升时间长达200ns。

VFTO具有一定幅值，而且上升时间很短，波头的陡度很大，尤其对主变等电感类设备产生很大威胁。

（3）频率

VFTO的频率范围非常广，主要包含三种振荡频率分量，几十到数百kHz的基本频率，由行波在GIS内发展形成的数十MHz的高频，以及幅值脚底的数百MHz的特高频。

1MHz左右的基本振荡频率主要由电源与负载侧的电容与电感振荡形成。

基频振荡频率过电压的幅值并不高，对GIS的绝缘一般不构成威胁，但对与GIS相连的设备，可能会引起基本频率谐振过电压。

几十MHz的高频振荡频率是VFTO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。

2.3VFTO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。

（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

（2.4）

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1p.u.的瞬时变量，在1ns内就能将0.1p.u.的瞬变量传送到跨度为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，远小于雷电冲击截波试验的波头上升时间（约0.5us），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。

2.4VFTO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2p.u.左右。

（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。

第三章电磁暂态程序EMTP

3.1程序主菜单

EMTP（ElectroMagneticTransientPro