GIS中隔離開關(guān)燃弧電路模型及VFTO的研究

GIS中隔離開關(guān)燃弧電路模型及VFTO的研究

左明鑫，王忠利

(鄭州科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450064)

摘要：結(jié)合GIS隔離開關(guān)氣室的實(shí)際結(jié)構(gòu)與電弧的特點(diǎn)，建立電阻和電感元件串聯(lián)等效燃弧電路模型，利用貝杰龍數(shù)值計(jì)算方法建立動(dòng)態(tài)等值電路，計(jì)算出GIS中各主要元件處的快速暫態(tài)過(guò)電壓(VFTO)，得出斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的幅值為最高值.提取出該處VFTO波形的頻率分量和對(duì)應(yīng)的電壓信息，分析認(rèn)為VFTO可能導(dǎo)致斷路器開斷端支撐絕緣子發(fā)生放電和熱擊穿現(xiàn)象.

關(guān)鍵詞：隔離開關(guān)；燃弧電路模型；快速暫態(tài)過(guò)電壓

中圖分類號(hào)：TM56文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

收稿日期：2015-03-30

作者簡(jiǎn)介：左明鑫(1980-)，男，河南周口人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姽だ碚撆c新技術(shù).

氣體隔離開關(guān)站(Gas Insulated Switchgear,簡(jiǎn)稱GIS)是20世紀(jì)60年代中期才出現(xiàn)的一種新型電器裝置，它的問(wèn)世對(duì)傳統(tǒng)的敞開式高壓配電裝置是一次革命，尤其在超高壓領(lǐng)域.幾十年來(lái)，GIS發(fā)展迅速，它的優(yōu)點(diǎn)得到了國(guó)內(nèi)外電力部門的認(rèn)可.但是，當(dāng)GIS中隔離開關(guān)在切合操作時(shí)，會(huì)形成波形陡、幅值高、振蕩頻率高達(dá)幾十甚至上百兆赫茲的陡波前過(guò)電壓，也稱特快速暫態(tài)過(guò)電壓(Very Fast Transient Overvoltage，簡(jiǎn)稱VFTO)，不但嚴(yán)重影響了GIS本身運(yùn)行的可靠性，而且使電力系統(tǒng)存在安全隱患[1].但是,目前GIS中隔離開關(guān)燃弧電路模型還沒有統(tǒng)一的規(guī)定，故研究GIS中隔離開關(guān)燃弧電路模型和VFTO具有重要的實(shí)際意義.

根據(jù)GIS中隔離開關(guān)的實(shí)際結(jié)構(gòu)并結(jié)合電弧本身的特點(diǎn)，建立隔離開關(guān)燃弧電路模型，利用貝杰龍方法建立了動(dòng)態(tài)等值電路.經(jīng)過(guò)計(jì)算可知，斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的幅值最高，提取其頻率分量和對(duì)應(yīng)的電壓信息，分析認(rèn)為斷路器開斷端支撐絕緣子在VFTO作用下有發(fā)生放電和熱擊穿的可能.

1燃弧電路模型的建立

GIS中隔離開關(guān)在開斷過(guò)程中產(chǎn)生的電弧受電場(chǎng)、磁場(chǎng)和氣流場(chǎng)等因素的共同作用和影響[2]，所以僅用電阻來(lái)等效燃弧電路只能體現(xiàn)電場(chǎng)和氣流場(chǎng)的情況，不能反映磁場(chǎng)的分布.由于電感元件能夠形成磁場(chǎng)感應(yīng)、實(shí)現(xiàn)電能和磁能的相互轉(zhuǎn)換，所以用電阻和電感元件串聯(lián)等效燃弧電路模型更符合電弧的特點(diǎn).

從隔離開關(guān)的實(shí)際結(jié)構(gòu)(見圖1)可以看出其等效模型不能僅僅局限于斷口部分，還需考慮動(dòng)靜觸頭兩側(cè)導(dǎo)體的長(zhǎng)度,以及兩端盆式絕緣子的對(duì)地等效電容.計(jì)算時(shí),兩側(cè)的導(dǎo)體等效為母線，兩端的盆式絕緣子單獨(dú)處理，隔離開關(guān)在燃弧時(shí)的近似等效電路模型如圖2所示.

圖1　隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1　Structural diagram of isolating switch

圖2　燃弧等效電路 Fig.2　Arcing equivalent circuit

2主要元件等效模型和參數(shù)

圖3為某變電站500 kV GIS典型的部分接線圖.

圖3　GIS的部分接線圖 Fig.3　Partial wiring diagram of GIS

圖3中,T為變壓器，ES為接地開關(guān)，DS為隔離開關(guān)，CT為電流互感器，CB為斷路器，BUS為母線，分析的是當(dāng)CB,DS2和所有ES均斷開時(shí)，對(duì)DS1進(jìn)行操作時(shí)的狀態(tài).

針對(duì)500 kV GIS結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，給出GIS主要元件的等效模型和參數(shù)，詳見表1，其中的典型元件模型和參數(shù)是依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)合理分析給出的[4-7].

表1　GIS主要元件的等效模型和參數(shù) Table.1　Equivalent models and parameters of GIS main components

3VFTO的計(jì)算

結(jié)合圖3和表1 中主要元件的等效模型，利用貝杰龍數(shù)值計(jì)算方法建立動(dòng)態(tài)等值電路模型，如圖4所示.

圖4　動(dòng)態(tài)等值電路模型 Fig.4　Transient equivalent circuit model

由節(jié)點(diǎn)電壓方程YU=∑Is得到圖4中電路的節(jié)點(diǎn)電壓方程表達(dá)式，如下式：

(1)

其中，Y為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)納矩陣，U為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓列向量，∑Is為各個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效電流源列向量，從而求出各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位值與時(shí)間的關(guān)系.

根據(jù)式(1)對(duì)圖4所示的動(dòng)態(tài)等值電路進(jìn)行數(shù)值計(jì)算.斷開圖3中CB和DS2并對(duì)DS1進(jìn)行操作.計(jì)算時(shí)考慮最苛刻的情況，假設(shè)母線殘余電壓為-1.0p.u，隔離開關(guān)DS1發(fā)生重燃，計(jì)算結(jié)果如圖5至圖12所示.

圖5　變壓器處VFTO波形 Fig.5　VFTO waveform for transformer

圖6　接地開關(guān)ES 1處VFTO波形 Fig.6　VFTO waveform for ES 1

圖7　氣室左端絕緣子處VFTO波形 Fig.7　VFTO waveform for gas chamber left insulator

圖8　隔離開關(guān)動(dòng)觸頭處VFTO波形 Fig.8　VFTO waveform for isolating switch moving contact

圖9　隔離開關(guān)靜觸頭處VFTO波形 Fig.9　VFTO waveform for isolating switch static contact

圖10　氣室右端絕緣子處VFTO波形 Fig.10　VFTO waveform for gas chamber right insulator

圖11　接地開關(guān)ES 2處VFTO波形 Fig.11　VFTO waveform for ES 2

圖12　斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形 Fig.12　VFTO waveform for break′s open side supporting insulator

從圖5至圖12可以看出,GIS中變壓器T、接地開關(guān)ES1、氣室左端絕緣子、隔離開關(guān)動(dòng)觸頭、隔離開關(guān)靜觸頭、氣室右端絕緣子、接地開關(guān)ES2、斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的幅值分別為1.046 1p.u，2.078 5p.u，2.173 2p.u，2.265 8p.u，2.346 6p.u，2.518 2p.u，2.067p.u和3.134 4p.u.

斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的幅值最高，達(dá)到3.134 4p.u，由此可見該處的VFTO波形應(yīng)該重點(diǎn)對(duì)待，所以對(duì)該處的VFTO波形進(jìn)行傅里葉變換，提取所包含的頻率分量與對(duì)應(yīng)的電壓信息，如圖13所示.

圖13　斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO頻譜圖 Fig.13　VFTO spectrum for break′s open side supporting insulator

從圖13可見，斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的頻率分量包括2.75MHz，8.3MHz，14.25MHz，17.25MHz，44.8MHz，81.8MHz，120.8MHz，157.95MHz，196.55MHz，237.3MHz和279.35MHz等.

斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的幅值很大，包含的頻率分量豐富，波形幅值高達(dá)3.134 4p.u，包含的頻率分量中最低為2.75MHz，最高達(dá)到279.35MHz.在這種情況下，支撐絕緣子受到的威脅可想而知.支撐絕緣子的主要材料是環(huán)氧樹脂，GIS各氣室中充滿了SF6氣體，那么在環(huán)氧樹脂和SF6氣體的交界面容易發(fā)生放電現(xiàn)象.并且，在高頻電壓的作用下，環(huán)氧樹脂絕緣介質(zhì)中將存在松弛極化，極化會(huì)滯后于電場(chǎng)的變化，造成絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)熱，一旦熱量超過(guò)臨界值將會(huì)發(fā)生熱擊穿[8-9].支撐絕緣子在GIS中主要起到支撐和對(duì)地絕緣的作用，一旦發(fā)生放電和熱擊穿，將會(huì)破壞支撐絕緣子的功能.

4結(jié)語(yǔ)

GIS中隔離開關(guān)在開斷過(guò)程中產(chǎn)生的電弧受電場(chǎng)、磁場(chǎng)及氣流場(chǎng)等因素的共同作用和影響，燃弧電路模型的電阻元件與電感元件應(yīng)串聯(lián).同時(shí)，從隔離開關(guān)氣室的實(shí)際結(jié)構(gòu)可以看出，還需考慮動(dòng)靜觸頭兩側(cè)導(dǎo)體的長(zhǎng)度和兩端盆式絕緣子的對(duì)地等效電容.利用貝杰龍數(shù)值計(jì)算方法建立動(dòng)態(tài)等值電路模型，得出電路的節(jié)點(diǎn)電壓方程表達(dá)式，計(jì)算出變壓器、接地開關(guān)、隔離開關(guān)、斷路器開斷端的支撐絕緣子處的VFTO波形，其中斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的幅值最高.描繪了斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的頻譜圖，提取其包含的頻率分量和對(duì)應(yīng)的電壓信息，得出了在VFTO作用下斷路器開斷端的支撐絕緣子有發(fā)生放電和熱擊穿的可能.

參考文獻(xiàn)：

[1]王洪新，何景亮.電力系統(tǒng)電磁兼容[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2004.

[2]張雪.GIS設(shè)備VFTO仿真中隔離開關(guān)電弧模型的研究[D].北京:華北電力大學(xué)，2010.

[3]李建青，袁松柳.用能量法計(jì)算非平行板電容器的電容[J].物理與工程,2007,17(5):8-10.

[4]PovhD,SchmittH,VolckerO,etal.Modellingandanalysisguidelinesforveryfasttransients[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1996,11(4):2028-2035.

[5]HaznadarZ,CarsimamovicS,MahmutcehajicR.Moreaccuratemodelingofgasinsulatedsubstationcomponentsindigitalsimulationsofveryfastelectromagnetictransients[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1992,7(1):434-441.

[6]吳文輝，曹祥麟.電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計(jì)算與EMTP應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社,2012.

[7]高有華.雷電沖擊和快速暫態(tài)過(guò)電壓對(duì)GIS及相連設(shè)備影響的研究[D].沈陽(yáng): 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2004.

[8]施圍，邱毓昌，張喬根.高電壓工程基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[9]〔法〕R.科埃略,B.阿拉德尼茲.電介質(zhì)材料及其介電性能[M].張冶文，陳玲，譯.北京：科學(xué)出版社，2000.

Study on isolating switch arcing circuit model and VFTO in GIS

ZUO Mingxin，WANG Zhongli

(DepartmentofElectricalEngineering，ZhengzhouCollegeofScience&Technology,Zhengzhou450064,China)

Abstract:Combining with the actual structure of the isolating switch gas chamber in GIS and feature of arcing, the resistance and inductance component series equivalent arcing circuit model established, and the transient equivalent circuit by Bergeron numerical calculation method is used. The VFTO waveform of the main elements in GIS is calculated, resulting in the conclusion that the amplitude of the VFTO of the circuit breaker terminal support insulator is the highest, and the frequency components and voltage information of the VFTO are extracted. After analysis it can be concluded that the VFTO may cause the circuit breaker terminal support insulator discharge and thermal breakdown.

Key words:isolating switch；arc circuit model；VFTO