李 薇，呂忠華，李 寧，吳卓航，吳 昊

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

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800 kV GIS快速暫態(tài)過(guò)電壓計(jì)算

李 薇，呂忠華，李 寧，吳卓航，吳 昊

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110015)

利用EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件，對(duì)某800 kV GIS系統(tǒng)中的快速暫態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行仿真計(jì)算，得到系統(tǒng)在不同操作方式下，各個(gè)節(jié)點(diǎn)上VFTO的幅值大小，其值為1～2 p.u.。同時(shí)，利用MATLAB得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上VFTO的頻譜圖，并對(duì)其各自的波形進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。最后，利用得到的仿真結(jié)果分析了VFTO的影響因素。

快速暫態(tài)過(guò)電壓；特高壓；隔離開(kāi)關(guān)；MATLAB

1 實(shí)際GIS的暫態(tài)等值計(jì)算模型

近年來(lái)針對(duì)VFTO的研究，通常是從系統(tǒng)運(yùn)行的角度將系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)元件簡(jiǎn)化為集中參數(shù)來(lái)表示。本文中的暫態(tài)模型和參數(shù)選取，均是根據(jù)國(guó)內(nèi)外的參考依據(jù)，同時(shí)根據(jù)其GIS結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)800 kV GIS系統(tǒng)進(jìn)行了更加精確的改進(jìn)分析和仿真計(jì)算[1]。本文將針對(duì)實(shí)際運(yùn)行的800 kV GIS在各種情況下所產(chǎn)生的快速暫態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行數(shù)值模擬，從而確定各元件的動(dòng)態(tài)電路模型，進(jìn)而對(duì)頻率及幅值特征進(jìn)行分析，最后研究VFTO對(duì)GIS設(shè)備元件絕緣性能的影響。

GIS設(shè)備因其結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、不受外界環(huán)境影響、運(yùn)行安全可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單和檢修周期長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。本文以國(guó)內(nèi)某800 kV GIS變電站為例，對(duì)其內(nèi)部隔離開(kāi)關(guān)操作引起的暫態(tài)過(guò)電壓?jiǎn)栴}進(jìn)行計(jì)算，其電氣接線圖如圖1所示[2]。

該線路是由變壓器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、斷路器、電流互感器、電壓互感器、電抗器、母線等元件組成的全封閉結(jié)構(gòu)，電壓電流的同步采集以及控制命令等功能也成為智能變電站的重要環(huán)節(jié)[3]。該系統(tǒng)中的絕緣材料為SF6。當(dāng)線路中的斷路器處于開(kāi)斷狀態(tài)時(shí)，隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)作就會(huì)產(chǎn)生VFTO。本文利用已建立的暫態(tài)電路模型和所確立的元件參數(shù)，對(duì)空載狀態(tài)下GIS進(jìn)行分析計(jì)算。

計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)已知計(jì)算電路和等值計(jì)算公式，就可以把實(shí)際的復(fù)雜型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為Bergeron等值計(jì)算電路。

當(dāng)線路中的斷路器全都處于開(kāi)斷情況時(shí)，主變壓器就可以看成為集中的電感參數(shù)模型和電容參數(shù)模型；隔離開(kāi)關(guān)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程分為燃弧階段、完全閉合和完全開(kāi)斷3個(gè)階段，燃弧過(guò)程中，隔離開(kāi)關(guān)觸頭間電弧主要顯現(xiàn)阻性，同時(shí)，兩端觸頭留有殘余電荷，對(duì)地顯現(xiàn)容性，由此，采用電弧電阻與等值電容結(jié)合模型代表隔離開(kāi)關(guān)；而在隔離開(kāi)關(guān)完全開(kāi)關(guān)過(guò)程中，隔離開(kāi)關(guān)所在線路視為斷路；在隔離開(kāi)關(guān)完全閉合階段，觸頭完全接觸，不存在燃弧電阻，可視為無(wú)損傳輸線；接地開(kāi)關(guān)在正常運(yùn)行狀態(tài)下處于開(kāi)斷狀態(tài)，只存在對(duì)地電容；以斷路器斷口數(shù)為節(jié)點(diǎn)數(shù)，設(shè)計(jì)多節(jié)點(diǎn)電容網(wǎng)絡(luò)模型模擬分?jǐn)嗟亩鄶嗫跀嗦菲?，閉合狀態(tài)下的斷路器采用無(wú)損傳輸線等效；集中的電感、電容采用梯形公式模型；母線采用Bergeron模型等效。最后，采用集中參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析法求解任一時(shí)刻t下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓和電流值。選取系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種操作方式進(jìn)行計(jì)算，操作方式如表1所示。

該工程的主要參數(shù)為：額定電壓800 kV；串內(nèi)設(shè)備(斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等)額定電流3 150 A；主母線額定電流4 000 A；出線套管額定電流3 150A；電抗器側(cè)套管額定電流2 000 A；主變側(cè)套管額定電流2 000 A；短路水平40 kA。仿真計(jì)算選取時(shí)間為Δt=1 ns，燃弧時(shí)間為20 μs。

表1 隔離開(kāi)關(guān)操作方式組合

采用單機(jī)單出線時(shí)，在2種操作方式下，通過(guò)仿真計(jì)算，得到的系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的VFTO值如表2所示。

表2 單機(jī)單出線時(shí)VFTO值 p.u.

采用單機(jī)雙出線時(shí)，在2種操作方式下，通過(guò)仿真計(jì)算，得到的系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的VFTO值如表3所示。

表3 單機(jī)雙出線時(shí)VFTO值 p.u.

采用雙機(jī)單出線時(shí)，在2種操作方式下，通過(guò)仿真計(jì)算，得到的系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的VFTO值如表4所示。

表4 雙機(jī)單出線時(shí)VFTO值 p.u.

采用雙機(jī)雙出線時(shí)，在2種操作方式下，通過(guò)仿真計(jì)算，得到的系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的VFTO值如表5所示。

表5 雙機(jī)雙出線時(shí)VFTO值 p.u.

選取各種操作方式下各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的最大值，如表6所示。

表6 各個(gè)節(jié)點(diǎn)上最大值 p.u.

計(jì)算結(jié)果表明，800 kV GIS變電站內(nèi)各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)處的VFTO幅值并不太高，一般都分布在1～2 p.u.，且常常出現(xiàn)在隔離開(kāi)關(guān)處，或者出線套管處。而對(duì)于不同的操作方式下，其VFTO的最大幅值出現(xiàn)與其操作方式也有一定關(guān)系，選取的操作方式越復(fù)雜，線路越長(zhǎng)，其產(chǎn)生振蕩的作用就會(huì)越大，VFTO的幅值就會(huì)越大，但均低于2.0 p.u.。

另外，操作隔離開(kāi)關(guān)處的VFTO幅值相對(duì)較高，此處VFTO中高頻分量大，雖然會(huì)瞬時(shí)衰減，但是恰恰是這部分高頻分量容易造成GIS內(nèi)感性設(shè)備擊穿，因此，操作隔離開(kāi)關(guān)處VFTO受到廣泛關(guān)注。

本文所述800 kV GIS與主變連接母線較長(zhǎng)，即VFTO傳播電氣距離較大，使得VFTO振蕩諧波衰減系數(shù)變大，加快VFTO衰減，降低VFTO幅值。經(jīng)計(jì)算可知，作用在主變出口處的VFTO幅值在1.0 p.u.左右波動(dòng)，而頻率在幾百kHz范圍內(nèi)變化。由計(jì)算結(jié)果可知，本算例中操作隔離開(kāi)關(guān)引起的VFTO對(duì)與GIS直連的主變壓器的主絕緣和縱絕緣并不構(gòu)成威脅。然而，由于套管處于線路末端，行波折、反射頻繁，使得此處的VFTO幅值略高，頻率較大。圖2—圖4給出各關(guān)鍵設(shè)備處VFTO幅值較高的VFTO波形。

圖2 TM1處波形

圖3 9處波形

圖4 2處波形

2 殘余電壓對(duì)VFTO的影響

由于利用隔離開(kāi)關(guān)切空母線時(shí)過(guò)電壓產(chǎn)生的根源是隔離開(kāi)關(guān)重燃，因此在重燃時(shí)刻被切除母線上殘余電荷電壓的大小將直接影響重燃后過(guò)電壓的大小。經(jīng)過(guò)查閱資料得出，特高壓GIS系統(tǒng)中電容電流較大，母線上殘余電荷點(diǎn)電壓較高，而殘余電荷電壓由隔離開(kāi)關(guān)重燃時(shí)刻來(lái)決定，控制重燃時(shí)刻有利于抑制殘余電壓的大小。

因此，對(duì)VFTO的抑制應(yīng)從加快殘余電壓的泄漏著手，減小殘余電荷。由于在斷路器斷開(kāi)以后，雖然線路屬于斷開(kāi)狀態(tài)，但是GIS開(kāi)斷的母線空載線段上還會(huì)留有殘余電荷。因此，隔離開(kāi)關(guān)操作時(shí)仍會(huì)產(chǎn)生電弧，進(jìn)而導(dǎo)致母線上出現(xiàn)較大過(guò)電壓。雖然殘余電荷引起的殘壓衰減很慢，但其對(duì)殘壓值的影響仍會(huì)很大。本文中考慮最嚴(yán)重情況下的開(kāi)斷，即考慮斷口兩端在1 p.u.的殘余電壓下，此時(shí)觸頭間的電壓差會(huì)升至2 p.u.，該狀態(tài)下，產(chǎn)生的行波振蕩最嚴(yán)重，故而產(chǎn)生的VFTO也最大。理論上會(huì)采用快速投切隔離開(kāi)關(guān)，該設(shè)備將大大減少重燃次數(shù)，使得電弧在容性工頻電流過(guò)零時(shí)熄滅，在開(kāi)斷的空載線段上將留下1 p.u.的殘余電壓。然而，殘余電荷的存在是很難避免的，故而，只能盡可能抑制電弧的重燃，從而達(dá)到抑制VFTO幅值的目的[4]。

3 其他因素對(duì)VFTO的影響

a.隔離開(kāi)關(guān)觸頭間弧道電阻的大小。隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)斷容性電流時(shí)觸頭間的重燃電弧是造成VFTO的起因，而弧道電阻起到對(duì)觸頭間電壓阻尼的作用，其大小由隔離開(kāi)關(guān)分閘性能決定，電阻值為一時(shí)變參數(shù)。計(jì)算表明，在隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行分合閘操作時(shí)，弧道電阻值實(shí)時(shí)變化，阻值越大，母線處對(duì)地電壓越小，即VFTO幅值與弧道電阻值成反比，由此原理推知，在隔離開(kāi)關(guān)分合閘操作過(guò)程中，在觸頭處串入電阻，能夠有效對(duì)VFTO起阻尼作用[5]。

b.傳播電纜的阻值與長(zhǎng)度。VFTO通過(guò)電纜由GIS向變壓器傳播，電纜的長(zhǎng)度決定了電纜的阻值，對(duì)VFTO有較強(qiáng)的阻尼特性，加劇VFTO在傳播過(guò)程中的衰減。

c.GIS內(nèi)氧化鋅避雷器設(shè)置位置。VFTO的傳播類似于雷擊電壓的傳播，而氧化鋅避雷器正是針對(duì)抑制雷擊電壓的設(shè)備，雖然VFTO波前陡，頻率高，使得避雷器在VFTO下來(lái)不及動(dòng)作，但是避雷器自身存在2種特性，一是避雷器的對(duì)地電容特性，可以對(duì)高頻電壓起到濾波作用，吸收VFTO部分能量，加快其衰減速度；二是避雷器自身的非線性電阻特性可以進(jìn)一步有效降低VFTO幅值[6]。

相較于帶間隙的碳化硅避雷器而言，采用無(wú)間隙氧化鋅避雷器對(duì)VFTO的限制更為有效。因?yàn)楸芾灼鲗?duì)VFTO的保護(hù)作用有距離限制，而VFTO在GIS內(nèi)傳播，所以GIS內(nèi)設(shè)置多臺(tái)避雷器方可起到保護(hù)作用。

除了以上所列舉的一些因素外，VFTO的幅值還與GIS內(nèi)部的結(jié)構(gòu)有關(guān)，包括變電站的布線方式，GIS的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，變電站的地形地貌以及GIS的基本特點(diǎn)等。避雷器的模型建立對(duì)VFTO的影響也是顯著的。在所有的影響因素中，對(duì)VFTO影響最大的是殘余電荷的大小。避雷器良好的伏安特性可以有效降低VFTO的幅值，從而對(duì)二次設(shè)備進(jìn)行更好地保護(hù)，是進(jìn)一步研究的方向。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以實(shí)際的800 kV GIS系統(tǒng)為背景，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，建立了其暫態(tài)情況下的仿真模型。文中列舉了系統(tǒng)不同情況下的各種操作方式，并對(duì)其建立的模型和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析了其參數(shù)的選擇。計(jì)算結(jié)果表明，800 kV GIS變電站內(nèi)各個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)處的VFTO幅值并不太高，且常常出現(xiàn)在隔離開(kāi)關(guān)處或出線套管處。而且VFTO的最大幅值出現(xiàn)與其操作方式也有一定關(guān)系，選取的操作方式越復(fù)雜，線路越長(zhǎng)，其產(chǎn)生振蕩的作用就會(huì)越大，VFTO的幅值就會(huì)越大。

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Calculation of 800 kV GIS VFTO

LI Wei，Lü Zhonghua，LI Ning，WU Zhuohang，WU Hao

(State Grid Liaoning Electric Power Company Limited Economic Research Institute,Shenyang, Liaoning 110015，China)

This article makes simulation calculation using the EMTP electromagnetic transient software with a 800 kV GIS system about the Very Fast Transient Over-voltage. The obtained result shows the VFTO amplitudes of all the nodes in the system under different operating modes which are with a value between 1 to 2 p.u..Meanwhile, the VFTO spectrum diagrams of every node are gained by using of MATLAB and the diagrams are made a simple analysis on their respective waveform.

VFTO; Ultra high voltage(UHV); DS; MATLAB

TM86

A

1004-7913(2017)05-0055-04

李 薇(1986)，女，工程師，主要從事非生產(chǎn)項(xiàng)目評(píng)審技術(shù)工作。

2017-03-01)