特高壓GIS中暫態殼體電位的暫態模型研究

王鵬舉，朱 松，王文杰，張 濤，王 超

(1．國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2．國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3．華電電力科學研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179)

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特高壓GIS中暫態殼體電位的暫態模型研究

王鵬舉1，朱 松2，王文杰3，張 濤2，王 超2

(1．國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2．國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；3．華電電力科學研究院東北分院，遼寧 沈陽 110179)

隨著電壓等級的提高，電磁暫態過程對電力系統造成的影響不容忽視，為了特高壓變電站的長期安全運行，不斷優化細化模擬暫態計算電路為其提供精確的理論數據參考至關重要。以浙南1 100 kV GIS變電站隔離開關操作時引起的TEV為例，進行建模和計算，得到了該操作方式下TEV特性，與理論TEV特性對比，符合理論情況，因此可得該計算模型可信。

特高壓；隔離開關；暫態殼體電位

GIS因以滅弧性和絕緣性良好的SF6氣體作為相間和對地的絕緣，極大減小了GIS占地面積，然而因其結構緊湊，使GIS內部電磁耦合現象嚴重。電磁暫態過程一部分發生在GIS內部，產生影響GIS內部設備絕緣的快速暫態過電壓(very fast transient over voltage，VFTO)[1-3]。另一部分發生在GIS的殼體與大地之間，產生影響GIS的二次監控、測量、保護等設備正常工作的外部過電壓，即暫態殼體電位(transient enclosure voltage，TEV)。隨著GIS的電壓等級越來越高，由TEV引起的變電站事故激增。因此，必須更加準確地對特高壓GIS殼體TEV問題進行系統的理論研究，提供可靠理論數據，提高GIS運行的可靠性。

通過查閱國內外暫態殼體電位相關文獻，不難發現國內外對TEV有一定的研究，也有許多豐富的成果[4-5]。根據以往的研究經驗和相關報道可知暫態電路的建立需要同時考慮內部暫態過程和外部暫態過程，分別建立GIS的內部暫態模型和外部暫態模型，而對如何連接內部暫態模型和外部暫態模型卻鮮有報道，連接方式也是使模擬數據更趨近于真實值的重要環節[6-9]。因此為了更真實地反映TEV的特性，本文在已有研究成果的基礎上，對模型的連接方式進行研究，對模型進行優化，并運用改進后的模型對浙南1 100 kV GIS變電站的暫態殼體電位進行計算。

1 暫態電路的建立

1.1 內外部暫態模型的等效

本變電站中的電氣元件分為集中參數元件和分布參數元件兩大類，其中GIS母線要用分布參數等效，而對于設備則應用集中參數來等效。最終電氣元件都由電阻和電流源并聯而成。表1列出了GIS變電站內部關鍵設備的等效模型。

對于GIS外部，已知GIS的外殼彼此間存在電磁耦合[10-11]。由于殼體水平布置，殼體波阻抗矩陣具有對稱性，可以采用對稱分量法，通過相模變換將波阻抗矩陣由相量轉化為模量，去除彼此間的耦合。同理可得到架空線波阻抗矩陣的模量矩陣。這樣，外部耦合電路可轉化為彼此獨立的單相電路。接地線的建模，本文采用的是將接地線等效成對地集中電感，計算公式為

(1)

式中：l為短接排長度；w為短接排寬度；t為厚度。

1.2 內外部暫態模型的連接

在研究過程中發現，在此之前的暫態模型簡單的將GIS內部暫態電路和外部暫態電路在GIS進出套管處連接，中間連接套管等效電容。通過實際計算發現，結果與真實的TEV特性存在偏差。實際上，隔離開關操作產生的VFTO的電壓波不僅會在進出線套管處耦合到GIS殼體上，在中間部分的傳輸線上依然有波阻抗不連續的點，在該點電壓波也會發生復雜的折射和反射。所以中間部分的GIS母線也會與相應位置的殼體發生電磁耦合。本文將GIS內部暫態電路和外部暫態電路在整條線路的波阻抗不連續處均用GIS母線與殼體之間等效電容連接，得到暫態模型。以一種典型GIS接線方式為例，如圖1、圖2所示。

圖1 GIS電氣接線圖

圖2 GIS完整暫態電路圖

2 計算實例

2.1 電氣接線圖

浙南1 100 kV GIS變電站采用的是3/2接線方式，且GIS的布局具有對稱性，系統采用三回進線，八回出線。圖3為浙南1 100 kV變電站的電氣接線圖，圖中CB為斷路器，DS為隔離開關，TA表示電流互感器。

考慮到變電站可能出現的工作狀況，選擇最嚴重的一種工作情況，此時，VFTO的數值是最大的，由VFTO傳播引起的TEV數值也是最大的。即操作方式1:進線4號—CB13—CB01—出線福州1，斷開斷路器CB13，操作隔離開關DS35。

圖3 浙南1 100 kV變電站電氣主接線圖

2.2 暫態模型

根據暫態模型建立方法和電氣主接線圖的布置，搭建GIS內部暫態電路和外部暫態電路，并連接內部暫態電路和外部暫態電路，得到完整的暫態模型。

2.3 數值計算與結果分析

對操作方式1進行計算，得到在GIS進線套管處、隔離開關處、斷路器處、GIS 出線套管處殼體上的暫態殼體電位TEV的最高幅值，如表2所示。

表2 操作方式1對應點殼體上TEV幅值最大值

經過以上數據分析，得出TEV的最大幅值出現在A相出線套管處，其幅值為0.67 p.u.。其次A相進線套管處幅值也較大，為0.53 p.u.。殼體其它處的TEV數值要比套管處低，主要是由于VFTO在套管處耦合到殼體上，套管處波阻抗不連續，電壓波在此處發生復雜的折射、反射和疊加，在中間部分也有很多波阻抗不連續的點，只是波阻抗變化程度沒有套管與母線連接處大，使得折射反射沒有那么強烈。同時電壓波沿著殼體傳播時會因殼體存在阻抗而發生衰減。這就造成了TEV幅值在進出套管處較大而中間部分較小的現象。

圖4—8分別給出了該操作線路中典型的VFTO波形及其相應頻譜特性和A相GIS出線套管處、A相斷路器處、B相斷路器處、C相斷路器處TEV波形及相應幅頻特性。

從圖4—8的TEV頻譜特性可以看出，TEV的頻率范圍較廣，主要分布于5 MHz和40 MHz。

圖4 操作線路中VFTO波形及其相應頻譜特性

圖5 A相GIS出線套管處TEV波形及相應幅頻特性

圖6 A相斷路器處TEV波形及相應幅頻特性

圖7 B相斷路器處TEV波形及相應幅頻特性

圖8 C相斷路器處TEV波形及相應幅頻特性

除此之外，從圖4和圖5 TEV的波形圖可以發現，與VFTO波形相比，TEV波形在起始段具有一定滯后性，即在開始的一段時間，外殼上保持零電位，經過一段時間以后才出現暫態電位升高；對比圖7與圖8波形發現，在斷路器處的TEV波形要比在出線套管處的TEV波形滯后的時間要長；而且，比較圖6—8的波形也可以看出C相的滯后時間大于B相，B相的滯后時間大于A相。

由分析可知，這是由于波的傳播過程造成的。因為VFTO波具有高頻特性，在導體內部會產生集膚效應，暫態波將沿著母線導體的外表面和外殼導體的內表面流動，而只有當VFTO傳播到GIS與套管的連接處時，外殼上才產生TEV。所以，套管處TEV的滯后時間就是VFTO從操作隔離開關傳播到套管處所用的時間。當外殼出現暫態過程時，TEV將沿著外殼與地之間形成的波導傳播，那么TEV從套管處傳到斷路器外殼上時也需要一定時間，從操作相(A相)外殼傳播到未操作相(B、C相)外殼同樣也需要一定時間。因此，彼此間的滯后時間就這樣產生。

3 結論

從此次對超高壓GIS中暫態殼體電位的研究，本文主要對如何將GIS內部暫態電路和外部暫態電路連接起來的問題進行探索，搭建模型。并對浙南1 100 kV GIS變電站的暫態殼體電位進行計算，得出TEV特性，與理論TEV特性進行對比，根據以往研究經驗可知TEV特性如下。

a.TEV在操作相的進出線套管處幅值相對較高，殼體其他處的TEV要比套管處低。

b.根據頻譜特性可看出，TEV的頻率范圍較廣，主要分布于5 MHz和40 MHz。

c.TEV波形在起始段具有一定滯后性。在斷路器處的TEV波形要比在進線套管和出線套管處的TEV波形滯后的時間要長，而且，C相的滯后時間大于B相，B相的滯后時間大于A相。

計算表明，所得的結果均符合理論TEV特性，所以本文建立模型的計算結果是可信的。

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Research on Transient Model of Transient Enclosure Over Voltage in UHV GIS

WANG Pengju1，ZHU Song2，WANG Wenjie3，ZHANG Tao2，WANG Chao2

(1.State Grid Liaoning Electric Power Co.,Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006,China；2.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China;3.Huadian Electric Power Research Institute Northeast Branch，Shenyang，Liaoning 110179，China)

With the increase of voltage grade，the effects of electromagnetic transient process of power system should not be ignored. In order to provide the theoretical reference for UHV substation，continuous optimization models is very important. This paper does some calculations and analysis on the TEV which occurs in 1 100 kV substation of Zhenan. Comparing the actual characteristics of TEV with the theoretic characteristics of TEV,it conforms to the theory of situation. The transient model can be trusted.

UHV; dis-connector; transient enclosure voltage

TM595

A

1004-7913(2017)04-0017-04

王鵬舉(1963)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為輸變電工程建設技術。

2016-12-01)