800 kV GIS快速暫態(tài)過電壓計算

李 薇，呂忠華，李 寧，吳卓航，吳 昊

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015)

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800 kV GIS快速暫態(tài)過電壓計算

李 薇，呂忠華，李 寧，吳卓航，吳 昊

(國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015)

利用EMTP電磁暫態(tài)仿真軟件，對某800 kV GIS系統(tǒng)中的快速暫態(tài)過電壓進行仿真計算，得到系統(tǒng)在不同操作方式下，各個節(jié)點上VFTO的幅值大小，其值為1～2 p.u.。同時，利用MATLAB得到各個節(jié)點上VFTO的頻譜圖，并對其各自的波形進行簡單分析。最后，利用得到的仿真結果分析了VFTO的影響因素。

快速暫態(tài)過電壓；特高壓；隔離開關；MATLAB

1 實際GIS的暫態(tài)等值計算模型

近年來針對VFTO的研究，通常是從系統(tǒng)運行的角度將系統(tǒng)內(nèi)部各個元件簡化為集中參數(shù)來表示。本文中的暫態(tài)模型和參數(shù)選取，均是根據(jù)國內(nèi)外的參考依據(jù)，同時根據(jù)其GIS結構特點，針對800 kV GIS系統(tǒng)進行了更加精確的改進分析和仿真計算[1]。本文將針對實際運行的800 kV GIS在各種情況下所產(chǎn)生的快速暫態(tài)過電壓進行數(shù)值模擬，從而確定各元件的動態(tài)電路模型，進而對頻率及幅值特征進行分析，最后研究VFTO對GIS設備元件絕緣性能的影響。

GIS設備因其結構緊湊、占地面積小、不受外界環(huán)境影響、運行安全可靠、維護簡單和檢修周期長等諸多優(yōu)點，得到了廣泛應用。本文以國內(nèi)某800 kV GIS變電站為例，對其內(nèi)部隔離開關操作引起的暫態(tài)過電壓問題進行計算，其電氣接線圖如圖1所示[2]。

該線路是由變壓器、隔離開關、接地開關、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構，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。當線路中的斷路器處于開斷狀態(tài)時，隔離開關進行動作就會產(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)，對空載狀態(tài)下GIS進行分析計算。

計算過程中，通過已知計算電路和等值計算公式，就可以把實際的復雜型網(wǎng)絡轉化為Bergeron等值計算電路。

當線路中的斷路器全都處于開斷情況時，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；隔離開關的運動過程分為燃弧階段、完全閉合和完全開斷3個階段，燃弧過程中，隔離開關觸頭間電弧主要顯現(xiàn)阻性，同時，兩端觸頭留有殘余電荷，對地顯現(xiàn)容性，由此，采用電弧電阻與等值電容結合模型代表隔離開關；而在隔離開關完全開關過程中，隔離開關所在線路視為斷路；在隔離開關完全閉合階段，觸頭完全接觸，不存在燃弧電阻，可視為無損傳輸線；接地開關在正常運行狀態(tài)下處于開斷狀態(tài)，只存在對地電容；以斷路器斷口數(shù)為節(jié)點數(shù)，設計多節(jié)點電容網(wǎng)絡模型模擬分斷的多斷口斷路器，閉合狀態(tài)下的斷路器采用無損傳輸線等效；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)絡分析法求解任一時刻t下網(wǎng)絡節(jié)點電壓和電流值。選取系統(tǒng)可能出現(xiàn)的各種操作方式進行計算，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)設備(斷路器、隔離開關等)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；電抗器側套管額定電流2 000 A；主變側套管額定電流2 000 A；短路水平40 kA。仿真計算選取時間為Δt=1 ns，燃弧時間為20 μs。

表1 隔離開關操作方式組合

采用單機單出線時，在2種操作方式下，通過仿真計算，得到的系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點處的VFTO值如表2所示。

表2 單機單出線時VFTO值 p.u.

采用單機雙出線時，在2種操作方式下，通過仿真計算，得到的系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點處的VFTO值如表3所示。

表3 單機雙出線時VFTO值 p.u.

采用雙機單出線時，在2種操作方式下，通過仿真計算，得到的系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點處的VFTO值如表4所示。

表4 雙機單出線時VFTO值 p.u.

采用雙機雙出線時，在2種操作方式下，通過仿真計算，得到的系統(tǒng)內(nèi)各個節(jié)點處的VFTO值如表5所示。

表5 雙機雙出線時VFTO值 p.u.

選取各種操作方式下各個節(jié)點上的最大值，如表6所示。

表6 各個節(jié)點上最大值 p.u.

計算結果表明，800 kV GIS變電站內(nèi)各個設備節(jié)點處的VFTO幅值并不太高，一般都分布在1～2 p.u.，且常常出現(xiàn)在隔離開關處，或者出線套管處。而對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系，選取的操作方式越復雜，線路越長，其產(chǎn)生振蕩的作用就會越大，VFTO的幅值就會越大，但均低于2.0 p.u.。

另外，操作隔離開關處的VFTO幅值相對較高，此處VFTO中高頻分量大，雖然會瞬時衰減，但是恰恰是這部分高頻分量容易造成GIS內(nèi)感性設備擊穿，因此，操作隔離開關處VFTO受到廣泛關注。

本文所述800 kV GIS與主變連接母線較長，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)計算可知，作用在主變出口處的VFTO幅值在1.0 p.u.左右波動，而頻率在幾百kHz范圍內(nèi)變化。由計算結果可知，本算例中操作隔離開關引起的VFTO對與GIS直連的主變壓器的主絕緣和縱絕緣并不構成威脅。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給出各關鍵設備處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VFTO的影響

由于利用隔離開關切空母線時過電壓產(chǎn)生的根源是隔離開關重燃，因此在重燃時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電壓的大小。經(jīng)過查閱資料得出，特高壓GIS系統(tǒng)中電容電流較大，母線上殘余電荷點電壓較高，而殘余電荷電壓由隔離開關重燃時刻來決定，控制重燃時刻有利于抑制殘余電壓的大小。

因此，對VFTO的抑制應從加快殘余電壓的泄漏著手，減小殘余電荷。由于在斷路器斷開以后，雖然線路屬于斷開狀態(tài)，但是GIS開斷的母線空載線段上還會留有殘余電荷。因此，隔離開關操作時仍會產(chǎn)生電弧，進而導致母線上出現(xiàn)較大過電壓。雖然殘余電荷引起的殘壓衰減很慢，但其對殘壓值的影響仍會很大。本文中考慮最嚴重情況下的開斷，即考慮斷口兩端在1 p.u.的殘余電壓下，此時觸頭間的電壓差會升至2 p.u.，該狀態(tài)下，產(chǎn)生的行波振蕩最嚴重，故而產(chǎn)生的VFTO也最大。理論上會采用快速投切隔離開關，該設備將大大減少重燃次數(shù)，使得電弧在容性工頻電流過零時熄滅，在開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，從而達到抑制VFTO幅值的目的[4]。

3 其他因素對VFTO的影響

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

b.傳播電纜的阻值與長度。VFTO通過電纜由GIS向變壓器傳播，電纜的長度決定了電纜的阻值，對VFTO有較強的阻尼特性，加劇VFTO在傳播過程中的衰減。

c.GIS內(nèi)氧化鋅避雷器設置位置。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抑制雷擊電壓的設備，雖然VFTO波前陡，頻率高，使得避雷器在VFTO下來不及動作，但是避雷器自身存在2種特性，一是避雷器的對地電容特性，可以對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，采用無間隙氧化鋅避雷器對VFTO的限制更為有效。因為避雷器對VFTO的保護作用有距離限制，而VFTO在GIS內(nèi)傳播，所以GIS內(nèi)設置多臺避雷器方可起到保護作用。

除了以上所列舉的一些因素外，VFTO的幅值還與GIS內(nèi)部的結構有關，包括變電站的布線方式，GIS的結構特點，變電站的地形地貌以及GIS的基本特點等。避雷器的模型建立對VFTO的影響也是顯著的。在所有的影響因素中，對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，從而對二次設備進行更好地保護，是進一步研究的方向。

4 結束語

本文以實際的800 kV GIS系統(tǒng)為背景，對其進行仿真分析，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，并對其建立的模型和參數(shù)進行計算，分析了其參數(shù)的選擇。計算結果表明，800 kV GIS變電站內(nèi)各個設備節(jié)點處的VFTO幅值并不太高，且常常出現(xiàn)在隔離開關處或出線套管處。而且VFTO的最大幅值出現(xiàn)與其操作方式也有一定關系，選取的操作方式越復雜，線路越長，其產(chǎn)生振蕩的作用就會越大，VFTO的幅值就會越大。

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[6] 萬亦如,陳 光,陳稼苗,等. 交流特高壓GIS變電站的VFTO研究[J]. 華東電力,2010,39(7):1 043-1 047.

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)項目評審技術工作。

2017-03-01)