基于不同燃弧電路模型的快速暫態(tài)過電壓研究

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)

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基于不同燃弧電路模型的快速暫態(tài)過電壓研究

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)

研究在不同燃弧電路模型時(shí)快速暫態(tài)過電壓的幅值和頻率特性，結(jié)合電弧的特點(diǎn)與電感元件的特性，認(rèn)為電阻和電感串聯(lián)模型更合理，為進(jìn)一步分析VFTO作用下GIS的絕緣性能提供參考。

快速暫態(tài)過電壓;燃弧電路模型;頻率分量;電感元件

1 前言

GIS(Gas-Insulated Switchgear，簡(jiǎn)稱GIS)以占地面積小、安全可靠等系列優(yōu)點(diǎn)得到相關(guān)部門的認(rèn)可，但GIS中隔離開關(guān)操作時(shí)產(chǎn)生幅值較高、頻率很大的快速暫態(tài)過電壓VFTO(Very Fast Transient Over-voltage)，它對(duì)GIS內(nèi)部設(shè)備的絕緣以及鄰近設(shè)備都可能造成一定程度的危害，該問題得到相關(guān)部門的關(guān)切[1-2]。但是在計(jì)算機(jī)模擬仿真分析VFTO時(shí)隔離開關(guān)的燃弧電路模型目前沒有統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，這給分析VFTO的特性以及分析VFTO對(duì)電力系統(tǒng)的影響帶來(lái)一定的困擾，故研究隔離開關(guān)的燃弧電路模型具有一定的實(shí)際意義。

本文基于不同的隔離開關(guān)燃弧電路模型進(jìn)行分析，分別用時(shí)變電阻模型、電阻和電感串聯(lián)模型、電阻和電感串聯(lián)再并聯(lián)電容模型等三種電路來(lái)近似模擬等效隔離開關(guān)燃弧狀態(tài)，在這三種情況下分析VFTO的特性，找出更合理的模型，為進(jìn)一步分析VFTO作用下GIS的絕緣性能提供參考。

2 燃弧電路模型的選取

圖1所示為某些變電站500kVGIS典型的部分接線圖，圖中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及所有ES均斷開時(shí)，對(duì)DS1進(jìn)行操作時(shí)的狀態(tài)。

圖1 500kV GIS部分接線圖

針對(duì)500kV GIS結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，給出GIS中各主要元件除了隔離開關(guān)燃弧之外的其他等效模型和參數(shù)，列于表1，GIS中各元件的模型和參數(shù)(包括隔離開關(guān)燃弧)有的是參考文獻(xiàn)[3-9]，有的模型是依據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)經(jīng)過合理分析給出的，有的參數(shù)是經(jīng)過仿真計(jì)算得到的。而關(guān)于隔離開關(guān)燃弧狀態(tài)的等效電路模型分時(shí)變電阻模型、電阻和電感串聯(lián)模型以及電阻和電感串聯(lián)再并聯(lián)電容模型等三種情況進(jìn)行討論。

圖4 電阻和電感串聯(lián)再并聯(lián)電容模型

圖5 隔離開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

3 VFTO的仿真計(jì)算結(jié)果

表1 GIS主要元件的等效模型及參數(shù)

結(jié)合文獻(xiàn)[9]，在GIS中斷路器開斷端的支撐絕緣子處的VFTO幅值最高，鑒于此，本文只分析斷路器開斷端的支撐絕緣子處的VFTO波形。

圖6 時(shí)變電阻模型時(shí)VFTO波形

圖7 電阻和電感串聯(lián)模型時(shí)VFTO波形

從圖6～圖8可以看出，在時(shí)變電阻模型、電阻和電感串聯(lián)模型以及電阻和電感串聯(lián)再并聯(lián)電容模型時(shí)斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形的電壓幅值分別為3.0351p.u、3.1344p.u和3.0868p.u，發(fā)生時(shí)刻均為17.45μs，由此可見，在電阻和電感串聯(lián)模型時(shí)VFTO波形的電壓幅值最高。

圖8 電阻和電感串聯(lián)再并聯(lián)電容模型時(shí)VFTO波形

4 VFTO的頻率特性

為了更全面的分析這三種模型時(shí)VFTO波形的情況，下面分別對(duì)這三個(gè)VFTO波形進(jìn)行快速傅里葉變換，提取出頻率成份及對(duì)應(yīng)的電壓信息。

圖9 時(shí)變電阻模型時(shí)VFTO頻譜圖

圖10 電阻和電感串聯(lián)模型時(shí)VFTO頻譜圖

圖11 電阻和電感串聯(lián)再并聯(lián)電容模型時(shí)VFTO頻譜圖

從圖8～圖10可以看出，在時(shí)變電阻模型、電阻和電感串聯(lián)模型以及電阻和電感串聯(lián)再并聯(lián)電容模型時(shí)，斷路器開斷端的支撐絕緣子處的VFTO波形所包含的頻率分量都是相當(dāng)豐富，并且數(shù)值很大，多數(shù)頻率分量集中于2.75～44.8MHz，也有少數(shù)頻率分量超過100MHz，比如120.8MHz、157.95MHz和196.55MHz，甚至有極少數(shù)頻率分量超過200MHz，如237.3MHz和279.35MHz，不論是哪種模型時(shí)基頻分量均為2.75MHz，這充分說明了VFTO波形的基頻分量是由GIS本身結(jié)構(gòu)的等效電感和電容的大小來(lái)決定的，這和隔離開關(guān)的燃弧等效電路模型幾乎沒有關(guān)系，根據(jù)文獻(xiàn)[9-10]中提到的德拜方程可知，基頻分量對(duì)絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)影響較小，并且相對(duì)應(yīng)的電壓幅值又不太高，所以基頻分量對(duì)GIS的絕緣應(yīng)該不會(huì)造成太大的威脅。但是除了基頻分量外，還包括十幾、幾十兆赫茲甚至更大的高頻率分量，這些高頻率分量可以較明顯的降低絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，使其放電、擊穿電壓的基準(zhǔn)值有所降低，從而影響GIS的絕緣水平，但是在特高頻率分量下，雖然可以明顯降低絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，由于對(duì)應(yīng)的電壓幅值很低，對(duì)GIS的絕緣也應(yīng)該不會(huì)造成太大的影響，那么在10～150MHz頻率段，既明顯降低絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)，又有較高的幅值，自然會(huì)對(duì)GIS的絕緣造成較大的影響，應(yīng)引起重視。

對(duì)比分析三種電路模型時(shí)VFTO波形在10～150MHz頻率段的電壓幅值情況，從圖9～圖11可以看出，在時(shí)變電阻模型時(shí)這個(gè)頻率段的電壓幅值最低，GIS中隔離開關(guān)在開斷過程中產(chǎn)生的電弧，在變化過程中涉及物質(zhì)的組成和物性變化、電磁場(chǎng)分布、能量的輸運(yùn)等問題，它受電場(chǎng)、磁場(chǎng)等的共同作用和影響[4]，僅僅用電阻來(lái)等效燃弧電路不太恰當(dāng)，而隔離開關(guān)在打開狀態(tài)時(shí)由于極間電容很小，通常作為開路開關(guān)處理即可[8]，無(wú)需再并聯(lián)電容。結(jié)合電感元件的特征，當(dāng)電感線圈中有電流通過時(shí)，線圈的周圍會(huì)有磁場(chǎng)出現(xiàn)，如果線圈中電流發(fā)生變化時(shí)，其周圍的磁場(chǎng)也會(huì)相應(yīng)的變化，電感元件也能實(shí)現(xiàn)電能與磁能之間的相互轉(zhuǎn)化，因此串聯(lián)一個(gè)電感元件更能體現(xiàn)燃弧的特點(diǎn)，并且在電阻和電感串聯(lián)模型時(shí)VFTO波形的電壓幅值最高，在10～150MHz頻率段頻率分量對(duì)應(yīng)的電壓幅值也最高，因此在這三種燃弧電路模型中電阻和電感串聯(lián)模型更接近燃弧的實(shí)際情況，為進(jìn)一步分析VFTO作用下GIS的絕緣性能提供參考。

5 結(jié)論

(1)仿真計(jì)算出三種模型時(shí)斷路器開斷端的支撐絕緣子處VFTO波形，在電阻和電感串聯(lián)模型時(shí)VFTO波形的幅值最高，為3.1344p.u。

(2)對(duì)VFTO波形進(jìn)行快速傅里葉變換，電阻和電感串聯(lián)模型時(shí)VFTO在對(duì)GIS的絕緣造成較大影響的10～150MHz頻率段的電壓幅值最高。

(3)再結(jié)合電弧的特點(diǎn)與電感元件的特性，認(rèn)為在這三種模型中電阻和電感串聯(lián)模型更接近燃弧的實(shí)際情況。

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Study on VFTO Based on different Arc Circuit Models

ZUOMing-xin，WANGZhong-li

(Department of Electrical Engineering，Zhengzhou College of Science &Technology,Zhengzhou 450064，China)

Study the feature of amplitude and frequency of VFTO,combine the character of arc and feature of inductance element,think resistor and inductance series connection more appropriate,provide reference for further analysing insulating property of GIS.

VFTO;arc circuit model;frequency component;inductance element

1004-289X(2015)04-0085-04

TM71

B

2015-04-05

左明鑫(1980.12-)，男，碩士研究生，研究方向：電工理論與新技術(shù)。