500 kV GIS變電站快速暫態(tài)過電壓研究

劉 玉，魯海亮，劉文博，陳小月，藍(lán) 磊，文習(xí)山

（武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢430072）

500 kV GIS變電站快速暫態(tài)過電壓研究

劉 玉，魯海亮，劉文博，陳小月，藍(lán) 磊，文習(xí)山

（武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，武漢430072）

GIS變電站中開關(guān)操作引起的快速暫態(tài)過電壓易對(duì)高壓設(shè)備特別是變壓器產(chǎn)生威脅，針對(duì)此問題，采用EMTP/ATP對(duì)500 kV變電站進(jìn)行建模計(jì)算，為提高計(jì)算精度，隔離開關(guān)燃弧采用動(dòng)態(tài)電弧模型，為分析VFTO對(duì)變壓器匝間絕緣的影響，變壓器繞組采用等效電路模型。計(jì)算比較了變壓器側(cè)開關(guān)操作和母線帶電時(shí)母線側(cè)隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的VFTO幅值、波形和頻譜，并評(píng)估VFTO對(duì)設(shè)備主絕緣的威脅，結(jié)果表明母線帶電時(shí)母線側(cè)開關(guān)操作在開關(guān)設(shè)備上產(chǎn)生的VFTO較為嚴(yán)重；同時(shí)計(jì)算了變壓器繞組內(nèi)VFTO的分布，結(jié)果表明，高頻電壓主要集中在繞組入口近端線餅和線匝上，1至2匝間電壓最大，占入口電壓的5.9%。

VFTO；動(dòng)態(tài)電弧模型；操作方式；匝間電壓分布；絕緣配合

0 引言

氣體絕緣變電站中的隔離開關(guān)設(shè)計(jì)要求在斷路器斷開的情況下具有切合小電容電流的能力，開關(guān)操作時(shí)會(huì)產(chǎn)生幅值較大（最高3 pu）、頻率極高（最高可達(dá) 100 MHz）、波前時(shí)間在 ns 級(jí)（3～100 ns）的快速暫態(tài)過電壓[1－2]。由于隔離開關(guān)的分合速度相對(duì)于系統(tǒng)頻率來說很低，而它又沒有專門的滅弧裝置，所以在切合小電流的過程中，會(huì)產(chǎn)生重?fù)舸┖皖A(yù)擊穿的多次重燃現(xiàn)象。所產(chǎn)生的階躍電壓行波通過GIS及與之相聯(lián)的設(shè)備傳播，而GIS的結(jié)構(gòu)緊湊，相應(yīng)的線路長(zhǎng)度較小，在每個(gè)阻抗突變處產(chǎn)生反射和折射，使波形畸變，引起陡波前過電壓[3]。在進(jìn)行 GIS及其相連接輸變電設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)均需考慮其耐受VFTO的能力[4]。

對(duì)于快速暫態(tài)過電壓，由于受到測(cè)量條件、手段及方法的制約，通過測(cè)試來獲得快速暫態(tài)過電壓受到了限制[5]。相反數(shù)值計(jì)算卻是一種易于實(shí)現(xiàn)的方法，數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵在于模擬的準(zhǔn)確度，這取決于恰當(dāng)?shù)剡x擇元件的模型和參數(shù)，對(duì)各元件進(jìn)行合理的等效。不同的GIS結(jié)構(gòu)，元件的參數(shù)值不同時(shí)，可借助試驗(yàn)獲得其參數(shù)。

筆者采用EMTP/ATP電磁暫態(tài)計(jì)算軟件，對(duì)某500 kV實(shí)際工程GIS變電站中隔離開關(guān)操作引起的VFTO進(jìn)行仿真計(jì)算，隔離開關(guān)燃弧采用動(dòng)態(tài)電弧模型，變壓器繞組采用等效電路模型，比較變壓器側(cè)、母線側(cè)等隔離開關(guān)不同操作方式下產(chǎn)生的VFTO幅值、波形和頻譜，并評(píng)估VFTO對(duì)設(shè)備主絕緣的威脅。同時(shí)為了分析VFTO對(duì)變壓器匝間絕緣的影響，計(jì)算繞組內(nèi)VFTO的分布，以此判斷匝絕緣的安全裕度。

1 計(jì)算模型及參數(shù)

本次計(jì)算采用S.Ogawa提出的GIS元件的電路模型。由于整個(gè)系統(tǒng)近似為三相對(duì)稱，可用單相電路進(jìn)行模擬[6]。GIS中直管道母線一般較短，在計(jì)算中略去損耗，500 kV級(jí)GIS管道母線用波阻抗Z＝70 Ω、波速υ=290 m/μs的分布參數(shù)無損傳輸線等效。其他設(shè)備用集中參數(shù)等值電路表示，見表1。

表1 變電站內(nèi)設(shè)備等效模型Table 1 Equivalent models of substation equipment

1.1 動(dòng)態(tài)電弧模型

電弧的重燃和熄弧采用基于動(dòng)態(tài)電弧模型的MODELS模塊模擬。動(dòng)態(tài)電弧模型是根據(jù)Mayr電弧理論對(duì)分段電弧模型的一種改進(jìn)，在弧道電阻變化過程描述中考慮了電弧散熱功率以及電弧電流的影響，能有效地模擬燃弧的整個(gè)過程，計(jì)算精度高[7]。在隔離開關(guān)觸頭間隙的擊穿過程中，電弧通道會(huì)在幾納秒內(nèi)建立，弧道電阻在極短時(shí)間內(nèi)由無窮大跌落到一個(gè)很小值，考慮擊穿延時(shí)tδ的情況下，采用類似雙曲線形式的電弧電阻，其表達(dá)式為

式中：r0為弧道靜態(tài)電阻，一般取值為 0.5～2 Ω；z為GIS母線波阻抗；tδ為火花擊穿時(shí)間。

對(duì)于熄弧階段弧道電阻變化過程的描述，采用Mayr電弧數(shù)學(xué)模型，其電弧電導(dǎo)方程為

式中：g為電弧電導(dǎo)；i為電弧電流；P（g）為電弧散熱功率；τ（g）為電弧時(shí)間常數(shù)。

利用軟件的MODELS模塊及語言，基于動(dòng)態(tài)電弧理論基礎(chǔ)，代入改進(jìn)歐拉法公式進(jìn)行編程[8]，得到隔離開關(guān)的動(dòng)態(tài)電弧重燃模型。

隔離開關(guān)重燃時(shí)弧道電阻的變化見圖1。

圖1 電弧電阻變化曲線Fig.1 Curve of arc resistance

1.2 變壓器繞組模型

為評(píng)估VFTO對(duì)變壓器匝間絕緣的影響，分析過電壓在變壓器繞組中的分布。利用變壓器繞組的電容電感構(gòu)成的等效電路模型，計(jì)算繞組內(nèi)VFTO的分布，見圖2。由于VFTO的頻率很高，使其在變壓器繞組中的分布主要取決于電容參數(shù)，故不能采用工頻計(jì)算中只考慮電阻和電感的等效電路，而必須考慮變壓器繞組各線匝之間、線餅之間以及線匝對(duì)地電容。

圖2 繞組等效電路Fig.2 Equivalent circuit of transformer winding

圖中，L1，L2，…，Ln為各匝的自感；M1J，M2J，…，M（n－1）n為各匝之間的互感，J=1～n，J≠下標(biāo)中另一個(gè)量；R1，R2，…，Rn為各匝導(dǎo)線的電阻；Ck1，Ck2，…，Ckn為各匝之間的串聯(lián)電容；Cg1，Cg2，…，Cgn為各匝對(duì)地電容。

在確定了外施電壓參數(shù)及初始條件和邊界條件后，對(duì)等效網(wǎng)絡(luò)列寫電路方程，通過計(jì)算可得到回路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電位。

以某實(shí)際500 kV GIS變電站為例，其單串操作間隔電氣接線圖見圖3。

圖3 500 kV GIS操作間隔接線圖Fig.3 Wiring diagram of 500 kV GIS substation

經(jīng)試驗(yàn)和計(jì)算得到的各設(shè)備等值參數(shù)見表2。

2 VFTO計(jì)算結(jié)果及分析

基于第一節(jié)搭建的模型，計(jì)算該變電站在隔離開關(guān)操作時(shí)產(chǎn)生的VFTO。考慮最嚴(yán)重情況，給隔離開關(guān)孤島部分充以－1.0 pu的殘余電壓，假設(shè)隔離開關(guān)在電站電壓為+1.0 pu時(shí)動(dòng)作，這時(shí)的VFTO過電壓最大，理論上可達(dá)3.0 pu。

通過大量計(jì)算可知，單機(jī)、單變供電方式下產(chǎn)生的過電壓最為嚴(yán)重[9]，所以本文主要研究單機(jī)、單變下隔離開關(guān)合閘操作產(chǎn)生的過電壓，并且比較變壓器側(cè)開關(guān)操作和母線側(cè)操作產(chǎn)生的VFTO。

2.1 變壓器側(cè)開關(guān)操作

在變壓器近端操作隔離開關(guān)，其他開關(guān)均斷開，由于泄流通道少，且折反射路徑短，產(chǎn)生的過電壓較為嚴(yán)重。首先研究操作方式1，計(jì)算無線路運(yùn)行時(shí)，合閘DS1投運(yùn)變壓器1號(hào)的情況。變壓器以及操作開關(guān)上產(chǎn)生的過電壓波形和頻譜見圖4。

圖4 方式1下的過電壓波形和頻譜Fig.4 Voltage waveform and spectrum under mode 1

方式2計(jì)算開關(guān)DS1閉合，合閘開關(guān)DS4時(shí)產(chǎn)生的VFTO，同樣方式3為合閘開關(guān)DS3，3種操作方式下GIS站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備處的過電壓幅值（單位：p u）計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 VFTO計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation results

在操作方式1下，隔離開關(guān)上VFTO最大，達(dá)到1 154 kV。根據(jù)設(shè)備過電壓保護(hù)與絕緣配合[10]，500 kV系統(tǒng)設(shè)備對(duì)雷電全波的試驗(yàn)承受能力為1 425 kV，VFTO作用下設(shè)備耐壓大于雷電耐壓。方式1下的過電壓小于500 kV系統(tǒng)的雷電耐壓1 425 kV，因此該操作方式下產(chǎn)生的VFTO對(duì)GIS設(shè)備的主絕緣不構(gòu)成威脅。

通過分析過電壓頻譜，VFTO波形中頻率豐富，高頻分量幅值較大，主要集中在1 MHz～30 MHz，幾個(gè)特定頻率下易發(fā)生諧振，導(dǎo)致電壓幅值很高。VFTO從隔離開關(guān)處傳輸?shù)阶儔浩魈帲粌H幅值降低，頻率也有所降低，高頻分量減小，主要在20 MHz以下。

2.2 母線側(cè)開關(guān)操作

方式4和方式5計(jì)算母線帶電時(shí)，操作母線側(cè)隔離開關(guān)DS5和DS2產(chǎn)生的VFTO，由于操作隔離開關(guān)和變壓器距離較遠(yuǎn)，對(duì)變壓器影響甚小，所以主要分析隔離開關(guān)上的過電壓。方式4下的過電壓波形和頻譜見圖5。

方式4和方式5下GIS站內(nèi)關(guān)鍵設(shè)備處的過電壓幅值（單位：pu）計(jì)算結(jié)果見表4。

母線帶電時(shí)操作母線側(cè)隔離開關(guān)，開關(guān)處的VFTO幅值明顯高于其他操作方式，最大值達(dá)到1 312 kV，并且頻率豐富，20 MHz～30 MHz高頻分量幅值大。所以GIS中此種操作方式對(duì)開關(guān)設(shè)備絕緣產(chǎn)生的威脅更大，應(yīng)引起特別注意。

3 VFTO在變壓器繞組中的分布

當(dāng)VFTO通過架空線、電纜等傳輸?shù)阶儔浩魅肟跁r(shí)，可能對(duì)變壓器的絕緣特別是縱絕緣產(chǎn)生影響。VFTO對(duì)電力變壓器的危害主要包括:VFTO沿變壓器繞組的電壓分布極不均勻，可能造成變壓器的匝間絕緣擊穿；VFTO中振蕩波的頻率與變壓器的固有頻率匹配產(chǎn)生諧振；變壓器繞組承受多次VFTO的沖擊導(dǎo)致絕緣老化[11]。

圖5 方式4下的隔離開關(guān)上過電壓波形和頻譜Fig.5 Voltage waveform and spectrum of disconnector under mode 4

表4 VFTO計(jì)算結(jié)果Table 4 Calculation results

以一18餅、每餅10匝的連續(xù)式繞組變壓器為例，在變壓器入口處加載VFTO，見圖6，該VFTO幅值達(dá)到645 kV，且頻率也較大，為一般500 kV變壓器入口處VFTO能出現(xiàn)的較為嚴(yán)重的情況，得到VFTO在變壓器繞組中的分布見圖7。

圖6 變壓器入口處VFTOFig.6 The VFTO in transformer entrance

圖7 變壓器繞組電壓分布Fig.7 Voltage distribution of transformer winding

快速暫態(tài)過電壓作用下，繞組線匝間的電壓分布極不均勻，距繞組入口越遠(yuǎn)，餅間和匝間電壓幅值越小，波形更加平緩，即高頻電壓主要集中在繞組入口近端線餅和線匝上，靠近入口的餅絕緣和匝絕緣受到的威脅遠(yuǎn)大于其他處絕緣。匝間電壓頻率主要集中在1 MHz～10 MHz，特高頻分量幅值較小，相比于變壓器入口處頻率特性，匝間電壓振蕩頻率有所減小。

餅間電壓最大值出現(xiàn)在第1－2餅之間，達(dá)到130 kV，為入口電壓的20.16%，匝間電壓最大值出現(xiàn)在第1餅的1－2匝間，達(dá)到38 kV，占入口電壓的5.9%，大于標(biāo)準(zhǔn)雷電波作用下匝間電壓占輸入電壓的1.5%[12]。根據(jù)不同匝絕緣厚度下的耐壓水平[13]，1.95 mm的匝絕緣耐受的1/20 μs全波沖擊電壓為119 kV，2.95 mm的匝絕緣耐受的1/20 μs全波沖擊電壓為178 kV，匝絕緣在VFTO的作用下耐受電壓比雷電沖擊電壓下高 25%～40%[14－16]。 500 kV 變壓器的匝絕緣厚度大約為2.95 mm，所以在此較嚴(yán)重的VFTO作用下，變壓器匝間絕緣是安全的，而餅間電壓的最大值沒有超過匝間絕緣紙的耐壓范圍，再加上絕緣油耐壓，即餅間絕緣也是安全的。

在高電壓的變壓器上，要使繞組的結(jié)構(gòu)和繞組的絕緣強(qiáng)度得到合理的配合，最主要的是使繞組各線餅的對(duì)地電位和線餅間的梯度電壓下降，即改善電容分布。圓筒式繞組的對(duì)地電容較小，而串聯(lián)電容的數(shù)值卻很大，因此，圓筒式繞組具有相當(dāng)良好的沖擊電壓分布，但由于其他方面的限制，我國應(yīng)用較少[17－19]。在普遍采用的餅式繞組中，繞組對(duì)地電容較大，對(duì)于一般的連續(xù)式繞組，串聯(lián)電容較小，沖擊電壓分布很差；而糾結(jié)式繞組比連續(xù)式的串聯(lián)電容大得多，同時(shí)內(nèi)屏蔽插入電容式繞組也是為了增加串聯(lián)電容，所以改善了沖擊電壓分布。

4 結(jié)論

1）采用EMTP/ATP電磁暫態(tài)計(jì)算軟件，對(duì)某420 kV實(shí)際工程GIS變電站進(jìn)行參數(shù)整理和等效建模，計(jì)算其隔離開關(guān)操作引起的VFTO；

2）研究了隔離開關(guān)燃弧模型，動(dòng)態(tài)電弧模型在弧道電阻的變化過程描述中考慮了電弧散熱功率以及電弧電流的影響，能有效地模擬燃弧的整個(gè)過程，計(jì)算精度高；

3）比較了變壓器側(cè)開關(guān)操作和母線側(cè)開關(guān)操作產(chǎn)生的VFTO幅值、波形和頻譜，結(jié)果表明，母線帶電時(shí)，操作母線側(cè)隔離開關(guān)在開關(guān)設(shè)備上產(chǎn)生的過電壓較為嚴(yán)重，不僅幅值較高，電壓高頻分量幅值也較大；

4）建立了變壓器繞組等效電路模型，以計(jì)算VFTO在繞組中的分布，從而評(píng)估VFTO對(duì)變壓器匝絕緣的影響，結(jié)果表明，高頻電壓主要集中在繞組入口近端線餅和線匝上，靠近入口的餅絕緣和匝絕緣受到的威脅遠(yuǎn)大于其他處絕緣，匝間電壓最大值出現(xiàn)在第1餅的1－2匝間，占入口電壓的5.9%。

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The Research of Very Fast Transient Overvoltage in 500 kV GIS Substation

LIU Yu， LU Hailiang， LIU Wenbo， CHEN Xiaoyue， LAN Lei， WEN Xishan
（School of Electrical Engineering， Wuhan University， Wuhan 430072， China）

The very fast transient over voltage caused by switching operation in GIS substation may threats equipments′insulation especially transformers， To research this problem， EMTP/ATP is adopted to calculate the overvoltage in 500 kV substation，and a dynamic arcing model is used to simulate arc resistance in disconnector to improve the calculation accuracy，to analyze the influence of VFTO on interturn insulation by， equivalent circuit model of transformer winding is established.Then amplitude，waveform and frequency spectrum of VFTO by switching operation in transformer side and bus side is calculated and compared， and the threat to equipment′s major insulation is assessed， results show that VFTO caused by switching operation in bus side when the bus is charged is more serious;at the same time， the distribution of VFTO in transformer winding is calculated， results show that high frequency voltage concentrates on the cokes and interturns near the winding entrance， voltage of interturn 1－2 is the largest，which account for 5.9%of the entrance voltage.

VFTO； dynamic arcing model； operating mode； distribution of VFTO in transformer winding；insulation coordination

10.16188/j.isa.1003－8337.2017.02.011

2015－12－19

劉玉 （1991—），女，碩士，主要從事電力系統(tǒng)防雷等方面的研究工作。