基于不同燃弧电路模型的快速暂态过电压研究

左明鑫,王忠利

(郑州科技学院 电气工程学院,河南 郑州 450064)



基于不同燃弧电路模型的快速暂态过电压研究

左明鑫,王忠利

(郑州科技学院 电气工程学院,河南 郑州 450064)

研究在不同燃弧电路模型时快速暂态过电压的幅值和频率特性，结合电弧的特点与电感元件的特性，认为电阻和电感串联模型更合理，为进一步分析VFTO作用下GIS的绝缘性能提供参考。

快速暂态过电压;燃弧电路模型;频率分量;电感元件

1 前言

GIS(Gas-Insulated Switchgear，简称GIS)以占地面积小、安全可靠等系列优点得到相关部门的认可，但GIS中隔离开关操作时产生幅值较高、频率很大的快速暂态过电压VFTO(Very Fast Transient Over-voltage)，它对GIS内部设备的绝缘以及邻近设备都可能造成一定程度的危害，该问题得到相关部门的关切[1-2]。但是在计算机模拟仿真分析VFTO时隔离开关的燃弧电路模型目前没有统一的结构，这给分析VFTO的特性以及分析VFTO对电力系统的影响带来一定的困扰，故研究隔离开关的燃弧电路模型具有一定的实际意义。

本文基于不同的隔离开关燃弧电路模型进行分析，分别用时变电阻模型、电阻和电感串联模型、电阻和电感串联再并联电容模型等三种电路来近似模拟等效隔离开关燃弧状态，在这三种情况下分析VFTO的特性，找出更合理的模型，为进一步分析VFTO作用下GIS的绝缘性能提供参考。

2 燃弧电路模型的选取

图1所示为某些变电站500kVGIS典型的部分接线图，图中T为变压器，ES为接地开关，DS为隔离开关，CT为电流互感器，CB为断路器，BUS为母线，分析的是当CB、DS2及所有ES均断开时，对DS1进行操作时的状态。

图1 500kV GIS部分接线图

针对500kV GIS结构的特点，给出GIS中各主要元件除了隔离开关燃弧之外的其他等效模型和参数，列于表1，GIS中各元件的模型和参数(包括隔离开关燃弧)有的是参考文献[3-9]，有的模型是依据实际结构经过合理分析给出的，有的参数是经过仿真计算得到的。而关于隔离开关燃弧状态的等效电路模型分时变电阻模型、电阻和电感串联模型以及电阻和电感串联再并联电容模型等三种情况进行讨论。

图4 电阻和电感串联再并联电容模型

图5 隔离开关结构示意图

3 VFTO的仿真计算结果

表1 GIS主要元件的等效模型及参数

结合文献[9]，在GIS中断路器开断端的支撑绝缘子处的VFTO幅值最高，鉴于此，本文只分析断路器开断端的支撑绝缘子处的VFTO波形。

图6 时变电阻模型时VFTO波形

图7 电阻和电感串联模型时VFTO波形

从图6～图8可以看出，在时变电阻模型、电阻和电感串联模型以及电阻和电感串联再并联电容模型时断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形的电压幅值分别为3.0351p.u、3.1344p.u和3.0868p.u，发生时刻均为17.45μs，由此可见，在电阻和电感串联模型时VFTO波形的电压幅值最高。

图8 电阻和电感串联再并联电容模型时VFTO波形

4 VFTO的频率特性

为了更全面的分析这三种模型时VFTO波形的情况，下面分别对这三个VFTO波形进行快速傅里叶变换，提取出频率成份及对应的电压信息。

图9 时变电阻模型时VFTO频谱图

图10 电阻和电感串联模型时VFTO频谱图

图11 电阻和电感串联再并联电容模型时VFTO频谱图

从图8～图10可以看出，在时变电阻模型、电阻和电感串联模型以及电阻和电感串联再并联电容模型时，断路器开断端的支撑绝缘子处的VFTO波形所包含的频率分量都是相当丰富，并且数值很大，多数频率分量集中于2.75～44.8MHz，也有少数频率分量超过100MHz，比如120.8MHz、157.95MHz和196.55MHz，甚至有极少数频率分量超过200MHz，如237.3MHz和279.35MHz，不论是哪种模型时基频分量均为2.75MHz，这充分说明了VFTO波形的基频分量是由GIS本身结构的等效电感和电容的大小来决定的，这和隔离开关的燃弧等效电路模型几乎没有关系，根据文献[9-10]中提到的德拜方程可知，基频分量对绝缘介质的介电常数影响较小，并且相对应的电压幅值又不太高，所以基频分量对GIS的绝缘应该不会造成太大的威胁。但是除了基频分量外，还包括十几、几十兆赫兹甚至更大的高频率分量，这些高频率分量可以较明显的降低绝缘介质的介电常数，使其放电、击穿电压的基准值有所降低，从而影响GIS的绝缘水平，但是在特高频率分量下，虽然可以明显降低绝缘介质的介电常数，由于对应的电压幅值很低，对GIS的绝缘也应该不会造成太大的影响，那么在10～150MHz频率段，既明显降低绝缘介质的介电常数，又有较高的幅值，自然会对GIS的绝缘造成较大的影响，应引起重视。

对比分析三种电路模型时VFTO波形在10～150MHz频率段的电压幅值情况，从图9～图11可以看出，在时变电阻模型时这个频率段的电压幅值最低，GIS中隔离开关在开断过程中产生的电弧，在变化过程中涉及物质的组成和物性变化、电磁场分布、能量的输运等问题，它受电场、磁场等的共同作用和影响[4]，仅仅用电阻来等效燃弧电路不太恰当，而隔离开关在打开状态时由于极间电容很小，通常作为开路开关处理即可[8]，无需再并联电容。结合电感元件的特征，当电感线圈中有电流通过时，线圈的周围会有磁场出现，如果线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也会相应的变化，电感元件也能实现电能与磁能之间的相互转化，因此串联一个电感元件更能体现燃弧的特点，并且在电阻和电感串联模型时VFTO波形的电压幅值最高，在10～150MHz频率段频率分量对应的电压幅值也最高，因此在这三种燃弧电路模型中电阻和电感串联模型更接近燃弧的实际情况，为进一步分析VFTO作用下GIS的绝缘性能提供参考。

5 结论

(1)仿真计算出三种模型时断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形，在电阻和电感串联模型时VFTO波形的幅值最高，为3.1344p.u。

(2)对VFTO波形进行快速傅里叶变换，电阻和电感串联模型时VFTO在对GIS的绝缘造成较大影响的10～150MHz频率段的电压幅值最高。

(3)再结合电弧的特点与电感元件的特性，认为在这三种模型中电阻和电感串联模型更接近燃弧的实际情况。

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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，硕士研究生，研究方向：电工理论与新技术。