800 kV GIS快速暂态过电压计算

李 薇，吕忠华，李 宁，吴卓航，吴 昊

(国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015)



800 kV GIS快速暂态过电压计算

李 薇，吕忠华，李 宁，吴卓航，吴 昊

(国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015)

利用EMTP电磁暂态仿真软件，对某800 kV GIS系统中的快速暂态过电压进行仿真计算，得到系统在不同操作方式下，各个节点上VFTO的幅值大小，其值为1～2 p.u.。同时，利用MATLAB得到各个节点上VFTO的频谱图，并对其各自的波形进行简单分析。最后，利用得到的仿真结果分析了VFTO的影响因素。

快速暂态过电压；特高压；隔离开关；MATLAB

1 实际GIS的暂态等值计算模型

近年来针对VFTO的研究，通常是从系统运行的角度将系统内部各个元件简化为集中参数来表示。本文中的暂态模型和参数选取，均是根据国内外的参考依据，同时根据其GIS结构特点，针对800 kV GIS系统进行了更加精确的改进分析和仿真计算[1]。本文将针对实际运行的800 kV GIS在各种情况下所产生的快速暂态过电压进行数值模拟，从而确定各元件的动态电路模型，进而对频率及幅值特征进行分析，最后研究VFTO对GIS设备元件绝缘性能的影响。

GIS设备因其结构紧凑、占地面积小、不受外界环境影响、运行安全可靠、维护简单和检修周期长等诸多优点，得到了广泛应用。本文以国内某800 kV GIS变电站为例，对其内部隔离开关操作引起的暂态过电压问题进行计算，其电气接线图如图1所示[2]。

该线路是由变压器、隔离开关、接地开关、断路器、电流互感器、电压互感器、电抗器、母线等元件组成的全封闭结构，电压电流的同步采集以及控制命令等功能也成为智能变电站的重要环节[3]。该系统中的绝缘材料为SF6。当线路中的断路器处于开断状态时，隔离开关进行动作就会产生VFTO。本文利用已建立的暂态电路模型和所确立的元件参数，对空载状态下GIS进行分析计算。

计算过程中，通过已知计算电路和等值计算公式，就可以把实际的复杂型网络转化为Bergeron等值计算电路。

当线路中的断路器全都处于开断情况时，主变压器就可以看成为集中的电感参数模型和电容参数模型；隔离开关的运动过程分为燃弧阶段、完全闭合和完全开断3个阶段，燃弧过程中，隔离开关触头间电弧主要显现阻性，同时，两端触头留有残余电荷，对地显现容性，由此，采用电弧电阻与等值电容结合模型代表隔离开关；而在隔离开关完全开关过程中，隔离开关所在线路视为断路；在隔离开关完全闭合阶段，触头完全接触，不存在燃弧电阻，可视为无损传输线；接地开关在正常运行状态下处于开断状态，只存在对地电容；以断路器断口数为节点数，设计多节点电容网络模型模拟分断的多断口断路器，闭合状态下的断路器采用无损传输线等效；集中的电感、电容采用梯形公式模型；母线采用Bergeron模型等效。最后，采用集中参数网络分析法求解任一时刻t下网络节点电压和电流值。选取系统可能出现的各种操作方式进行计算，操作方式如表1所示。

该工程的主要参数为：额定电压800 kV；串内设备(断路器、隔离开关等)额定电流3 150 A；主母线额定电流4 000 A；出线套管额定电流3 150A；电抗器侧套管额定电流2 000 A；主变侧套管额定电流2 000 A；短路水平40 kA。仿真计算选取时间为Δt=1 ns，燃弧时间为20 μs。

表1 隔离开关操作方式组合

采用单机单出线时，在2种操作方式下，通过仿真计算，得到的系统内各个节点处的VFTO值如表2所示。

表2 单机单出线时VFTO值 p.u.

采用单机双出线时，在2种操作方式下，通过仿真计算，得到的系统内各个节点处的VFTO值如表3所示。

表3 单机双出线时VFTO值 p.u.

采用双机单出线时，在2种操作方式下，通过仿真计算，得到的系统内各个节点处的VFTO值如表4所示。

表4 双机单出线时VFTO值 p.u.

采用双机双出线时，在2种操作方式下，通过仿真计算，得到的系统内各个节点处的VFTO值如表5所示。

表5 双机双出线时VFTO值 p.u.

选取各种操作方式下各个节点上的最大值，如表6所示。

表6 各个节点上最大值 p.u.

计算结果表明，800 kV GIS变电站内各个设备节点处的VFTO幅值并不太高，一般都分布在1～2 p.u.，且常常出现在隔离开关处，或者出线套管处。而对于不同的操作方式下，其VFTO的最大幅值出现与其操作方式也有一定关系，选取的操作方式越复杂，线路越长，其产生振荡的作用就会越大，VFTO的幅值就会越大，但均低于2.0 p.u.。

另外，操作隔离开关处的VFTO幅值相对较高，此处VFTO中高频分量大，虽然会瞬时衰减，但是恰恰是这部分高频分量容易造成GIS内感性设备击穿，因此，操作隔离开关处VFTO受到广泛关注。

本文所述800 kV GIS与主变连接母线较长，即VFTO传播电气距离较大，使得VFTO振荡谐波衰减系数变大，加快VFTO衰减，降低VFTO幅值。经计算可知，作用在主变出口处的VFTO幅值在1.0 p.u.左右波动，而频率在几百kHz范围内变化。由计算结果可知，本算例中操作隔离开关引起的VFTO对与GIS直连的主变压器的主绝缘和纵绝缘并不构成威胁。然而，由于套管处于线路末端，行波折、反射频繁，使得此处的VFTO幅值略高，频率较大。图2—图4给出各关键设备处VFTO幅值较高的VFTO波形。

图2 TM1处波形

图3 9处波形

图4 2处波形

2 残余电压对VFTO的影响

由于利用隔离开关切空母线时过电压产生的根源是隔离开关重燃，因此在重燃时刻被切除母线上残余电荷电压的大小将直接影响重燃后过电压的大小。经过查阅资料得出，特高压GIS系统中电容电流较大，母线上残余电荷点电压较高，而残余电荷电压由隔离开关重燃时刻来决定，控制重燃时刻有利于抑制残余电压的大小。

因此，对VFTO的抑制应从加快残余电压的泄漏着手，减小残余电荷。由于在断路器断开以后，虽然线路属于断开状态，但是GIS开断的母线空载线段上还会留有残余电荷。因此，隔离开关操作时仍会产生电弧，进而导致母线上出现较大过电压。虽然残余电荷引起的残压衰减很慢，但其对残压值的影响仍会很大。本文中考虑最严重情况下的开断，即考虑断口两端在1 p.u.的残余电压下，此时触头间的电压差会升至2 p.u.，该状态下，产生的行波振荡最严重，故而产生的VFTO也最大。理论上会采用快速投切隔离开关，该设备将大大减少重燃次数，使得电弧在容性工频电流过零时熄灭，在开断的空载线段上将留下1 p.u.的残余电压。然而，残余电荷的存在是很难避免的，故而，只能尽可能抑制电弧的重燃，从而达到抑制VFTO幅值的目的[4]。

3 其他因素对VFTO的影响

a.隔离开关触头间弧道电阻的大小。隔离开关开断容性电流时触头间的重燃电弧是造成VFTO的起因，而弧道电阻起到对触头间电压阻尼的作用，其大小由隔离开关分闸性能决定，电阻值为一时变参数。计算表明，在隔离开关进行分合闸操作时，弧道电阻值实时变化，阻值越大，母线处对地电压越小，即VFTO幅值与弧道电阻值成反比，由此原理推知，在隔离开关分合闸操作过程中，在触头处串入电阻，能够有效对VFTO起阻尼作用[5]。

b.传播电缆的阻值与长度。VFTO通过电缆由GIS向变压器传播，电缆的长度决定了电缆的阻值，对VFTO有较强的阻尼特性，加剧VFTO在传播过程中的衰减。

c.GIS内氧化锌避雷器设置位置。VFTO的传播类似于雷击电压的传播，而氧化锌避雷器正是针对抑制雷击电压的设备，虽然VFTO波前陡，频率高，使得避雷器在VFTO下来不及动作，但是避雷器自身存在2种特性，一是避雷器的对地电容特性，可以对高频电压起到滤波作用，吸收VFTO部分能量，加快其衰减速度；二是避雷器自身的非线性电阻特性可以进一步有效降低VFTO幅值[6]。

相较于带间隙的碳化硅避雷器而言，采用无间隙氧化锌避雷器对VFTO的限制更为有效。因为避雷器对VFTO的保护作用有距离限制，而VFTO在GIS内传播，所以GIS内设置多台避雷器方可起到保护作用。

除了以上所列举的一些因素外，VFTO的幅值还与GIS内部的结构有关，包括变电站的布线方式，GIS的结构特点，变电站的地形地貌以及GIS的基本特点等。避雷器的模型建立对VFTO的影响也是显著的。在所有的影响因素中，对VFTO影响最大的是残余电荷的大小。避雷器良好的伏安特性可以有效降低VFTO的幅值，从而对二次设备进行更好地保护，是进一步研究的方向。

4 结束语

本文以实际的800 kV GIS系统为背景，对其进行仿真分析，建立了其暂态情况下的仿真模型。文中列举了系统不同情况下的各种操作方式，并对其建立的模型和参数进行计算，分析了其参数的选择。计算结果表明，800 kV GIS变电站内各个设备节点处的VFTO幅值并不太高，且常常出现在隔离开关处或出线套管处。而且VFTO的最大幅值出现与其操作方式也有一定关系，选取的操作方式越复杂，线路越长，其产生振荡的作用就会越大，VFTO的幅值就会越大。

[1] 高 涛,邓 玲. 智能电网及其国内外发展概述[J]. 东北电力技术,2012,33(2):5-10.

[2] 孙 峰,司红代,孙晓非. 智能电网多指标综合评估体系研究[J].东北电力技术,2011,32(9):1-7.

[3] 邵 冲,杨 钰,王赞基. GIS开关电弧建模及其对VFTO波形的影响[J]. 电网技术,2010,54(7):200-205.

[4] 林 莘,李 爽,徐建源,等. 考虑GIS外壳传输特性的VFTO计算模型[J]. 电网技术,2010,54(11):203-207.

[5] 孙海峰,陈洪海,吉长祜,等. 基于MATLAB的变压器绕组中VFTO下的电压分布仿真计算[J].河北电力技术,2004,23(4):1-3.

[6] 万亦如,陈 光,陈稼苗,等. 交流特高压GIS变电站的VFTO研究[J]. 华东电力,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，工程师，主要从事非生产项目评审技术工作。

2017-03-01)