550 kV GIS变电站中VFTO仿真计算及抑制措施

2022-03-15贺天任刘晓航

电力系统及其自动化学报 2022年2期

贺天任，高宇，刘晓航，3，张瑞，4

（1.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072；2.深圳供电局有限公司，深圳 518000；3.国网辽宁省电力有限公司，铁岭 112000；4.国网山东省电力公司，济宁 272200）

随着城市高速发展，工业用地日渐紧缺，以及电力系统额定电压等级不断升高，更高电压等级的气体绝缘变电站GIS（gas insulated substation）逐渐成为基建主流。在对GIS中的开关装置进行操作时，产生过电压及过电流的电磁暂态问题越来越严重[1，2]。当隔离开关进行分合空载母线时，容易引起特快速暂态过电压VFTO（very fast transient overvoltage），其主要成因是隔离开关不像断路器一样具有灭弧装置，本身触头的分合速度较慢，所以在触头间隙中产生多次重燃[3]。这不仅影响站内一次设备安全运行，还可能导致二次设备受到干扰，严重威胁电力系统的可靠运行。因此，深入认识VF-TO的特点并提出合理的抑制措施对保障电力系统运行安全具有重要意义[4-6]。

近年来，国内外科研人员对VFTO进行了大量的研究。刘德东等[3-4]改进了实时动态电弧模型，研究了VFTO的产生过程，发现该模型能较好地模拟电弧电阻的变化；滕辉等[7]建立了基于能量平衡方程的Cassie-Mary电弧模型，通过改进的欧拉算法提高了模型的仿真精度；Rodrigues Filho等[8]统计了VFTO产生过程中的幅值、频率、包络线等波形特征，提出在建模时应考虑对比经验值更大的频率范围；詹花茂等[1，9]采用蒙特卡罗方法模拟了隔离开关操作初始相位和击穿特性的随机分布对VFTO统计特性的影响，得到了最小电弧电阻与间隙距离和气压正相关的规律；舒印彪等[10]通过统计方法发现，开关速度较低的隔离开关在断开和闭合操作期间产生的VFTO幅度更低；Pathak等[11]认为RC滤波技术对VFTO的抑制作用有限，采用分流电阻器比其他方法效果更好。另外，在GIS母线与主变压器之间连接架空线[12-13]、加装由镂空螺线管及与之并联的电阻组成的阻尼母线[14-15]、一次系统和二次防护配合[16]等方法都有助于抑制VFTO[17-19]。但是，现阶段研究对于主接线形式为3/2接线的变电站涉及较少，对于变压器入口电容、主变进线支路长度等因素影响VFTO特点的机理尚不清晰，缺乏对超高压等级GIS中VFTO的有效抑制措施的探讨，亟需开展深入系统的研究。

本文选取深圳某550 kV的GIS变电站为研究对象，采用电磁暂态程序EMTP/ATP（electro-magnetic transient program/alternative transient program）研究分析隔离开关切合母线时产生的VFTO特点及变压器入口电容等参数的影响，比较了阻波器和铁氧体磁环抑制VFTO的效果，给出了VFTO的有效抑制措施。

1 GIS中的VFTO计算模型及参数设置

在计算VFTO的过程中，建立恰当的GIS等效模型以及选取合适的参数对计算结果正确性有着重要影响。GIS中组件有变压器、母线、断路器、隔离开关、接地刀闸、电压互感器等。在仿真计算中，只需要考虑那些对结果影响较大的因素，而影响较小的因素如接地刀闸、套管和避雷器[20]，可以忽略。GIS母线采用三相分相式，相互独立参数一致，计算时只选取其中一相进行仿真[21]。

在GIS变电站相同结构间隔内，单变单机供电是产生最严重的VFTO的供电方式[22]。本文选取变电站主接线形式为3/2接线，如图1所示，3台主变容量分别为250 MV·A。本文针对全站断路器和隔离开关均处于断开、操作主变侧隔离开关为母线充电的情况进行研究。

图1 深圳某550 kV GIS变电站电气主接线图Fig.1 Main electrical wiring diagram of a 550 kV GIS substation in Shenzhen

计算中，变压器选取等值入口电容模型，变压器等效为并联的电感和对地电容，电容取5 000 pF，电感取100 mH，交流电压源提供变电器电压等级的稳定激励[23，24]。将断路器的断开状态等效视为540 pF的断口间均压电容，隔离开关的断开状态用动静触头侧的对地电容等效模拟[20-21]。燃弧状态时，隔离开关用对地电容等效两端动静触头，燃弧电阻采用指数函数形式表示为

式中：Ra为静态电弧电阻，Ra=0.5 Ω；R0为起弧前隔离开关电阻，R0=1×1012Ω；T为时间常数，T=1 ns[25-26]。GIS内波速设置为296 m/μs，电流在套管内传播时间要大于步长，步长设置为1×10-9s。GIS内主要组件仿真计算参数如表1所示。

表1 主要组件仿真计算参数Tab.1 Numerical simulation parameters of main components

在ATP-DRAW中搭建仿真模型，如图2所示。

图2 单间隔仿真计算模型Fig.2 Numerical simulation model at single interval

3 仿真结果分析

3.1 隔离开关处VFTO的基本特征

GIS内主要设备上的VFTO幅值如表2所示。可见，在操作隔离开关时，变压器、隔离开关、断路器、母线端部侧产生幅值不同的VFTO。操作隔离开关处的VFTO幅值最大，而母线端部的VFTO幅值最小。隔离开关处VFTO的典型波形为一高频振荡的暂态电压波形，如图3所示，其最高可达2.16 p.u.，波前时间约为250 ns。该VFTO时域波形对应的频率分布如图4所示，可见，过电压波的能量主要集中在3个频率段，分别为直流分量0 MHz、15 MHz和25 MHz，说明VFTO暂态波形分布在较宽的频率范围。

表2 GIS内主要设备上VFTO的幅值Tab.2 Amplitude of VFTO on main equipment in GIS

图3 隔离开关处VFTO波形Fig.3 Waveform of VFTO at isolating switch

图4 隔离开关处VFTO频率分布Fig.4 Frequency distribution of VFTO at isolating switch

3.2 变压器入口电容对VFTO的影响

变压器入口电容与变压器的电压等级、容量和结构有关。电压等级越高，额定容量越大，入口电容也随之增大，进而影响VFTO的特征。入口电容对各设备处VFTO幅值的影响如图5所示。

图5 变压器入口电容不同时各处元件的VFTO的幅值Fig.5 Amplitude of VFTO of various components when the transformer inlet capacitances are different

随着入口电容从2 000 pF增大至5 000 pF，各设备处的VFTO幅值均呈现增大趋势。以隔离开关处的VFTO为例，其幅值从0.861 MV增大至0.972 MV，说明变压器入口电容越大，越容易形成较大的VFTO。导致这一结果的原因是：在预击穿阶段，入口电容会存储能量，并在击穿发生时将能量释放。入口电容越大，存储的能量越多，VFTO的幅值也越高。因此，欲降低VFTO的幅值，可减小变压器的入口电容。

3.3 主变进线支路长度对VFTO的影响

GIS母线及支路均存在电抗，电抗值与支路长度密切相关，因此支路长度也将对VFTO产生影响。本文保持其他支路长度不变，主变进线支路长度在7～19 m范围内变化，计算分析支路长度对VFTO的波形及幅值的影响。

主变进线支路长度为7 m和19 m时，隔离开关处的VFTO典型波形如图6和图7所示。可见，当支路长度较短时，隔离开关处的VFTO波形振荡剧烈，高频分量丰富；当支路长度较长时，隔离开关处的VFTO波形振荡变弱，高频分量减少。这说明主变进线支路长度对VFTO波形的频率分量有显著影响。

图6 主变进线支路长度为7 m时隔离开关处VFTO波形Fig.6 Waveform of VFTO at isolating switch when the length of transformer incoming branch is 7 m

图7 主变进线支路长度为19 m时隔离开关处VFTO波形Fig.7 Waveform of VFTO at isolating switch when the length of transformer incoming branch is 19 m

主变进线的支路长度对各设备处VFTO幅值的影响如图8所示。随着支路长度的增大，各设备处VFTO幅值的变化规律具有明显差异。在隔离开关和断路器处，VFTO的幅值整体呈现增大趋势；在母线端部位置，VFTO的幅值整体呈现减小趋势。导致这一现象的原因是，由于VFTO波前时间较短，其在GIS内以行波形式传播。在波阻抗突变处发生复杂的折射和反射现象，支路长度决定了VFTO在发生折、反射后，与后续产生的VFTO发生叠加，增强或削弱VFTO的幅值。由于VFTO传播速度极快、波长极短，支路长度小幅改变就会对VFTO的波形产生很大的影响。因此，从VFTO的幅值和频率两个方面考虑，选择合适的支路长度将有助于抑制设备处的VFTO。

图8 主变进线支路长度不同时各处元件的VFTO的幅值Fig.8 Amplitude of VFTO of various components when the lengths of transformer incoming branches are different

3.4 VFTO的抑制措施分析

3.4.1 采用铁氧体磁环抑制VFTO

将铁氧体磁环加装在隔离开关处，相当于在隔离开关分合触头和空载母线之间串联上等效阻抗，利用铁氧体磁环的高频特性，降低VFTO的幅值及频率。

加装铁氧体磁环的单间隔VFTO仿真计算模型如图9所示，铁氧体磁环等效电阻取母线的波阻抗，等效电感取值为0.05 mH。

图9 加装铁氧体磁环的单间隔VFTO仿真计算模型Fig.9 Numerical simulation model of VFTO at single interval with ferrite magnetic ring

加装铁氧体磁环后，各设备处的VFTO幅值如表3所示，可见，VFTO幅值明显降低。

表3 加装铁氧体磁环前后各处元件VFTO幅值对比Tab.3 Comparison of VFTO amplitudes of various components before and after ferrite magnetic ring is installed MV

以隔离开关处为例，其VFTO幅值从0.972 MV下降至0.777 MV，降低比例为17.3%。该处的VFTO典型波形和频率分布分别如图10和图11所示。可见，VFTO的波形出现明显衰减振荡，与未加装磁环前的波形有显著区别。此外，VFTO在15 MHz处的幅值也显著降低，说明磁环在抑制高频振荡方面具有较好效果。

图10 加装铁氧体磁环后隔离开关处VFTO波形Fig.10 Waveform of VFTO at isolating switch after ferrite magnetic ring is installed

图11 加装铁氧体磁环后隔离开关处VFTO频率分布Fig.11 Frequency distribution of VFTO at isolating switch after ferrite magnetic ring is installed

3.4.2 采用阻波器抑制VFTO

本文设计一种新型阻波器，将其置于变压器处，利用阻波器对高频电流呈高阻抗对工频电流只有很小的阻抗的谐振原理，降低VFTO的幅值及频率。阻波器的电路模型如图12所示，主线圈等效电感为L；调谐装置由电感L1和电容C组成；保护装置等效成电阻R。各元件参数为：L=1 mH，L1=1 mH，C=1 μF ，R=500 Ω 。

图12 阻波器仿真模型Fig.12 Simulation model of wave trap

搭建的加装阻波器的单间隔VFTO仿真计算模型如图13所示。

图13 加装阻波器的单间隔VFTO仿真计算模型Fig.13 Numerical simulation model of VFTO at single interval with wave trap

加装阻波器前后，各设备处的VFTO幅值如表5所示。可见，加装阻波器能够大幅降低VFTO的幅值。仍以隔离开关处为例，其VFTO幅值从0.972 MV减小至0.615 MV，降低比例为36.7%。这一抑制效果比前述的加装铁氧体磁环更显著。

表4 加装阻波器前后各处元件的VFTO的幅值对比Tab.4 Comparison of VFTO amplitudes of various components before and after wave trap is installed MV

图14和图15分别显示了加装阻波器后，隔离开关处的VFTO波形和频率分布。对比图10和图11可知，加装阻波器后VFTO的波形振荡衰减更为剧烈，在5 μs内将至稳态值，说明阻波器起到了较好的阻尼作用。另外，VFTO的高频分量被显著削弱，与图4中结果相比，其在15MHz和25 MHz处的分量几乎衰减为0，展现了阻波器良好的高频抑制作用。综上所述，阻波器对VFTO具有明显的抑制效果，在降低幅值以及削弱高频分量方面强于铁氧体磁环。