GIS中隔离开关燃弧电路模型及VFTO的研究

GIS中隔离开关燃弧电路模型及VFTO的研究

左明鑫，王忠利

(郑州科技学院 电气工程学院，河南 郑州 450064)

摘要：结合GIS隔离开关气室的实际结构与电弧的特点，建立电阻和电感元件串联等效燃弧电路模型，利用贝杰龙数值计算方法建立动态等值电路，计算出GIS中各主要元件处的快速暂态过电压(VFTO)，得出断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形的幅值为最高值.提取出该处VFTO波形的频率分量和对应的电压信息，分析认为VFTO可能导致断路器开断端支撑绝缘子发生放电和热击穿现象.

关键词：隔离开关；燃弧电路模型；快速暂态过电压

中图分类号：TM56文献标志码：A

收稿日期：2015-03-30

作者简介：左明鑫(1980-)，男，河南周口人，硕士研究生，研究方向为电工理论与新技术.

气体隔离开关站(Gas Insulated Switchgear,简称GIS)是20世纪60年代中期才出现的一种新型电器装置，它的问世对传统的敞开式高压配电装置是一次革命，尤其在超高压领域.几十年来，GIS发展迅速，它的优点得到了国内外电力部门的认可.但是，当GIS中隔离开关在切合操作时，会形成波形陡、幅值高、振荡频率高达几十甚至上百兆赫兹的陡波前过电压，也称特快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage，简称VFTO)，不但严重影响了GIS本身运行的可靠性，而且使电力系统存在安全隐患[1].但是,目前GIS中隔离开关燃弧电路模型还没有统一的规定，故研究GIS中隔离开关燃弧电路模型和VFTO具有重要的实际意义.

根据GIS中隔离开关的实际结构并结合电弧本身的特点，建立隔离开关燃弧电路模型，利用贝杰龙方法建立了动态等值电路.经过计算可知，断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形的幅值最高，提取其频率分量和对应的电压信息，分析认为断路器开断端支撑绝缘子在VFTO作用下有发生放电和热击穿的可能.

1燃弧电路模型的建立

GIS中隔离开关在开断过程中产生的电弧受电场、磁场和气流场等因素的共同作用和影响[2]，所以仅用电阻来等效燃弧电路只能体现电场和气流场的情况，不能反映磁场的分布.由于电感元件能够形成磁场感应、实现电能和磁能的相互转换，所以用电阻和电感元件串联等效燃弧电路模型更符合电弧的特点.

从隔离开关的实际结构(见图1)可以看出其等效模型不能仅仅局限于断口部分，还需考虑动静触头两侧导体的长度,以及两端盆式绝缘子的对地等效电容.计算时,两侧的导体等效为母线，两端的盆式绝缘子单独处理，隔离开关在燃弧时的近似等效电路模型如图2所示.

图1　隔离开关结构示意图 Fig.1　Structural diagram of isolating switch

图2　燃弧等效电路 Fig.2　Arcing equivalent circuit

2主要元件等效模型和参数

图3为某变电站500 kV GIS典型的部分接线图.

图3　GIS的部分接线图 Fig.3　Partial wiring diagram of GIS

图3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和所有ES均断开时，对DS1进行操作时的状态.

针对500 kV GIS结构的特点，给出GIS主要元件的等效模型和参数，详见表1，其中的典型元件模型和参数是依据实际结构经过合理分析给出的[4-7].

表1　GIS主要元件的等效模型和参数 Table.1　Equivalent models and parameters of GIS main components

3VFTO的计算

结合图3和表1 中主要元件的等效模型，利用贝杰龙数值计算方法建立动态等值电路模型，如图4所示.

图4　动态等值电路模型 Fig.4　Transient equivalent circuit model

由节点电压方程YU=∑Is得到图4中电路的节点电压方程表达式，如下式：

(1)

其中，Y为各个节点的导纳矩阵，U为各个节点的电压列向量，∑Is为各个节点的等效电流源列向量，从而求出各个节点的电位值与时间的关系.

根据式(1)对图4所示的动态等值电路进行数值计算.断开图3中CB和DS2并对DS1进行操作.计算时考虑最苛刻的情况，假设母线残余电压为-1.0p.u，隔离开关DS1发生重燃，计算结果如图5至图12所示.

图5　变压器处VFTO波形 Fig.5　VFTO waveform for transformer

图6　接地开关ES 1处VFTO波形 Fig.6　VFTO waveform for ES 1

图7　气室左端绝缘子处VFTO波形 Fig.7　VFTO waveform for gas chamber left insulator

图8　隔离开关动触头处VFTO波形 Fig.8　VFTO waveform for isolating switch moving contact

图9　隔离开关静触头处VFTO波形 Fig.9　VFTO waveform for isolating switch static contact

图10　气室右端绝缘子处VFTO波形 Fig.10　VFTO waveform for gas chamber right insulator

图11　接地开关ES 2处VFTO波形 Fig.11　VFTO waveform for ES 2

图12　断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形 Fig.12　VFTO waveform for break′s open side supporting insulator

从图5至图12可以看出,GIS中变压器T、接地开关ES1、气室左端绝缘子、隔离开关动触头、隔离开关静触头、气室右端绝缘子、接地开关ES2、断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形的幅值分别为1.046 1p.u，2.078 5p.u，2.173 2p.u，2.265 8p.u，2.346 6p.u，2.518 2p.u，2.067p.u和3.134 4p.u.

断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形的幅值最高，达到3.134 4p.u，由此可见该处的VFTO波形应该重点对待，所以对该处的VFTO波形进行傅里叶变换，提取所包含的频率分量与对应的电压信息，如图13所示.

图13　断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO频谱图 Fig.13　VFTO spectrum for break′s open side supporting insulator

从图13可见，断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形的频率分量包括2.75MHz，8.3MHz，14.25MHz，17.25MHz，44.8MHz，81.8MHz，120.8MHz，157.95MHz，196.55MHz，237.3MHz和279.35MHz等.

断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形的幅值很大，包含的频率分量丰富，波形幅值高达3.134 4p.u，包含的频率分量中最低为2.75MHz，最高达到279.35MHz.在这种情况下，支撑绝缘子受到的威胁可想而知.支撑绝缘子的主要材料是环氧树脂，GIS各气室中充满了SF6气体，那么在环氧树脂和SF6气体的交界面容易发生放电现象.并且，在高频电压的作用下，环氧树脂绝缘介质中将存在松弛极化，极化会滞后于电场的变化，造成绝缘介质内部发热，一旦热量超过临界值将会发生热击穿[8-9].支撑绝缘子在GIS中主要起到支撑和对地绝缘的作用，一旦发生放电和热击穿，将会破坏支撑绝缘子的功能.

4结语

GIS中隔离开关在开断过程中产生的电弧受电场、磁场及气流场等因素的共同作用和影响，燃弧电路模型的电阻元件与电感元件应串联.同时，从隔离开关气室的实际结构可以看出，还需考虑动静触头两侧导体的长度和两端盆式绝缘子的对地等效电容.利用贝杰龙数值计算方法建立动态等值电路模型，得出电路的节点电压方程表达式，计算出变压器、接地开关、隔离开关、断路器开断端的支撑绝缘子处的VFTO波形，其中断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形的幅值最高.描绘了断路器开断端的支撑绝缘子处VFTO波形的频谱图，提取其包含的频率分量和对应的电压信息，得出了在VFTO作用下断路器开断端的支撑绝缘子有发生放电和热击穿的可能.

参考文献：

[1]王洪新，何景亮.电力系统电磁兼容[M].武汉：武汉大学出版社,2004.

[2]张雪.GIS设备VFTO仿真中隔离开关电弧模型的研究[D].北京:华北电力大学，2010.

[3]李建青，袁松柳.用能量法计算非平行板电容器的电容[J].物理与工程,2007,17(5):8-10.

[4]PovhD,SchmittH,VolckerO,etal.Modellingandanalysisguidelinesforveryfasttransients[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1996,11(4):2028-2035.

[5]HaznadarZ,CarsimamovicS,MahmutcehajicR.Moreaccuratemodelingofgasinsulatedsubstationcomponentsindigitalsimulationsofveryfastelectromagnetictransients[J].IEEETransactionsonPowerDelivery,1992,7(1):434-441.

[6]吴文辉，曹祥麟.电力系统电磁暂态计算与EMTP应用[M].北京：中国水利水电出版社,2012.

[7]高有华.雷电冲击和快速暂态过电压对GIS及相连设备影响的研究[D].沈阳: 沈阳工业大学,2004.

[8]施围，邱毓昌，张乔根.高电压工程基础[M].北京：机械工业出版社,2006.

[9]〔法〕R.科埃略,B.阿拉德尼兹.电介质材料及其介电性能[M].张冶文，陈玲，译.北京：科学出版社，2000.

Study on isolating switch arcing circuit model and VFTO in GIS

ZUO Mingxin，WANG Zhongli

(DepartmentofElectricalEngineering，ZhengzhouCollegeofScience&Technology,Zhengzhou450064,China)

Abstract:Combining with the actual structure of the isolating switch gas chamber in GIS and feature of arcing, the resistance and inductance component series equivalent arcing circuit model established, and the transient equivalent circuit by Bergeron numerical calculation method is used. The VFTO waveform of the main elements in GIS is calculated, resulting in the conclusion that the amplitude of the VFTO of the circuit breaker terminal support insulator is the highest, and the frequency components and voltage information of the VFTO are extracted. After analysis it can be concluded that the VFTO may cause the circuit breaker terminal support insulator discharge and thermal breakdown.

Key words:isolating switch；arc circuit model；VFTO