基于新型SF6气体重燃模型的TEV暂态特性研究

余光召， 吴细秀， 张科杰， 胡国昭， 邱 进， 王 玲

(1. 武汉理工大学自动化学院， 湖北 武汉 430070；2. 中国电力科学研究院武汉分院， 湖北 武汉 430074)

基于新型SF6气体重燃模型的TEV暂态特性研究

余光召1， 吴细秀1， 张科杰1， 胡国昭1， 邱 进2， 王 玲2

(1. 武汉理工大学自动化学院， 湖北 武汉 430070；2. 中国电力科学研究院武汉分院， 湖北 武汉 430074)

GIS隔离开关操作条件下SF6气体放电是GIS电磁暂态现象产生的根源。因此，SF6气体放电特性将直接影响GIS电磁暂态特性。为研究壳体地电位TEV升高的暂态特性，论文建立了新型SF6气体重燃模型。在分析SF6气体不同放电阶段阻抗变化规律的基础上建立了SF6单次高频放电模型；运用数据拟合的方法得到SF6气体击穿电压随时间变化的表达式，从而得到重燃判据；在此基础上结合单次放电模型建立了具有快速性、高频性和重复性的新型SF6重燃模型。采用该模型计算得到的VFTO值与实测值十分接近，证明了模型的正确性。完成上述工作后，在分析VFTO波传播机制的基础上建立了TEV的计算模型，讨论了SF6放电模型、VFTO激励源等效以及接地电网参数等对TEV暂态特性的影响。研究结果表明：①采用论文所建立的新型SF6重燃模型计算得到的TEV与实测值十分接近，其峰值误差为9%；②TEV具有幅值高、陡度大、频带宽等特性；③采用1:1变压器真实模拟VFTO比将其等效为指数模型更能反映TEV的暂态特性；④减小接地电感有助于抑制TEV。

VFTO； TEV； SF6气体放电； 重燃模型； 接地电网

1 引言

在GIS中隔离开关操作时，触头间会出现气体放电现象，气体的重复放电会产生幅值高、变化快的特快速暂态过电压 (Very Fast Transient Over-voltage，VFTO)。当VFTO电压波传播到GIS与套管的连接处时，会有一部分电压波耦合到壳体与地之间，造成壳体暂态电位(Transient Enclosure Voltage，TEV)升高。TEV的最高值可达十几千伏甚至几十千伏，美国在美国电力公司(AEP)的特高压系统中曾测到高达100kV，TEV具有持续时间短、频率高和陡度大的特点。它的出现会对电力系统造成危害，具体表现为[1,2]：①对弱电二次设备的绝缘构成威胁，甚至击穿短路；②高频的TEV电压波还会产生电磁辐射 (Electro Magnetic Interference，EMI)干扰变电站的二次设备，影响正常的功能，造成继电保护误动作，甚至还会危及人身安全。因此，有必要对TEV进行精确计算。

由TEV的产生机理可知，TEV的计算十分复杂，所涉及的研究内容非常多，包括SF6放电模型的建立、VFTO的求取、VFTO等效处理、接地电网模型的建立和VFTO传播路径及其相应模型的建立等，如图1所示。

图1 TEV计算所涉及的研究内容Fig.1 Research contents about TEV

在所有研究内容中，VFTO求取是关键。由于SF6气体放电是TEV产生的根源，其模型的正确性决定了VFTO计算的精确性，因此SF6气体放电模型的建立是研究TEV的基础。为此，论文根据SF6气体放电不同阶段的阻抗变化规律，提出了一种新型SF6气体单次放电模型；在此基础上结合SF6重燃判据建立了SF6气体重燃模型。随后，论文研究VFTO波的传播机制，分析了VFTO由GIS内传播到GIS外壳的路径，并根据传播机制和传播路径特征建立了相应的阻抗模型。

在完成上述工作基础上，以某330kV GIS试验平台为研究对象，计算了GIS隔离开关操作时GIS外壳所产生的壳体地电位升高的情况。在计算过程中，为真实模拟VFTO由GIS内母线耦合至GIS外壳的情况，采用了1∶1变压器模型。最后论文讨论了SF6气体放电模型，VFTO的模拟以及接地电网参数等影响TEV特性的因素。

2 SF6气体重燃模型的建立

2.1 SF6气体单次放电模型

一般有两种模型描述GIS隔离开关操作条件下SF6气体放电：线性模型和时变电阻模型。线性模型不能真实模拟SF6气体放电过程，只在计算精度要求不高的场合使用。时变电阻模型主要包括指数模型、双曲线模型、黑盒模型和火花电阻模型等，这些模型的总体特征是用阻抗的变化体现SF6的放电特征，缺点是不能完整地描述SF6气体整个放电过程中不同放电阶段的阻抗变化规律。尽管曾有研究者采用分段思想建立过相应的模型，但模型不同放电阶段之间的过渡过程是非连续的，存在放电间隔[3]，这与实际情况不符。武汉理工大学吴细秀老师课题组曾对SF6气体建模现状进行过综述[4,5]，在该研究的基础上，建立了能完整体现SF6整个过程放电特性的模型。

文献[6-8]通过试验发现，GIS隔离开关操作条件下SF6气体放电是高频电压、电流下的短间隙气体放电现象。放电期间的阻抗变化如图2所示。

①预击穿阶段1 - 阻抗快速跌落阶段；②预击穿阶段2 - 阻抗缓慢下降阶段；③稳定燃烧阶段；④绝缘介质恢复阶段图2 SF6气体放电阻抗变化情况Fig.2 Impedance change of SF6 gas discharge in different discharging stage

由图2可知，SF6气体的击穿有三个阶段：预击穿、稳定燃烧和熄灭。其中预击穿阶段阻抗变化有两个阶段：快速跌落和相对缓慢下降阶段。稳定燃烧阶段阻抗几乎不变，且幅值较小；熄灭阶段阻抗增大，且阻抗增加速度较快。整个阻抗变化在极短时间内完成(μs级)。由此可见，SF6气体放电阻抗变化具有快速性特征，同时SF6气体放电是在高频电流和电压作用下产生的且放电会反复发生。因此，高频性、快速性和重复性是GIS隔离开关操作条件下SF6气体放电的特征。论文所建立的模型应体现出SF6气体放电的上述特性。

建模的实质是采用分段思想寻找能准确描述SF6各放电阶段阻抗变化规律的数学表达式。预击穿阶段要体现阻抗快速下降的特征，可用指数函数描述；稳定燃烧阶段阻抗几乎不变，可看作常数；熄灭阶段阻抗非线性上升。建模过程中还应考虑三个不同放电阶段间阻抗的过渡过程，表达式应体现连续过渡的特征。

文献[9]在假设触头间电流线性增长的基础上提出了用双曲线模型描述预击穿和稳定燃烧阶段，其等效电路如图3所示，式(1)为模型具体表达式。

图3 双曲线模型推导所用的等效电路Fig.3 Equivalent circuit for derivation of hyperbolic model

(1)

式中，tδ为间隙击穿时间。

双曲线模型不能描述熄灭阶段。根据熄灭阶段阻抗变化规律发现可用常用的黑盒电弧模型描述，故本文采用Cassie-Mayr联合模型描述熄灭阶段。因本文只关心气体放电阻抗的变化，故模型的表达式都是描述阻抗变化的。在对双曲线模型改进的基础上，本文提出新的SF6气体单次放电模型，其具体表达式为：

(2)

式中，g为电导；u为放电电压；P为Mayr模型中放电电压耗散功率；τm为Mayr放电电压时间常数；uc为Cassie模型中放电电压常数；τc为Cassie时间常数；Z为GIS母线波阻抗，可以根据GIS母线的尺寸大小，采用分布式模型求取[3,4]。

根据式(2)，SF6气体放电阻抗变化规律如图4所示。图4中阶段⑤的出现一方面考虑了SF6熄灭阶段放电电流为零时，气体放电因热惯性效应而导致其放电阻抗不稳定的情况；另一方面考虑了与SF6重燃放电之间的过渡。

图4 新型SF6气体放电模型阻抗变化情况Fig.4 Impedance changes of SF6 gas discharge model

综上所述，本文所建立的SF6气体放电模型不但考虑了整个放电阶段SF6气体放电阻抗的变化规律，还考虑了母线结构(波阻抗)以及气压等因素的影响。

2.2 SF6气体重燃判据的建立

由于重燃判据的求解过程十分复杂，限于篇幅这里只简单介绍求解思路，不给出具体的计算过程。

根据文献[10]给出的SF6临界击穿场强判据，在进行隔离开关气室温度场-流场-电场耦合场计算基础上，采用数据拟合的方法得到触头分断过程中SF6气体临界击穿电压随时间的变化表达式：

Uc=8×106t

(3)

式中，Uc为临界击穿电压；0≤t≤0.09s。

2.3 SF6气体放电重燃模型的建立

求得临界击穿电压计算结果后，便可建立重燃模型，图5为SF6重燃模型建立的流程图。

图5 重燃模型的建立Fig.5 Flow chart of SF6 restriking model

2.4 新型SF6重燃模型的验证

为验证SF6重燃模型建立的正确性，将该模型应用于1100kV GIS隔离开关操作所产生的VFTO计算中。图6为仿真计算结果与实测结果的对比，表1给出了具体的暂态特性参数的对比。

图6 重燃模型在1100kV试验回路中VFTO对比Fig.6 VFTO comparison of reignition model in 1100kV test circuit

表1 VFTO单次击穿暂态特性参数Tab.1 Transient characteristic parameters of VFTO

由图6和表1的对比结果可知，仿真波形与实测波形的变化趋势基本一致。主要的暂态特性参数如上升时间、击穿陡度以及峰值等与实测值均在一个数量级，且误差相对较小。上述对比结果表明了论文所建模型具有一定的可行性。

3 壳体地电位TEV升高计算

3.1 VFTO的传播路径

当隔离开关中产生的VFTO波传输到GIS与套管连接处会发生波的折射和反射，形成三条传输线路，如图7(a)所示，其简化图和等值电路分别如图7(b)和图7(c)所示。在点O处，一部分电压波被耦合到了壳体与地之间，造成了壳体暂态电位TEV升高；另一部分电压波被耦合到了架空线路中[11,12]。

图7 TEV产生原理图Fig.7 Generation mechanism of TEV caused by VFTO

图7中，Z1为GIS母线导体与壳体内表面波阻抗：

(4)

式中，R1为母线导体外半径；R2为壳体内半径。

Z2为壳体外壁与大地之间的波阻抗：

(5)

式中，h为壳体距地面高度；R3为壳体外半径。

Z3为架空线与大地之间的波阻抗：

(6)

式中，h1为架空线离地高度；r为架空线半径。

3.2 VFTO的模拟等效处理

由于没有标准的VFTO波形，因此如何根据VFTO特性获取VFTO波的数学表达式是TEV计算的难点，即VFTO的真实模拟是TEV计算的难点。现有VFTO的处理方式要么将其直接等效为各种电源(直流源、交流源、恒压源等)，要么用双指数波来描述[12-14]。为了真实模拟VFTO波，本文借鉴文献[14,15]研究结果，采用1∶1的理想变压器将内部暂态回路GIS与套管连接处产生的VFTO波直接耦合到GIS外部暂态回路中，如图8所示。

图8 1∶1理想变压器模型处理VFTO波Fig.8 Equivalent processing model of VFTO

3.3 接地电网模型

一般GIS外壳处于接地状态，因此接地电网参数会直接影响TEV的暂态特性。本文的研究重点是SF6气体放电模型对TEV的影响，为简化问题这里将接地电网简化为电阻和电感相串联的电路。

4 TEV计算结果与分析

4.1 TEV仿真模型的建立

论文以某330kV GIS试验平台为基础，对TEV暂态特性进行研究。图9为该平台实物图和等效电路图，其仿真模型如图10所示。

图9 330kV GIS试验回路Fig.9 330kV GIS test circuit

图10 TEV计算仿真回路Fig.10 Simulation model of TEV calculation

4.2 结果分析

在ATP-EMTP中对图10进行仿真计算，其结果如图11所示。为了验证其正确性，将计算结果与实测结果(如图12所示)进行了对比，对比结果如表2所示。

图11 TEV的计算结果Fig.11 Simulation of TEV

图12 TEV实测波形(分闸)Fig.12 Measurement data of TEV

TEV波形上升时间/ns击穿陡度/(kV/μs)峰值/kV主要频率成分/MHz仿真1493929131501～8实测20592041184—

对图11、图12以及表2的结果分析可知：

(1)TEV的波形前密后疏，且幅值高(可增加到几十千伏)，陡度大(高达105V/s)，频带宽(主频在0～8MHz范围内变化)，动态变化快(上升时间仅14ns)，持续时间长(可达ms)。

(2)仿真计算得到的TEV主要暂态特征参数(上升时间、击穿陡度、TEV峰值等)与实测值数量级相同，且幅值相差不大(见表2)。如TEV峰值中，仿真值为13.15kV，实测值为11.84kV，两者峰值误差为9%，表明TEV计算是准确的。

(3)TEV在隔离开关操作初期幅值很小，随着时间的增加越来越大，且远大于初期阶段的幅值。这是因为：①分闸操作初期，由于击穿电压和暂态恢复电压都较小，因而产生的VFTO值较小，相应的TEV幅值也不大；随着触头开距的增加，SF6气体的击穿电压和暂态恢复电压逐渐增大，一方面使重燃时间变长，另一方面也会导致VFTO幅值变大，故TEV幅值也会随着增加；②随着SF6气体重燃的不断发生，其累积效应也越来越明显，使母线上残余电荷越积越多，最终导致TEV幅值不断增加。由此可见，如若在TEV发展的初期阶段(如图11(a)中0.05s)不采取措施加以抑制，随着TEV的发展，它的抑制将变得越来越困难。

5 TEV影响因素分析

5.1 SF6放电模型的影响

由图1可知，SF6气体放电模型是TEV精确计算的关键。为了验证放电模型对TEV特性研究的重要性，论文对比了单次放电模型和重燃模型的计算结果，单次放电模型的计算结果如图13所示。

图13 SF6单次放电模型计算的TEV结果Fig.13 Simulation results of TEV calculated by SF6 single discharge model

对比图13和图11可知，重燃模型中TEV波形的变化规律、幅值大小以及频率成分都比单次模型中得到的TEV暂态特性更接近于实际波形，计算TEV精度更高。

5.2 VFTO波等效处理对TEV影响

VFTO能否正确地进行等效处理也是影响TEV计算精度的重要因素，为此本文对比了将VFTO等效为双指数波和直接保留VFTO波特性的两种VFTO处理方法对TEV计算精度的影响。将VFTO波形等效为非周期性双指数波时，其波前时间为10ns、波尾时间0.05μs(参数来自仿真波形)，幅值取VFTO的峰值438.35kV，具体表达式为：

Us=Up(e-At-e-Bt)

(7)

式中，Up=438.35kV；A=1.39×107；B=3.24×108。

用双指数波作为激励源计算得到的TEV结果如图14所示。

图14 双指数波电源计算的TEV结果Fig.14 Simulation results of TEV calculated by double exponential wave

由图14可知， TEV波形并未呈现前疏后密的特点，随着时间的增加，TEV的幅值越来越小，最终趋向于零，该变化趋势与实测结果刚好相反。图14中TEV的最大值68.37kV，陡度最大为10.7kV/ns，这些典型暂态特性参数与实测值存在较大误差。另外，计算结果表明TEV波频谱在0～5MHz范围内变化，且变化非连续，与实际情况不符。由此可见，要精确研究TEV的暂态特性，必须准确地模拟VFTO波。

5.3 接地电网对TEV影响

在其他条件不变，仅改变接地电网参数的条件下，无论是用双指数波模拟VFTO还是采用1∶1理想变压器等效处理VFTO，只要减小接地电感均会降低TEV的幅值，即接地电感的减小有助于抑制TEV，相关计算结果如图15所示。

图15 不同接地电感TEV峰值Fig.15 TEV peak value of different grounding inductors

6 结论

为研究TEV的暂态特性，本文建立了新型SF6重燃模型，讨论了SF6放电模型、VFTO的等效以及接地电网参数等对TEV暂态特性的影响，得到如下结论：

(1)本文所建立的新型重燃模型能描述SF6气体放电的快速性、高频性和重复性等特征，用该新型模型计算TEV具有一定的精度，其中TEV峰值误差为9%。

(2)TEV 具有幅值高、陡度大和频带宽等特征，波形前密后疏，并且随着时间的增加TEV幅值越来越大。

(3)VFTO的等效处理对TEV计算精度有重要影响。采用1:1理想变压器等效处理VFTO能使计算结果最大限度接近实测值。

(4)减小接地电感有助于抑制TEV的幅值，套管处的TEV幅值较之其他地方更大，因此该处的绝缘更为重要。

致谢：论文的研究工作得到了强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)开放基金的资助。SF6气体放电模型的前期工作由广州供电局田芸完成，在此深表感谢！感谢中国电力科学研究院的汪本进工程师、吴士普高工在TEV测量试验中提供的支持与帮助！

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Research on transient characteristics of TEV based on new reignition model of SF6gas discharge

YU Guang-zhao1， WU Xi-xiu1， ZHANG Ke-jie1， HU Guo-zhao1， QIU Jin2，WANG Ling2

(1. School of Automation, Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. Wuhan Branch, China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China)

SF6gas discharge is the basic cause of all the electromagnetic transient phenomenon occurring in GIS at disconnector operation. Therefore, the characteristic of SF6discharging would have an important influence on GIS electromagnetic transient. In order to investigate the transient characteristics of TEV, a new SF6reignition model is established in this paper. Based on analyzing the law of variation of SF6impedance at different discharging stages, the segment model is adopted to set up the single discharge model of SF6. Besides, a thermal-fluid-electric coupling field model is built to calculate the breakdown voltage of SF6when the disconnector contact opens slowly and then the reignition criterion can be obtained if the data fitting method is applied to express the reignition criterion as the function of time. According to this criterion, the new SF6discharge model, which can describe the discharge characteristics of SF6with rapidity, high frequency and repeatability, is established on the basis of the single discharge model. Moreover, to verify the validity of the new model, VFTO is calculated and the comparing results between the calculation and experimental measurement reveal that the simulation results show good agreement with experimental data. After that, the transmission mechanism of VFTO is researched, then on this basis the TEV model is established and the factors influencing on TEV such as SF6discharge model, the equivalent methods of VFTO and grounding parameters are discussed as well.

VFTO; TEV; SF6gas discharge; reignition model; grounding grid

2015-12-28

国家自然科学基金项目(51107093)、 强电磁工程与新技术国家重点实验室(华中科技大学)开放基金项目

余光召(1990-)， 男， 湖北籍， 硕士研究生， 研究方向为高压开关设备、 电力系统电磁暂态与电磁兼容； 吴细秀(1976-)， 女， 湖北籍， 副教授， 博士， 研究方向为电器电弧理论、 开关电磁暂态过程及其电磁兼容。

TM56

A

1003-3076(2016)11-0037-08