电气工程学报, 2019, 14(4): 93-97 doi: 10.11985/2019.04.014

1000 kV气体组合开关中VFTO抑制方法研究 *

高有华, 赵一平, 刘树鑫

沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870

Research on the Method of VFTO Suppression in 1 000 kV Gas Insulated Switchgear

GAO Youhua, ZHAO Yiping, LIU Shuxin

School of Electrical Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870 China

收稿日期: 2019-09-9   网络出版日期: 2019-12-25

基金资助: *辽宁省博士科研启动基金资助项目.  201501086

Received: 2019-09-9   Online: 2019-12-25

作者简介 About authors

高有华,女,1966年生,教授。主要研究方向为高压电力装备理论与绝缘分析。E-mail: gaoyh1993@163.com

赵一平,男,1994年生,硕士研究生。主要研究方向为电器及其控制。E-mail: 1436437547@qq.com

刘树鑫,男,1982年生,副教授。主要研究方向为电器智能化。E-mail: liushuxin@sut.edu.cn

摘要

特快速暂态过电压(Very fast transient overvoltage, VFTO)具有幅值高、波前陡、频带宽和持续时间长的特点。额定电压的大小决定VFTO对设备的危害程度,还会严重影响气体组合开关(Gas insulated switchgear, GIS)及邻近电力设备的安全,所以寻找有效的抑制措施显得极为重要。现已有几种有抑制效果的措施,但也存在相应的缺陷。因此提出一种高频过电压抑制导线,即阻尼母线的设计方法。在工频处,对母线的绝缘性能和流量没有影响,但是当频率高时,行波电流在电感器端形成高电压。行波能量在高压作用下被其两端阻尼电阻吸收,对VFTO起抑制作用。

关键词： 特快速暂态过电压 ; 抑制导线 ; GIS ; 行波

Abstract

The ultra-fast transient over-voltage(VFTO) has the characteristics of high amplitude, steep wavefront, long frequency band and long duration. The rated voltage determines the damage degree of VFTO to the equipment, and it also seriously threatens the safety of gas insulated switchgear(GIS) and neighboring power equipment. Finding effective inhibitory measures is extremely important. There are several measures that have inhibitory effects, but there are corresponding defects. A design method for high frequency overvoltage suppression wires is presented, namely damping bus bars. Under the power frequency, the insulation performance and flow capacity of the busbar do not affect the performance, but when the frequency is high, the traveling wave current forms a high voltage at the inductor end. The traveling wave energy is absorbed by the damping resistor at both ends under the action of high voltage, which inhibits VFTO.

Keywords： Very fast transient overvoltage ; suppression conductor ; GIS ; travelling wave

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本文引用格式

高有华, 赵一平, 刘树鑫. 1000 kV气体组合开关中VFTO抑制方法研究 *. 电气工程学报[J], 2019, 14(4): 93-97 doi:10.11985/2019.04.014

GAO Youhua. Research on the Method of VFTO Suppression in 1 000 kV Gas Insulated Switchgear. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(4): 93-97 doi:10.11985/2019.04.014

1 引言

气体组合开关(Gas insulated switchgear, GIS)设备中的断路器、隔离开关和接地开关操作时,都会产生幅值较高,陡度很大,频率很高(最高可达100 MHz)的特快速暂态过电压(Very fast transient overvoltage, VFTO)[1]。由于隔离开关操作速度没有断路器快,且相对于地刀来说产生VFTO的频率更高,因此可以认为VFTO主要是由隔离开关的操作引起的。文中也主要研究这种情况下的VFTO[2]。

20世纪80年代中期至今,国内外重点对GIS中特快速暂态过电压的产生与特快速暂态过电压的电压特征进行研究[3]。从1970年开始,国外如前苏联与美国等国就己经展开了对1 000~1 500 kV输电技术的研究[4]。同样,亚洲国家如日本、印度等也开始了对1 000~1 200 kV输电技术等多种情况的探究[5]。目前,现有的抑制VFTO的方法包括在隔离开关上增加一个分流电阻、在母线上增加一个铁氧体磁环,或安装一个避雷器等[6]。这些方法均取得了一定效果,但同时也存在一些难以解决的问题,文中会进行相关介绍[7]。针对以上方法的缺陷,文中提出一种新型阻尼母线抑制方法,它将常规母线镂空加工成螺旋管状,母线导体即变为多匝空心电感线圈与多匝间隙串联电路,再并联阻尼电阻即构成阻尼母线。

2 1000 kV GIS中VFTO的仿真分析

2.1 GIS中VFTO仿真分析

在ATPDraw中搭建的模型电路如图1所示。模型参数设置如下：为了模拟最大过电压,考虑到极端情况,当选择ATPDraw模拟参数时,两端的电源电压取-1 000 kV和+ 1 000 kV的电压峰值。通过查表,仿真模型中的变压器入口电容可以是10 000 pF[8]。

图1

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图1   ATPDraw中搭建的模型电路


处于分闸状态的断路器实际上可以被视为一个电容值为540 pF的开路电容器。波速为$270m/mu s$,管线波阻抗取值为$70 \Omega$ [9]。两端电压分别为+1 p.u.和-1 p.u.。通过仿真得到的结果如图2所示。

图2

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图2   操作隔离开关时每个器件的VFTO波形


2.2 加铁氧体磁环抑制效果仿真分析

由于铁氧体具有高频特性,当它安装在隔离开关两侧时,它相当于连接在开关的断口和空载母线之间的一个阻抗。这种高频特性可以降低VFTO的幅值和陡度,同时减少折反射及叠加现象[9]。加装的铁氧体磁环的等效模型图如图3所示[10], Rd为电阻, Ld为电感, Z为母线的波阻抗。图3中的 Ld在仿真时取0.05 mH,而 Rd则根据实际情况取值为70 Ω。如图4所示为铁氧体磁环的等效仿真模型。

图3

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图3   铁氧体磁环的等效模型图


图4

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图4   加装铁氧体磁环的等效仿真模型


仿真结果如图5所示。

图5

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图5   加装铁氧体磁环后操作隔离开关的时每个器件上的VFTO波形


从图5中可以看出,加了铁氧体磁环后得到的VFTO的波形变得非常接近正弦波,波形也有了明显规律性的振荡,振幅随时间逐渐减小,表明添加铁氧体磁环可以很好地抑制VFTO的幅值和频率[11]。但是,铁氧体磁环会引起饱和,磁余量过大会干扰特快速暂态过电压,因此该技术仍存在许多难题[12]。

3 阻尼母线制VFTO的原理和方法

3.1 阻尼母线的提出

电感L的存在,增加了行波往返时间,即,VFTO频率降低,阻尼电阻R的端电压增加,使得行波电流流经R时产生损耗,见图6。在VFTO的电压波作用下,由于螺旋管母线的高电感,匝间会形成电压差,并且行波能量会在电阻及放电间隙中损耗,以此实现抑制幅值、降低频率的目的[13]。

图6

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图6   集中参数等效电路


由于铁氧磁环的磁饱和现象会影响VFTO的抑制效果,为避免出现同样的问题,可采用不存在饱和现象的电感线圈实现上述功能,即空心线圈[14]。

3.2 加装阻尼母线仿真分析

在不考虑投切时间的基础上,以及在满足绝缘性能、通流性能及力学性能的情况下,阻尼母线的等效电感最大值为5 mH。而在一定范围内,电感取值越大,越有利于对VFTO幅值的抑制[15]。因此,计算选取阻尼母线等效电感为5 mH。考虑到在高频情况下,等同于在开关的断口和空载母线之间串接入了一个阻抗。这种高频特性能够使得VFTO行波的幅值和陡度降低,与此同时还能够减弱折反射及叠加现象。阻尼母线的阻抗较感抗要尽量小,因此选择了700 Ω和1 000 Ω的等效电阻,通过对40种操作方式的计算,最终选择等效电阻的取值为700 Ω。仿真模型和结果如图7所示。

由仿真结果可以清晰地看出,GIS关键设备上VFTO的幅值、陡度及频率都有了较大降低。加入阻尼母线不仅不会增加隔离开关的复杂性,还会保护GIS本身并降低事故发生率。此外,阻尼母线不会导致饱和,并且没有过多的磁余量。

图7

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图7   加装阻尼母线后VFTO波形


4 结论

(1) 通过分析VFTO带来的危害,考虑现有几种抑制方法的缺陷,提出了一种新型VFTO抑制方法,即阻尼母线抑制法。

(2) 结合阻尼母线的等效电路,分析抑制VFTO的机理。在额定工频时,抑制导线与常规母线一样进行电流、电压波的传输;当有VFTO通过时,才对VFTO起抑制作用。抑制导线通过改变母线的波阻抗增加母线的有功损耗,从而抑制行波发展并降低VFTO的幅值及频率。

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