电气工程学报, 2023, 18(1): 258-264 doi: 10.11985/2023.01.029

高电压与绝缘技术

铁氧体磁环加装位置对VFTO抑制效果研究*

胡洋,1, 张文斌,1, 欧阳娇2, 谭清华1, 柯毅1

1.昆明理工大学机电工程学院 昆明 650504

2.重庆建筑科技职业学院 重庆 401331

Research on the Suppression Effect of Ferrite Magnetic Ring on VFTO

HU Yang,1, ZHANG Wenbin,1, OUYANG Jiao2, TAN Qinghua1, KE Yi1

1. Faculty of Mechanical and Electrical Engineering,Kunming University of Science and Technology, Kunming 650504

2. Chongqing College of Architecture and Technology, Chongqing 401331

收稿日期: 2021-07-14   修回日期: 2021-12-9  

基金资助: *云南电网电力科学研究院装备研制资助项目.  6206HC2010001

Received: 2021-07-14   Revised: 2021-12-9  

作者简介 About authors

胡洋，男，1993年生，硕士研究生。主要研究方向为抑制气体绝缘开关快速暂态过电压。E-mail：1002707384@qq.com

张文斌，男，1976年生，博士，副教授。主要研究方向为高电压绝缘。E-mail：363526471@qq.com

摘要

隔离开关开合闸时，会产生高幅值陡前沿的快速暂态过电压(Very fast transient overoltage，VFTO)，可能损坏GIS内部绝缘盆子及二次侧变压器等邻近设备，因此抑制VFTO极为重要。现有学者经研究分析发现铁氧体磁环具有抑制效果好、便于加工和加装的优点，但未对磁环加装位置影响抑制效果做分析。由此针对某1 000 kV GIS，用ATP-EMTP仿真分析出对VFTO危害最严重的三个点：断路器、BUS5端部和BUS1左端，再分析铁氧体磁环加装位置不同抑制VFTO的效果。为铁氧体磁环进一步应用到工程实际中提供参考。

关键词： 快速暂态过电压(VFTO) ; 铁氧体磁环 ; 抑制 ; 隔离开关

Abstract

VFTO(Very fast transient overoltage) with high amplitude and steep front is produced when disconnector is switched on and off. It is possible to break down GIS internal insulation basin and the secondary side transformer and other adjacent equipment, so it is extremely important to suppress VFTO. Existing scholars have found that ferrite magnetic ring has the characteristics of good suppression effect, easy processing and installation, but the effect of magnetic ring installation position on suppression is not analyzed. Therefore, ATP-EMTP simulation is used to analyze the three most serious points of VFTO for a 1 000 kV GIS: the circuit breaker, the end of BUS5 and the left end of BUS1, and then the effect of different locations of ferrite magnetic ring on inhibiting VFTO is analyzed. It provides reference for further application of ferrite magnetic ring in engineering practice.

Keywords： Very fast transient overoltage ; ferrite magnetic ring ; inhibition ; disconnector

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本文引用格式

胡洋, 张文斌, 欧阳娇, 谭清华, 柯毅. 铁氧体磁环加装位置对VFTO抑制效果研究*. 电气工程学报[J], 2023, 18(1): 258-264 doi:10.11985/2023.01.029

HU Yang, ZHANG Wenbin, OUYANG Jiao, TAN Qinghua, KE Yi. Research on the Suppression Effect of Ferrite Magnetic Ring on VFTO. Chinese Journal of Electrical Engineering[J], 2023, 18(1): 258-264 doi:10.11985/2023.01.029

1 引言

气体绝缘金属封闭式开关设备(Gas insulated substation，GIS)中，隔离开关在投切空载母线时会产生电压行波，并在GIS内经过多次折反射形成特快速暂态过电压(Very-fast transient voltage，VFTO)[1-2]。VFTO是幅值大于2.0 p.u.、上升沿小于5 ns、频率高达100 MHz的快速暂态过电压[3]。将会造成多种危害：盆式绝缘子闪络、继电保护设备误动作、二次侧变压器匝间短路及干扰变电站内控制设备不能正常运行等[4]。因此为保障电力系统安全稳定运行，抑制VFTO非常重要。

现有多种VFTO抑制方法，如隔离开关安装并联电阻、控制隔离开关操作时间、加装金属氧化物避雷器、新型螺旋管式母线、加并联电容、加滤波器和阻波器等[5⇓⇓-8]。安装电阻和新型螺旋母线都需要对GIS内部结构进行改造，会带来更多其他问题；控制开关动作时间只能减少次数，不能从根本上解决VFTO带来的危害；加并联电容、阻波器和滤波器，可能会使得系统产生更严重的谐振电压；避雷器只能抑制VFTO的幅值；而铁氧体磁环可直接加装GIS上，不对其进行任何改造，且对VFTO幅值和陡度的抑制效果很好[9⇓-11]。

已有学者对于铁氧体磁环抑制快速暂态过电压进行了大量研究。清华大学刘卫东等[2]研究了铁氧体磁环抑制VFTO的可能性。近年来华北电力大学马玉晖[5]经研究发现，磁环的磁导率越高、磁饱和强度越大、磁损耗越高以及磁环串越长对VFTO抑制效果越好，还考虑到电压等级、等效电阻以及等效电感大小对抑制效果的影响。但要将铁氧体磁环应用到工程实际中，还需要研究磁环加装位置对抑制效果的影响。

为在工程实际中达到经济技术指标最优化。本文以某1 000 kV GIS变电站为建模原型，通过ATP-EMTP首先确定仿真变电站采用单变、单机、单线回路供电的工作方式，分析等效回路中产生快速暂态过电压最严重的几个位置，进而详细分析磁环加装位置与最佳抑制效果的关系，确定出磁环加装最佳位置，最终达到抑制VFTO陡度的同时还能最大程度降低其幅值的效果。

2 GIS元件等效模型及参数分析

VFTO具有高幅值陡前沿的特性，因此GIS建模一部分采用传输线分布参数模型分析，另一部分等效为集中参数模型分析。

2.1 母线的传输线模型及参数

采用无损均匀传输线方式建立GIS母线模型，变电站内部母线与外壳之间的波阻抗Z1计算公式为

${{Z}_{1}}=60\ln \left( \frac{{{R}_{1}}}{{{R}_{2}}} \right)$

GIS导体外壳的波阻抗Z2为

${{Z}_{2}}=60\ln \frac{2h}{{{R}_{3}}}$

式中，R1、R2、R3分别为接地导体外壳内径、和母线的内径和导体外壳外径；h为GIS壳体对地面的高度[12-13]。本文GIS根据实际尺寸及电磁波在GIS内传播速度综合计算取母线波阻抗和波速值分别为70 Ω、270 m/μs。

2.2 隔离开关电弧模型及参数

单次隔离开关燃弧过程电弧电阻是时变的，因此大多数情况下可用动态数学函数表示如下

$R(t)={{R}_{s}}+{{R}_{0}}\exp \left( -\frac{1}{T} \right)$

式中，Rs为静态电弧电阻且Rs=0.5 Ω；R0为燃弧前电阻且R0=1012 Ω；T是时间常数且T=1 ns [14⇓-16]。

在仿真中考虑到燃弧过程的复杂性，引入定值0.5 μH电感拟合时变电阻模型，仿真中还需要考虑开关对地电容因素。最终得出隔离开关等效电路模型如图1所示。

图1

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图1   隔离开关等效电路模型


2.3 变压器参数

不同电压等级变压器的容量、结构决定了入口等值电容C，电压等级越高，入口电容值越大。

${{C}_{i}}=K\sqrt[n]{S}$

式中，S为变压器的容量大小(单位：MV·A)；n和K的取值跟变压器的电压等级有关，500 kV以上的变压器n=4，K=800。仿真中变压器入口电容取值综合上面的经验公式(4)计算及查表1得C=10 000 pF [14,17 -18]。

表1   变压器入口电容

电压
等级/kV		110220330500750
及以上
入口
电容/pF		1 000~2 0001 500~3 0002 000~5 0004 000~6 0008 000~
10 000

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2.4 断路器等效模型

断路器分为两种状态：闭合时相当于母线的一部分，断开时等效为一系列的断口电容串联和一系列对地电容并联，分布参数等效模型如图2所示。在仿真电路中断路器集中参数为450 pF[18]。

图2

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图2   断路器等效电路模型


2.5 负载侧残压

GIS在开断过程中将有大量的残余电荷在断路器后端电容上，并且会在较长时间维持在一个电压等级上。到下一次合闸操作时，触头两端将形成大于1.0 p.u.的电势差。最大极值过电压计算公式如下

${{U}_{\max }}=K\times {{U}_{s}}-{{U}_{c}}$

式中，K为过冲系数；Us为源端电压；Uc为残余电荷电压[14,19]。

负载后端C2储存的残压及开关触头两端压差ΔU示意电路如图3所示，从式(5)和隔离开关等效电路图3可看出，VFTO的幅值很大程度取决于负载侧残余电压的大小。

图3

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图3   负载残压差等效电路模型


严格根据实际来看，负载侧系统残压还达不到源端施加的工频电压幅值，但为仿真出极端情况下产生最严重的隔离开关操作过电压，仿真模型负载侧电压应为1.0 p.u.且与源端的工频电压相位刚好相反。

3 仿真产生VFTO幅值严重位置分析

根据上文对仿真模型及参数分析，具体模型参数设置如下：左端电压源为负荷侧的残压-1 MV，右端电压源为1 MV；变压器入口等效电容为10 000 pF，等效电感为100 mH；母线1~6长度依次分别为100 m、23 m、17 m、17 m、51 m、23 m，断路器等效电容的参数取450 pF；隔离开等效关对地电容为300 pF，隔离开关燃弧静态等效电阻为2 Ω，电感为0.5 μH[12,14,18,20⇓ -22]。在EMTP中搭建的模型如图4所示。

图4

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图4   产生VFTO等效电路模型


建好仿真电路模型后，涉及仿真步合理选取问题，步长太长会导致结果误差较大，太短会导致仿真波形图出现大量毛刺、出现数值振荡和数据丢失等情况，由此设置仿真步长为1 ns较为合理，仿真的总时长为20 μs能较好观测到VFTO完整的波形变化趋势及最大幅值大小。仿真结果如图5所示。

图5

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图5   各位置VFTO波形图


分析仿真结果图5可得，VFTO幅值较高的点处于断路器、BUS5端部以及BUS1左端，其各点处最大幅值分别为2.43 p.u.、2.89 p.u.、2.34 p.u.。

由此下文重点分析铁氧体磁环加装不同位置，在断路器、BUS5端部和BUS1左端VFTO的抑制效果。

4 磁环加装不同位置抑制效果

铁氧体磁环在工频条件几乎无磁损；高频特性相当于在等效回路里串入电阻电感并联的等效模型如图6所示，因此铁氧体磁环能同时减小VFTO的幅值和陡度[23-24]。铁氧体磁环参数等效电感为0.05 mH、电阻为70 Ω[1]。

图6

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图6   铁氧体磁环等效电路模型


4.1 磁环加装各位置处VFTO的幅值分析

磁环加装在母线上时根据母线长度从左侧一端每隔5 m或10 m测一次幅值，出现拐点时再间隔1 m细测，后文出现距离都是以该母线左端为参考点。磁环加装在母线BUS1不同位置上的仿真电路如图7所示。

图7

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图7   BUS1不同位置上加磁环等效电路图


通过仿真结果图8及仿真幅值数值分析发现，磁环加装母线BUS1不同位置时BUS1端部VFTO幅值没有明显规律，而隔离开关和BUS5端部幅值波动不大。

图8

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图8   加装母线1不同位置BUS1端部幅值趋势


通过每段母线仿真数据分析发现同一段母线上不同位置处加装磁环对VFTO抑制效果可差30%以上，例如磁环加装在母线1上，BUS1左端点幅值最大最小值分别为1.46 p.u.、1.98 p.u.，超过最小幅值32.3%。所以针对不同的GIS母线上磁环最优加装位置也不同。

继续分析加装位置顺序从左侧断路器开始，依次加装在BUS6、隔离开关、BUS5、BUS4、BUS3、BUS2、BUS1以及变压器上仿真分析。铁氧体磁环加装在GIS断路器上等效电路模型如图9所示。

图9

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图9   磁环加装在断路器处等效电路模型


得到其余各点位置VFTO幅值仿真数据，总结断路器、BUS5端部以及BUS1左端磁环抑制后最小幅值位置及大小如表2所示。

表2   磁环加装不同位置最小幅值统计表

测试位置断路器上BUS6 10 m处隔离开关上BUS5
25 m处
幅值/p.u.1.701.461.442.06
2.672.381.831.76
2.051.781.431.96
测试位置BUS4
15 m处		BUS3
1 m处		BUS2
10 m处		BUS1
10 m处
幅值/p.u.1.802.012.061.55
2.572.632.212.54
1.541.811.781.46

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从表2中各测试位置最小幅值数据容易分析出，磁环加装在隔离开关处对VFTO幅值抑制效果最优。

4.2 磁环装在隔离开关处仿真及效果分析

对铁氧体磁环加装在隔离开关处对VFTO波形及抑制效果进一步研究，等效电路模型如图10所示。

图10

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图10   磁环加装在隔离开关处等效电路模型


当铁氧体磁环加在隔离开关上时，从仿真结果图11可明显看出陡度和幅值明显下降。断路器、BUS5端部以及BUS1左端的幅值分别为1.44 p.u.、1.83 p.u.、1.43 p.u.，加铁氧体磁环后幅值抑制效果达36.7%以上。

图11

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图11   铁氧体磁环加装在隔离开关上各位置VFTO波形


5 结论

为研究铁氧体磁环加装位置对VFTO抑制效果的影响，对某1 000 kV GIS中VFTO的产生及加装磁环后的抑制效果进行了仿真研究，得到以下结论。

(1) 产生VFTO最严重的三个位置分别在断路器处、BUS5端部和BUS1左端。

(2) 铁氧体磁环参数等效电感为0.05 mH、电阻为70 Ω的情况下，分析铁氧体磁环加装在GIS不同位置上对VFTO抑制效果的影响。由此发现，加装在同一母线上，最优抑制位置不同，最大幅值可超过最小幅值32.3%；磁环加装在隔离开关上抑制效果最好，抑制效果达到36.7%以上。

(3) 当隔离开关处磁环加装满后，可优先考虑母线抑制效果最好的点进行优先加装，把经济技术指标做到最优化。本文分析出该模型参数下GIS母线最优加装位置，但对于不同结构GIS应另行分析。

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