gis隔離開關(guān)投電電流試驗的emp分析

gis隔離開關(guān)投電電流試驗的emp分析

1陡波前電壓vfto近年來，gis在世界得到了廣泛應(yīng)用。然而運行經(jīng)驗表明，GIS隔離開關(guān)在例行操作時不僅會在GIS主回路引起對地故障，而且還會造成相鄰設(shè)備(如變壓器等)的絕緣損壞。因此國內(nèi)用戶對這一問題的關(guān)切程度也在增加，本文在這方面做了一些工作，這里作簡要的介紹。圖1為隔離開關(guān)分閘時產(chǎn)生陡波前過電壓的過程。以分閘為例，當(dāng)隔離開關(guān)觸頭打開時，隨著距離的增加，觸頭間的耐受電壓VR也逐漸增加。當(dāng)隔離開關(guān)兩側(cè)電壓Va高于VR時隔離開關(guān)被擊穿，過渡過程完成后，隔離開關(guān)兩側(cè)電位基本相等，電弧熄滅，電路原理如圖2所示。由于負(fù)荷側(cè)母線泄露電阻很大，所以保持熄弧瞬間電壓V1不變，在示波圖上表現(xiàn)為一段水平直線。而電源側(cè)電壓隨電源Vs而變。當(dāng)它們的差值Va再次超過VR時，隔離開關(guān)復(fù)燃。這一過程會在隔離開關(guān)打開的過程中不斷發(fā)生。對于合閘操作，機理也完全相同。在每一個電壓跳變處將產(chǎn)生一個階躍電壓波，對正常設(shè)計的GIS，估計這一上升時間最快可達(dá)3ns。由于這一過電壓的上升速率極快，因此被稱做陡波前過電壓（VeryFastFrontOvervoltage簡稱VFFO），也有些文獻(xiàn)稱這種過電壓為特快速暫態(tài)過電壓（VeryFastTransientsOvervoltage簡稱為VFTO）。這樣的階躍電壓波不斷地產(chǎn)生、來回地傳播，并且發(fā)生復(fù)雜的折射、反射和疊加就構(gòu)成了GIS中的（VeryFastTransients）現(xiàn)象。2隔離開關(guān)開斷試驗圖2為IEC61259規(guī)定的試驗方式1的試驗線路原理圖。試驗方式1是用被試隔離開關(guān)DT開合一段短負(fù)荷母線（DT與DA之間的母線）。在進(jìn)行合閘操作前，負(fù)荷側(cè)母線必須充以表1規(guī)定的直流電壓，然后直流電壓源用輔助隔離開關(guān)DA斷開。由于GIS母線泄露電阻很大，負(fù)荷側(cè)母線將保持這一電壓不變，這時將電源側(cè)（DT左側(cè)）電壓升至試驗電壓，最后關(guān)合被試隔離開關(guān)DT。由于負(fù)荷側(cè)母線已經(jīng)預(yù)充了負(fù)的直流電壓，隔離開關(guān)將在電源側(cè)電壓峰值處附近擊穿，產(chǎn)生VFFO。開斷試驗時，DA打開，DT處于合閘位置，電源電壓升至1.1U/3，打開DT即可。需要說明的是，在隔離開關(guān)開斷時，隨著隔離開關(guān)觸頭距離的增加，擊穿電壓也在不斷上升，所以最后階段重燃的過電壓是最高的（參見圖1）。其極限情況是最后一次重燃前負(fù)荷側(cè)母線殘留電壓為相電壓峰值，而最后一次重燃又正好發(fā)生在電源側(cè)電壓反極性峰值處，但這種概率是不大的。而標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的關(guān)合試驗條件考慮的即為這一苛刻狀況，也就是說在方式1中，合閘產(chǎn)生的過電壓相對來說比較穩(wěn)定，這是由于負(fù)載側(cè)預(yù)充了直流電壓。而分閘過電壓隨機性比較強，合閘過電壓比分閘過電壓要高。IEC61259對此項試驗規(guī)定了三種試驗方式，但若對三種試驗方式都進(jìn)行試驗是非常困難的（具體要求參見文獻(xiàn)。由于只有試驗方式1是強制性的，因此只對方式1進(jìn)行了試驗。此次500kVGIS隔離開關(guān)共進(jìn)行了200次關(guān)合試驗和100次開斷試驗，取得了大量的數(shù)據(jù)。其中測得的最大過電壓出現(xiàn)在合閘負(fù)荷側(cè)，為1189kV(2.4p.u.）。具體情況參見文獻(xiàn)。3計算模型的確定3.1模量參數(shù)的設(shè)置研究表明利用計算機進(jìn)行模擬計算是比較有效的，只是在計算前必須根據(jù)自己產(chǎn)品的特點，試驗回路或變電站的具體情況，對模量損耗電阻、接地電阻等計算參數(shù)進(jìn)行一定的假設(shè)，并且通過計算和實測來校正這些假設(shè)，最終才能達(dá)到比較準(zhǔn)確的計算。EMTP程序包含有對有耦合的平行多導(dǎo)體系統(tǒng)暫態(tài)過程的計算，它采用相模變換方法，把有耦合的各平行導(dǎo)體相量上的傳輸參數(shù)變換成無耦合的各模量上的傳輸參數(shù)，據(jù)此利用Bergeron法求出模量上的暫態(tài)過程解，再反變換求出相量上的暫態(tài)過程解。利用EMTP程序進(jìn)行計算時，必須輸入模量參數(shù)。本文使用電纜/GIS參數(shù)計算程序及EMTP程序?qū)饽彻驹嚻愤M(jìn)行了模擬計算，并與其實測結(jié)果進(jìn)行了對比。通過對比計算可以得出結(jié)論：利用GIS參數(shù)計算程序得出的衰減電阻太小，可能是因為VFFT過程十分復(fù)雜，只通過簡單的理論計算很難真實地反映GIS中的各種損耗。所以需要通過試驗和計算的對比來調(diào)整參數(shù)的設(shè)置，才能使計算比較真實。本文采用了加大衰減電阻的方法使計算波形與實測波形從整體上看比較相似。3.2負(fù)荷側(cè)vffo波形此次試驗（方式1）的典型關(guān)合示波圖見圖3、圖4。圖3中1號線為負(fù)荷側(cè)VFFO波形，2號線為電源側(cè)VFFO波形，圖4為隔離開關(guān)關(guān)合全過程示波圖。其中1號線為電源側(cè)電壓Vs,2號線為負(fù)荷側(cè)電壓V1。需要說明的是圖4中負(fù)荷側(cè)電壓（2號線）在隔離開關(guān)熄弧后并沒有保持一條直線，這是由于測量系統(tǒng)的輸入阻抗造成的衰減。圖5是經(jīng)過多次調(diào)整后模擬計算的負(fù)荷側(cè)VFFO波形，與圖3的實測結(jié)果（1號線）從整體上看比較相似。計算過電壓為2.34p.u.,比實測最大過電壓小3%。4隔離開關(guān)產(chǎn)生的電壓對隔離開關(guān)開合全過程進(jìn)行重燃計算需要知道隔離開關(guān)斷口的擊穿特性，但這種數(shù)據(jù)以前是沒有的。本文在被試隔離開關(guān)上進(jìn)行了一系列試驗，并將隔離開關(guān)的分合閘特性也考慮了進(jìn)去，也力圖比較真實地反應(yīng)出開合重燃的全過程。在將擊穿電壓與分合時間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為EMTP的輸入數(shù)據(jù)后對隔離開關(guān)3種試驗方式的重燃過程進(jìn)行了計算。綜合計算數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：對于合閘，方式1的過電壓最高；而分閘方式2是非?？量痰?；無論是合閘還是分閘，方式3產(chǎn)生的過電壓都是最低的，因此方式3并不是考核隔離開關(guān)產(chǎn)生的過電壓，只是為了考核隔離開關(guān)開合電容電流的能力。在表1中也可以看到，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的方式3試驗電壓并未乘以1.1也是這個原因。另外計算發(fā)現(xiàn)，方式2中分閘的最后階段斷口兩側(cè)的電位差（并非對地過電壓）非常高，在一個算例中達(dá)到了3.0p.u.(494×3=1482kV)，而且理論上可能會更高。因此，隔離開關(guān)斷口的絕緣耐受強度必須足夠大才能完成方式2的開斷。另外通過模擬發(fā)現(xiàn)，在方式2的試驗中，如果在剛剛進(jìn)行完開斷操作而且短母線上殘留有電荷，再馬上關(guān)合隔離開關(guān)，這時將是十分危險的。因為如果關(guān)合相位正好是工頻電壓的峰值，產(chǎn)生的暫態(tài)過電壓將非常高。對這種情況進(jìn)行了模擬，在這一計算例中產(chǎn)生的暫態(tài)電壓峰值為2.32p.u.(還有可能更高)?？梢钥吹?，隔離開關(guān)產(chǎn)生的過電壓值比標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓耐受水平低，但是由于其上升率比較高，在實際運行時還是應(yīng)該盡量避免產(chǎn)生高的VFFO。如果有接地開關(guān)，可以在關(guān)合隔離開關(guān)之前先用接地開關(guān)把短母線上面的電荷放掉，這樣就可以把過電壓控制在一定的范圍內(nèi)。5模擬計算模型的建立本文在實際隔離開關(guān)上通過試驗獲得了隔離開關(guān)擊穿電壓與分合時間的關(guān)系特性，并以此為依據(jù)進(jìn)行了隔離開關(guān)重燃的數(shù)值研究，這在國內(nèi)尚屬首次。這一特性的獲得可以提高多次重燃模擬的準(zhǔn)確性和可信度，它對推進(jìn)隔離開關(guān)重燃的深入研究具有一