快速暂态过电压的形成机制与抑制方法

第39卷　第4期2005年4月

　

西　安　交　通　大　学　学　报

JOURNALOFXI′ANJIAOTONGUNIVERSITY

Vol.39　№4Apr.2005

快速暂态过电压的形成机制与抑制方法

邹建华1,康　宁1,李　成1,王　宏2

(1.西安交通大学电子与信息工程学院,710049,西安;2.中国长江电力股份有限公司,443002,宜昌)

摘要:为了研究封闭式组合电器(GIS)中隔离开关操作引起的快速暂态过电压的产生机制,采用了探求“激

发模式”的思想方法.“激发模式”的分析方法可以抓住产生快速暂态过电压的主要因素,且所生物理图像清晰,非常有益于直接指导GIS的结构设计.通过分析,发现了高压套管电容效应和导体波阻抗跃变2种“激发模式”,由此提出了一种新的快速暂态过电压抑制方法.该方法是在GIS体,以抑制快速暂态过电压.分析表明,这种方法对于抑制GIS.关键词:封闭式组合电器;快速暂态过电压;激发模式;中图分类号:TM933　文献标识码:A　文章编号:()04ResearchonandDepressionof

ransientOvervoltage

Jianhua,KangNing,LiCheng,WangHong

2.ChinaYangtzePowerCo.Ltd,Yichang443002,China)

1

1

1

2

(1.SchoolofElectronicsandInformationEngineering,Xi′anJiaotongUniversity,Xi′an710049,China;

Abstract:Inordertoresearchthegeneratingmechanismofveryfasttransientovervoltage(VFTO)thatiscausedbytheoperationofisolatoringasinsulatedsubstation(GIS),amethodofdetecting‘excitingmode’wasusedhere.Themethodof‘excitingmode’wasveryusefulforcatchingthemainfactorswhichinfluenceVFTO.Uptonow,twokindsof‘excitingmode’werediscovered.Onewastheeffectivenessofthecapacitanceofbushing,andtheotherwasthechangeofconductor’ssurgeimpedance.Thus,anewmethodtodepressVFTOwasproposed,i.e.asectionofconductorwithlowersurgeimpedancewasaddedattheterminalofGIS.TheanalysisshowsthattheproposedmethodisveryeffectivefordepressingVFTO.

Keywords:gasinsulatedsubstation;veryfasttransientovervoltage;excitingmode;depression

　　近年来,封闭式组合电器(GIS)越来越多地应

用于300～550kV电压等级的输变电系统.由于隔离开关操作和将要被分离的电路以及部分装置相互作用,GIS母线长度相对较小等原因,致使在GIS内产生的行波的传播时间很短,又因电负性气体的击穿特性,从而引起了比传统设备具有上升沿更陡和频率更高的快速暂态过电压(VeryFastTransientOvervoltages,VFTO)[1].本文将着重分析GIS中VFTO的形成机制和抑制方法.

1　快速暂态过电压的形成机制

强电负性气体特殊的击穿机制决定了每次重燃开始于触头间隙的电压骤跌,它的发生时间仅为10-8s.电压骤跌与放电通道的形成直接相关,典型的电压跌落率为1013V/s(每10ns跌落100kV),

这种电压骤跌就是从间隙间产生,沿着GIS装置传播的行波激励.　　如果已知精确的电路结构、电路装置和所有元

收稿日期:2004Ο05Ο28.　作者简介:邹建华(1964～),男,教授,博士生导师.　基金项目:国家自然科学基金资助项目

(50177025)

.

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件的高频等效电路模型,那么波在传播过程中的电

压、电流可由数值计算获得.研究表明,GIS中各种部件对VFTO的影响是不同的,其中电流互感器、电压互感器、接地开关、隔离开关重燃电弧通道电阻等对VFTO的影响是比较小的[1,2],而GIS引出线套管和GIS附属设备(变压器等)的电容效应、导体波阻抗跃变对VFTO的形成起着主导作用.反过来讲,电容效应和波阻抗跃变本质上对应着不同的结构,这些结构下的电磁转换产生了或者说激发出了VFTO.由此,我们提出“激发模式”这一概念,用以表示GIS中产生VFTO的各种不同机理和结构.“激发模式”这种概念和方法,其实质是忽略大量次要和枝节因素,抓住主要因素,从而易于分析VFTO的形成机理和特性,并有利于构建其物理图像.

“激发模式”或称为“激发模”,它与热核等离子体物理中关于“模”的概念相似.不稳定性,使用了诸如交换模、这里的每一种“模”,励和条件.体波阻抗跃变等“的分析,探讨VFTO的形成机制.

111　高压套管的电容效应

图1　高压套管电容引起的V

FTO

(a)电压U

2

隔离开关操作的一种典型情况,就是要用隔离开关将GIS装置的空载部分与一个电源或架空线连接或断开.如果不考虑放电通道的形成时间和高压套管的电容,隔离开关引起的快速暂态过程就可以等效为两条理想传输线间的放电过程,数值计算结果表明,在这种条件下不会出现过电压[2].

高压套管的电容可以近似看作一个电容量CB

=500pF的集总电容,没有自感和电阻.另外,还假设隔离开关距离GIS和架空线的连接处很近.图1示出了计算所采用的电路图,一个66m长的终端开路母线(Z2=75Ω)通过隔离开关从一个无限长的架空线上(Z1=320Ω)断开.GIS预先充电到450kV,当架空线上不断改变的电压U1降至负峰值-450kV时,开关间隙被击穿,即U1=-450kV,U2=U3=+450kV.也就是说,当开关间隙电压UB=2×450kV=900kV时,触头间隙被电弧导通.

(b)电压U

3

(c)电流I

图2　高压套管电容引起的VFTO行波曲线

-450kV,并允许波前最大值为-900kV的电压波

图2是考虑高压套管电容CB后的U2、U3和I的波形.可以看出,随着时间的变化电压波呈阶跃型结构,只是由于电容器引起的电压波峰会强烈影响每次阶跃.这是由于与架空线终端平行的理想电容器,

在开始接通时的很短一段时间内保持着初始值

进入GIS.考虑到放电通道形成时间为ΔtF,而波前最大值并不能达到允许的值,所以当ΔtF=20ns,峰值电压仅能达到-24715kV(如图2a所示).接下来CB被充电,电容两端的电压升高,GIS中的放电电流越来越多地注入到架空线上,大约到200ns以后,可确定两段线路之间的隙间电压.

当注入GIS的波前为-24715kV的电压波时,由于在GIS开路终端的反射波分量可以达到

　第4期　　　　　　　　　　　　　　　邹建华,等:

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-1395kV,所以在t=τ(τ=0122μs)时刻U3从+

τ450kV骤跌到-945kV(如图2b所示),并于t=2时刻到达电容CB的两侧.CB一开始以短路形式作用于波前,它产生了系数r=-1的反射.这时,波前

τ时变为正极性,并向GIS的开路终端传播.在t=3

刻,产生一个更陡的电压且跳变到+855kV,这就是U3中出现很高电压峰值的原因的简单解释.由于电容器的反射系数随着时间的变化从-1变到+1,波前的极性反转,从而导致了在这个尖峰之后的U3波形的振荡形式.这样,第一个峰值以后的电压峰值的衰减随着反射次数的增加而增加,同时也导致了随后越来越多的振荡.

如果考虑隔离开关放电通道的电流波形,如图2c所示,可以观察到电流峰值高达10kA.电容器上的充电电流到达峰值总是与电压U2的跳变同时发生,这个峰值衰减的典型时间常数约为7μs.从这点来看,隔离开关电弧大约在50～100μs内熄灭我们所观察到的是一致的[3,4].

如果从VFTO23,那么图2a表明,在于540kV.另一方面,GIS开路终端的电压U3会在极短时间内出现极陡的峰值,第一个峰值在3ns内可达到-945kV.112　导体波阻抗跃变

本节将分析另外一个可能引起VFTO的因素,即当GIS中空载部分线路的波阻抗在跃变的时候也会引起过电压,其电路结构如图3所示.

导体波阻抗跃变引起的VFTO行波如图4所示.可以看出:U2的峰值电压为450kV;U5的峰值电压达1200kV,即产生了比高压套管的电容效应还要高的过电压,这说明导体波阻抗跃变会加大VFTO的幅值

.

(a)电压U

2

(b)电压U

5

(c)电流I

图4　导体波阻抗跃变引起的VFTO行波曲线

图3　导体波阻抗跃变引起的VFTO

2　过电压的抑制方法

目前,抑制VFTO主要有2种方法,

即并联电

阻法和铁磁物质薄层法[5].前者可以有效地降低隔离开关操作引起的VFTO,因为并联电阻的一般选用范围为250～1000Ω,用它可有效地降低VFTO幅值,不过并联电阻会引起触头发热;后者是在GIS导电体表面形成具有高磁导率的铁磁物质薄层,利用高频谐波的强屈肤效应来抑制VFTO,但由于铁磁物质的磁导率是由磁场强度与磁感应强度之间的非线性关系决定的,当磁饱和出现时,抑制效果将大大减小,就现状而言,进一步提高临界磁场强度是非常困难的.

我们提出抑制VFTO的方法之一,是在GIS终端再加上一段波阻抗(20Ω)较小的导体,从理论上讲,可以减小反射系数,降低终端过电压,电路原理图如图5所示.

VFTO抑制行波的U2、U3和U4的波形如图6所示.显然,过电压得到了有效的抑制,而且结果是令人满意的.

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3　结　论

GIS隔离开关操作引起快速暂态过程,其本质

就是一个电磁交互转换过程.GIS结构复杂,影响

VFTO的因素非常多,本文采用探求“激发模式”的思想方法,研究VFTO的产生机制.通过分析,发现了2种“激发模式”,即高压套管电容和导体波阻抗

图5　VFTO

抑制原理图

跃变.通过“激发模式”的分析,可以抓住产生VF2TO的主要因素,而物理图像清晰则有益于直接指导GIS的结构设计.

另外“,激发模式”间可能会有耦合或叠加,这是一个更为复杂的问题,尚有待于进一步研究.本文提出了一种新的VFTO抑制方法,它是在GIS,以抑制VF2VFTO是很,VFTO是否总是具、研究.参考文献:

[1]

WorkingGroup33/13Ο09.Veryfasttransientphenom2enaassociatedwithgasinsulatedsubstation[R].CI2GREReport,33Ο13.Paris:InternationalCouncilonLargeElectricSystems,1988.

[2]　BrownGW,RocamoraRG.Surgepropagationin

(a

)电压U2

(b)电压U3

three2phasepipe2typecables,partⅠ:unsaturatedpipe[J].IEEETransactionsonPowerApparatusandSys2tems,1995(1):89Ο95.

[3]　EcklinG,SchlichtD,PlesslA.OvervoltagesinGIS

causedbytheoperationofisolators[A].SurgesinHigh2VoltageNetworks[C].Press,1980.115Ο129.

[4]　Vinod2KumarV.VFTOcomputationina420kVGIS

[A].11thIEEInternationalSymposiumonHighVolt2

NewYork:Plenum

(c)电压U4

age

Engineering,London,1999.

[5]　LiuWD,JinLJ,QianJL.Simulationtestofsup2

pressingVFTinGISbyferriterings[A].Internation2alSymposiumonHimeji,Japan,2001.

Electrical

InsulatingMaterials,

(编辑　苗　凌)

(d)电流I

图6　VFTO抑制行波曲线