GIL闪络故障时接地线暂态电流特征分析_薛庆刚.pdf

Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 3192 仿真模型搭建 2.1元件模型 2.1.1绝缘子闪络模型GIL内部所用的绝缘子如图1所示，绝缘子外径为880mm，穿导杆部分内径为200mm，厚4cm。（1）闪络电阻模型。将盆式绝缘子闪络电阻模型等效为一个时变电阻，在1s时触发导通，初始导通电阻近似于无穷大，近似取值为11012，0 引言气体绝缘金属封闭输电线路（Gas-insulated Metal-enclosed Transmission Line,GIL）是架空输电方式或电缆送电受限情况下的重要输电方式，具有输电容量大、维护工作量小、占地少等优势1-3。在正常运行过程中，GIL接地排上的环流很小4，但是因当生产制造工艺缺陷、绝缘老化等原因导致GIL绝缘子发生闪络故障时，接地排上将产生很大环流5。1 研究背景分析基础条件。GIL闪络故障接地线暂态电流特征分析所采用的设备几何尺寸见表1，电气参数见表2，设计温升及电阻要求见表3。基金项目：山东省重点研发计划（重大科技创新工程）项目（2021CXGC010211）。作者简介：薛庆刚，山东电工电气集团新能科技有限公司；研究方向：特高压输变电技术、智能电网运行监测、电力物联网、电网自动化保护。吴超，中国电力科学研究院有限公司，高级工程师，硕士研究生；研究方向：变压器类设备试验和运维技术。收稿日期：2022-08-29；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述以气体绝缘金属封闭输电线路GIL设计参数为基础，针对内部绝缘子、导杆等部件建立原件模型，并针对1 500m长度，1 000kV/6.3kA GIL构建整体暂态模型，分析了距离首端600m处发生闪络事故时接地线上电流信号暂态特性。结果表明，故障点两侧位置越远的接地线暂态电流开始时间也越滞后，距离故障点发生位置越近的接地线，暂态电流最大峰值也越大。关键词：闪络故障，暂态特征，暂态模型，分相式，故障定位，电流互感器。中图分类号：TM75文章编号：1000-0755(2023)05-0319-03文献引用格式：薛庆刚，李洪全，李峰，王士君，卢佳南，张书源，吴超.GIL闪络故障时接地线暂态电流特征分析J.电子技术,2023,52(05):319-321.GIL闪络故障时接地线暂态电流特征分析薛庆刚1，李洪全1，李峰1，王士君1，卢佳南1，张书源1，吴超2（1.山东电工电气集团新能科技有限公司，山东 250101；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192）Abstract Based on the GIL design parameters of gas insulated metal enclosed transmission line,this paper establishes the original model for the internal insulator,guide rod and other components,and constructs the overall transient model for the 1 500m length,1 000 kV/6.3 kA GIL,and analyzes the transient characteristics of the current signal on the grounding wire when a flashover accident occurs 600 m away from the head end.The results show that the starting time of the transient current of the grounding wire that is farther away from both sides of the fault point is also more delayed,and the maximum peak value of the transient current of the grounding wire that is closer to the fault point is also larger.Index Terms flashover fault,transient characteristics,transient model,split phase,fault location,current transformer.Analysis of Transient Current Characteristics of Grounding Wire During GIL Flashover FaultXUE Qinggang1,LI Hongquan1,LI Feng1,WANG Shijun1,LU Jianan1,ZHANG Shuyuan1,WU Chao2 (1.Shandong Electric Group Xinneng Technology Co.,Ltd.,Shandong 250101,China.2.China Electric Power Research Institute Co.,Ltd.,Beijing 100192,China.)表1 GIL几何参数Application 创新应用320 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月稳态燃弧时的电弧电阻取值为5，后期熄弧阶段电阻又迅速增至无穷大，形成类似双指数电阻模型。因此构建绝缘子闪络电阻函数如式（1）。（1）（2）电容模型。将绝缘子视作同轴圆柱体，内部填充环氧树脂瓷绝缘子，其集中电容如式（2）。（2）式中，盆式瓷绝缘子相对介电常数取rp=3.9，l=0.04，Rp=880mm，rp=200mm，可得盆式绝缘子的对地电容为5.85pF。按照每隔4m加装一个绝缘子计算，则60m单元长度GIL共有15套绝缘子，总的等效电容。综上，在ATP中搭建的每60m单元长度的GIL模块等效电路见图2。2.1.2 GIL导杆电阻模型由于在高频分量下导杆的趋肤电阻非常小，因此使用均匀无损传输线模型。GIL波阻抗Z和波速v计算如式（3）和式（4）。（3）（4）GIL导杆自感和外壳电感相对于导体与外壳互感较小可忽略，将单位长度单相导体与外壳互感计算公式和单位长度单相对地电容计算公式代入波阻抗Z和波速v计算如式（5）和式（6）。（5）（6）式中，r2为导体外半径，m；r3为外壳内半径，m；0=410-7H/m为磁导率，r=1.002为SF6气体相对介电常数，0=8.8510-12F/m为真空介电常数.经计算得到单位长度波阻抗Z8，波速v2.996108m/s。忽略GIL并联电导并将线路等效为无损电路和电阻。在EMTP中以每60m长度为单元，将电阻集中在3处，即两端各接R/4，中间接R/2，得到单元导杆电路模型等值电路。60m长GIL导杆总电阻R=0.34056m860=480，应满足R/4Z的条件，此处Z为波阻抗，其等值电路见图3。2.1.3导杆对壳电容模型GIL的外壳是接地的，单位长度单相对壳电容可以按照同轴圆导体电容如式（7）。（7）式中，C为单位长度单相导体对壳电容，F/m；R为GIL的外壳内半径，m；r为GIL的导体外半径，m。计算可得单位长度导体对壳电容C=3.09210-9F/m，60m单元长度导体对壳电容C1=1.8610-7F/m，。2.2 整体暂态电路模型本文针仿真采用分相式GIL，采用分布多点接地方式，额定电气参数为1 000kV/6.3kA，正常工况下假设功率因数为0.9375。GIL其内部结构的见图4。仿真条件是施加额定值的工频电源，当负载侧正常加载且某处GIL盆式绝缘子发生闪络时，考察不同位置上（每隔60m）接地线上的暂态电流波形，提取相应特征。同样根据1 000kV GIL实际结构和具体器件外形尺寸和材料参数，分别确定GIL中各个元件的暂态模型及参数，并根据电弧的伏安特性模拟出等效的闪络电阻模型，最终组成1 500m长的1 000kV GIL暂态电路模型。以每60m为一个单元长度模块，将各个元件模型表2 GIL电气参数表3 设计温升及电阻参数图1 GIL中盆式绝缘子结构示意图图2 每60m单元长度GIL等效电路图3 60m单元GIL导杆等值电路图4 GIL内部结构示意图Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 321组合起来，构建1 500m长1 000kV GIL暂态电路如图5所示。模拟当距首端600m处盆式绝缘子发生闪络放电时，计算各处接地线暂态电流。3 仿真结果分析 3.1 仿真情况在ATP-EMTP中建立仿真模型后，设置计算步长为110-9s，终止时间为310-5s。计算当在距离首端600m处发生闪络事故时，分别距离故障点-240m、-180m、-120m、-60m和+60m、+120m、+180m、+240m（负值代表位于故障点之前，正值代表位于故障点之后）处接地线的暂态电流波形。其中闪络故障点之前4个接地线上的暂态电流波形、暂态电流幅频特性见图6，闪络故障点之后4个接地线情况见图7。3.2 结果分析从图6、图7提取闪络故障点之前后各4个接地线暂态波形的起始时间、最大幅值等特征值，得到如表4所示数据。通过对表4中的数据进行分析可以发现，从传播时间上看，距离故障点越远的接地线暂态电流开始的时间越滞后。当故障点发生闪络时，故障电流以波速快速向两边传播，而每一根接地线相距60m，因为暂态变化是一个波过程，故相邻接地线波过程的时间差t=60/(2.996108)200ns，因此每个接地线依次滞后约200ns。从波形上看，距离故障点最近的接地线的暂态电流最大峰值最大，越远离的接地线暂态电流最大峰值越小，但相邻接地线的最大峰值差随着与故障点的距离的增大而逐渐趋缓。主要原因是故障电流含有大量高频成分，其随着波过程传播的距离而逐渐衰减，240以后，信号幅值变化趋缓。从幅频特性上看，各个位置的接地线上流过的暂态电流频率成分是一致的，各自的主频段均为01.5MHz。但在10MHz以下的频带内各个电流幅值相近，而在10MHz100 MHz的频率区间内，越靠近故障点的接地线，其对应频率的幅值越大。4 结语根据GIL的设计参数建立了GIL仿真模型，分析了600m处闪络故障时GIL接地线暂态电流及幅频特征。结果表明，故障点两侧均有闪络信息传输，距离故障点发生位置越远的接地线，暂态电流开始的时间也越滞后，开始时间与距离成正比关系。因故障电流含有大量高频成分，其随着波过程传播的距离而逐渐衰减，距离故障点发生位置越近的接地线，暂态电流的最大峰值也越大。不同接地排上的信号频谱频率成分相同，主频段均为01.5MHz，10MHz以下的频带内各个电流幅值相近。利用以上结论表明，在采用电流互感器监测接地排电流进行GIL闪络故障定位时，所选择电流互感器频率响应范围不低于10MHz；电流幅值信号在远离故障点240m以后变化趋缓，因此故障定位重点选择距离故障点附近240m范围内接地排的电流信息进行故障判断。接地排间距过小对采样精度要求较高，接地排间距不宜太小。参考文献1 李鹏,颜湘莲,王浩,张乔根,金光耀,高煜,穆双录.特高压交流GIL输电技术研究及应用J.电网技术,2017,41(10):3161-3167.2 高克利,颜湘莲,王浩,何洁,李志兵,柏长宇,刘焱,黄河.环保型气体绝缘输电线路(GIL)技术发展J.高电压技术,2018,44(10):3105-3113.3 李鹏,李志兵,孙倩,张乔根,颜湘莲,孙建涛.特高压气体绝缘金属封闭输电线路绝缘设计J.电网技术,2015,39(11):3305-3312.4 汪建成,谢文刚,宫瑞磊,李伟.550kV GIL三支柱绝缘子设计J.高压电器,2018,54(05):114-118.5 张济麟,吴文涛,马小林.一起800kV GIS设备盆式绝缘子闪络故障分析及建议J.青海电力,2021,40(03):61-64.图5 盆式绝缘子发生闪络暂态仿真模型图6 闪络故障点之前的暂态电流波形、暂态电流幅频特性图7 闪络故障点之后的暂态电流波形、暂态电流幅频特性表4 闪络故障点之前后各4个接地线暂态波形特征值