快速暂态过电压的形成机制与抑制方法.pdf

第39卷 第4期2005年4月西 安 交 通 大 学 学 报JOURNAL OF XIAN J IAOTON G UNIVERSITYVol.394Apr.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终端加上波阻抗较小的一段导体,以抑制快速暂态过电压.分析表明,这种方法对于抑制GIS端口处的快速暂态过电压是很有效的.关键词:封闭式组合电器;快速暂态过电压;激发模式;抑制中图分类号:TM933 文献标识码:A 文章编号:0253987X(2005)04041704Research on Mechanism in Formation and Depression ofVery Fast Transient OvervoltageZou J ianhua1,Kang N ing1,L i Cheng1,Wang Hong2(1.School of Electronics and Information Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;2.China Yangtze Power Co.Ltd,Yichang 443002,China)Abstract:In order to research the generating mechanism of very fast transient overvoltage(VFTO)that iscaused by the operation of isolator in gas insulated substation(GIS),a method of detectingexcitingmodewas used here.The method ofexciting modewas very useful for catching the main factors whichinfluence VFTO.Up to now,two kinds ofexciting modewere discovered.One was the effectiveness ofthe capacitance of bushing,and the other was the change of conductors surge impedance.Thus,a newmethod to depress VFTO was proposed,i.e.a section of conductor with lower surge impedance was addedat the terminal of GIS.The analysis shows that the proposed method is very effective for depressingVFTO.Keywords:gas insulated substation;very f ast transient overvoltage;exciting mode;depression 近年来,封闭式组合电器(GIS)越来越多地应用于300550 kV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(Very Fast TransientOvervoltages,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10 ns跌落100 kV),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:20040528.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).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.为研究等离子体的不稳定性,使用了诸如交换模、电阻撕裂模等概念.这里的每一种“模”,表征着造成不稳定的某一种激励和条件.下面将通过对高压套管的电容效应和导体波阻抗跃变等“激发模式”的分析,探讨VFTO的形成机制.111 高压套管的电容效应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=500 pF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66 m长的终端开路母线(Z2=75)通过隔离开关从一个无限长的架空线上(Z1=320)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-450 kV时,开关间隙被击穿,即U1=-450 kV,U2=U3=+450 kV.也就是说,当开关间隙电压UB=2450 kV=900 kV时,触头间隙被电弧导通.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图1 高压套管电容引起的VFTO(a)电压U2(b)电压U3(c)电流I图2 高压套管电容引起的VFTO行波曲线-450 kV,并允许波前最大值为-900 kV的电压波进入GIS.考虑到放电通道形成时间为tF,而波前最大值并不能达到允许的值,所以当tF=20 ns,峰值电压仅能达到-24715 kV(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200 ns以后,可确定两段线路之间的隙间电压.当注入GIS的波前为-24715 kV的电压波时,由于 在GIS开路 终 端 的反 射 波 分 量可 以 达 到814西 安 交 通 大 学 学 报 第39卷-1 395 kV,所以在t=(=0122s)时刻U3从+450 kV骤跌到-945 kV(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,波前变为正极性,并向GIS的开路终端传播.在t=3时刻,产生一个更陡的电压且跳变到+855 kV,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10 kA.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7s.从这点来看,隔离开关电弧大约在50100s内熄灭,与我们所观察到的是一致的3,4.如果从VFTO的角度再来看U2和U3的结果,那么图2a表明,在GIS的入口处过电压幅值总是小于540 kV.另一方面,在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3 ns内可达到-945 kV.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450 kV;U5的峰值电压达1 200 kV,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.图3 导体波阻抗跃变引起的VFTO2 过电压的抑制方法目前,抑制VFTO主要有2种方法,即并联电(a)电压U2(b)电压U5(c)电流I图4 导体波阻抗跃变引起的VFTO行波曲线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2501 000,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(20)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.914 第4期 邹建华,等:快速暂态过电压的形成机制与抑制方法图5VFTO抑制原理图(a)电压U2(b)电压U3(c)电压U4(d)电流I图6VFTO抑制行波曲线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终端加上波阻抗较小的一段导体,以抑制VF2TO.这种方法对于抑制GIS端口处的VFTO是很有效的,但是对GIS其他各处的VFTO是否总是具有抑制作用,尚需进一步分析、研究.参考文献:1Working Group 33/1309.Very fast transient phenom2ena associated with gas insulated substation R.CI2GRE Report,3313.Paris:International Council onLarge Electric Systems,1988.2Brown G W,Rocamora R G.Surge propagation inthree2phase pipe2type cables,part:unsaturated pipeJ.IEEE Transactions on Power Apparatus and Sys2tems,1995(1):8995.3Ecklin G,Schlicht D,Plessl A.Overvoltages in GIScaused by the operation of isolators A.Surges inHigh2Voltage Networks C.NewYork:PlenumPress,1980.115129.4Vinod2Kumar V.VFTO computation in a 420 kV GISA.11th IEE International Symposium on High Volt2age Engineering,London,1999.5Liu W D,Jin L J,Qian J L.Simulation test of sup2pressing VFT in GIS by ferrite rings A.Internation2alSymposiumonElectricalInsulatingMaterials,Himeji,Japan,2001.(编辑 苗 凌)024西 安 交 通 大 学 学 报 第39卷