550KVGIS隔離開關(guān)產(chǎn)生的過電壓計算

1、 摘要隨著我國電力工業(yè)的高速發(fā)展和電壓等級的不斷提高，氣體絕緣變電站（gis）在我國電力系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。氣體絕緣變電站的特快速暫態(tài)過程對運行安全可靠性的影響也得到了越來越高的重視，尤其是gis在我國特高壓電網(wǎng)中的應(yīng)用前景使其受關(guān)注不斷提高。近年來gis隔離開關(guān)操作引起的快速暫態(tài)問題更加突出，主要是以gis中陡波前過電壓（vfto）對設(shè)備本身及相鄰設(shè)備的影響，因此通過vfto的計算以指導超、特高壓gis絕緣設(shè)計。 首先介紹了gis產(chǎn)生的機理及其結(jié)構(gòu)和特性，其次是關(guān)于電磁暫態(tài)程序（emtp）的學習，最后是對vfto的計算。以550kv gis為例，首先，計算模型及其等效參數(shù)的確定，根據(jù)現(xiàn)有

2、文獻資料確定主線路和gis內(nèi)部元件的計算模型和具體的等效參數(shù)。其次，確定gis的操作方式，根據(jù)有關(guān)的論文資料以及電站的電氣接線特點確定gis的具體操作方式。最后，針對每一種操作方式，計算由隔離開關(guān)操作引起的vfto值。 通過分析對不同運行工況下gis內(nèi)部各節(jié)點的快速暫態(tài)過電壓，從而確定vfto是否會對設(shè)備本身以及相鄰設(shè)備造成危害，以此來指導gis的絕緣設(shè)計。關(guān)鍵詞：gis；vfto；emtp;計算模型abstractwith the high speed development of our country electric power industry and the increasing

3、of voltage grade, gas insulated substation (gis) applications in power system in our country is more and more widely. fast transient process of gas insulated substations influence on the running safety and reliability also got more and more attention, especially the application foreground of gis in

4、uhv power grid in our country so that it is increasing attention. in recent years gis disconnector operation caused by the rapid transient problem become more prominent, mainly steep wave front overvoltage (vfto) in giss influence on the equipment itself and the adjacent equipment, therefore the vft

5、o through the calculation to guide, uhv gis insulation design.first introduces the formation mechanism of gis and its structure and features, the second is about the study of electromagnetic transient program (emtp), and at last the calculation of vfto. with 550 kv gis as an example, first of all, t

6、he determination of calculation model and the equivalent parameters, according to the current literature to determine the main road and the gis calculation model and the equivalent parameters of internal components. second, determine the operating mode of gis, according to the information about the

7、paper as well as the power station electrical wiring characteristics of gis, the mode of operation is determined. finally, in view of each kind of operating mode, calculation caused by disconnector operation vfto values.through the analysis of fast transient on each node of the gis within the differ

8、ent operating conditions of the over voltage, so as to determine whether vfto will cause harm to the equipment itself and the adjacent equipment, so as to guide the design of gis insulation.key words: gis;vfto;emtp; calculation model目 錄第一章 緒論11.1概述11.2 gis中vfto的危害實例21.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀21.4 本文所做的工作3第二章 gis隔

9、離開關(guān)操作引起的vfto52.1 gis中特快速暫態(tài)現(xiàn)象的分類52.2 vfto的產(chǎn)生機理和特性62.3 vfto對設(shè)備絕緣的影響82.4 vfto的預(yù)防措施及建議10第三章 電磁暫態(tài)程序emtp123.1 程序主菜單123.2 電路的搭建和參數(shù)的設(shè)置133.3運行atp仿真15第四章 550kv gis中vfto數(shù)值計算174.1 gis部件瞬態(tài)特性174.2 gis部件等效模型及參數(shù)204.3 550kv gis內(nèi)部vfto仿真計算234.3.1 550kv gis工程概述及電氣接線圖234.3.2 550kv gis電氣接線及隔離開關(guān)的操作方式254.3.3 550kv gis計算結(jié)果2

10、7第五章 總結(jié)31參考文獻32致 謝33附 錄：不同運行方式vfto波形34沈陽化工大學學士學位論文 第一章 緒論第一章 緒論1.1概述全封閉氣體絕緣變電站（gas insulated substations也譯作 gas insulated switchgear，簡稱 gis）是一種將高壓電器存放于接地的密封金屬殼內(nèi)，以高壓氣體為主要絕緣介質(zhì)的電站。它因與常規(guī)空氣絕緣變電站（air insulated substation，簡稱ais）相比而具有顯著的優(yōu)點，近幾十年來得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這些優(yōu)點主要包括：由于應(yīng)用了絕緣性能和滅弧性能良好的sf6氣體，將斷路器、隔離開關(guān)、電壓和電流互感器等

11、設(shè)備都密封在接地外殼中，從而實現(xiàn)了變電站的緊湊化，減小了變電站場地面積和輔助設(shè)施的建設(shè)費用，提高了電氣設(shè)備的運行可靠性和安全性，不易受外界環(huán)境影響，可靠性高，維護量小，對大氣過電壓的保護性能好，布局靈活，便于擴展等。20世紀90年代后期，世界上還出現(xiàn)了一種介于gis和ais之間的新型高壓開關(guān)設(shè)備hgis(hybrid gas insulated switchgear)，又稱緊湊型組合式高壓開關(guān)設(shè)備，它的結(jié)構(gòu)與gis基本相同，但不包括母線設(shè)備，即母線不裝于sf6氣室，而是外露的。這與空氣絕緣變電站相比，提高了設(shè)備的可靠性；而與gis設(shè)備相比，省略了封閉式母線，大大節(jié)省了費用。以550kv一個斷路

12、器接線的hgis、gis、ais相比，hgis的產(chǎn)品價格比gis省53%，是ais的1.5倍。計入地皮費、土方開挖費用后，變電站總投資估計比用gis省45%50%，比用ais貴約30%左右。我國目前正在進行的晉東南南陽荊門特高壓交流試驗示范工程，計劃采用hgis設(shè)備。hgis設(shè)備在我國的應(yīng)用前景將會很廣泛。我國的gis的運行電壓已經(jīng)達到750kv，分別在我國西北電網(wǎng)750kv示范工程的官廳和蘭州東變電站，于2005年底正式并網(wǎng)投入商業(yè)運行。另外，我國也已經(jīng)有相當多的大型水電站、火車變電站采用gis作為出線變電站，例如我國西電東送工程中位于黃河上游的拉西瓦水電站，出線平臺受該電站所處高山險谷地理

13、位置的限制，為了減少洞穴開挖的工程量，也將采用氣體絕緣變電站。目前，隨著gis電壓等級的提高，土地資源、環(huán)境保護和人才費用的上漲，其應(yīng)用優(yōu)勢更加明顯，gis的發(fā)展和前景可觀。在gis中，由于斷路器、隔離開關(guān)、以及接地開關(guān)操作或帶電線路對地閃絡(luò)，甚至雷電波的入侵，都可能會在gis內(nèi)部產(chǎn)生一個上升速度極快（一般為幾到幾十納秒）的電壓陡波，這個電壓陡波沿著gis管道傳播，遇到波阻抗就會發(fā)生反射和折射，所有在gis中產(chǎn)生的多次反射和折射的各行波分量疊加在一起，就會形成波頭很陡、頻率高達幾十mhz甚至上百mhz數(shù)量級的陡波前過電壓，俗稱特快速暫態(tài)過電壓。隨著gis運行電壓和sf6氣壓的提高，特快速暫態(tài)過

14、電壓的影響日益嚴重，致使其在330kv及以上的電壓等級的gis中多次引起設(shè)備故障，它不但會在gis的主回路引起對地故障，還會造成相鄰設(shè)備的絕緣損壞。1.2 gis中vfto的危害實例（1）1992年廣東大亞灣核電站在調(diào)試過程中，進行切合空載變壓器的例行操作時，由于特快速暫態(tài)過電壓引起3350mva主變壓器一相主絕緣被擊穿。（2）巴西的grajau500kv運行期間，因隔離開關(guān)例行操作產(chǎn)生快速暫態(tài)過電壓造成500kv油紙?zhí)坠艿恼押妥儔浩鞴收希?）2001年浙江北侖電廠主變壓器損壞，原因也是因為快速暫態(tài)過電壓。（4）華東天荒坪蓄能電廠的500kv gis自98年以來，由于隔離開關(guān)例行操作，出現(xiàn)了

15、變壓器保護用氧化鋅避雷器頻繁動作的顯現(xiàn)，經(jīng)計算是由特快速暫態(tài)過電壓引起的。另外，廣東抽水蓄能電廠、四川二灘水電廠等也有類似的現(xiàn)象發(fā)生，經(jīng)調(diào)查也是快速暫態(tài)過電壓引起的。由于特快速暫態(tài)過電壓具有上升時間短，持續(xù)時間短，電壓變化快，發(fā)生頻率高等特點，對繞組電氣設(shè)備的絕緣具有一定威脅，且在支持絕緣子上和開路末端的過電壓幅值較高，容易引起gid內(nèi)部的閃絡(luò)的故障。1.3 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀隨著我國電力工業(yè)迅猛發(fā)展，輸電電壓等級不斷提高。目前，330kv輸電系統(tǒng)已在我國西北地區(qū)形成主網(wǎng)，我國其他地區(qū)為500kv電網(wǎng)覆蓋。2005年西北地區(qū)建設(shè)的第一條750kv線路已投入使用，世界上最高電壓等級的輸電系統(tǒng)交流1

16、000kv和800kv輸電系統(tǒng)正在積極推進中。gis技術(shù)的應(yīng)用也將從110、220、500kv應(yīng)用于750kv、1000kv甚至更高電壓等級的輸電系統(tǒng)。電壓等級的提高，意味著絕緣水平的提高。在超高壓及特高壓輸電系統(tǒng)中，gis等關(guān)鍵設(shè)備的安全可靠性更是超高壓及特高壓電網(wǎng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。80年代以來，國際上已有許多專家展開了特快速暫態(tài)現(xiàn)象產(chǎn)生機理、特征、影響因素、幅值分布情況，暫態(tài)電位升高（transient ground potential rise，簡稱tgpr）效應(yīng)，暫態(tài)電磁和電磁干擾等問題以及絕緣對這種陡波前過電壓耐受能力等方面的研究。1998年國際上還組織了由許多國家實驗室參加的強大研究

17、隊伍來主攻此課題，并對vft對一次設(shè)備絕緣影響及對二次回路和控制、保護系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾給予很大的關(guān)注。近年來隨著國內(nèi)高電壓等級gis的使用越來越普遍，電力系統(tǒng)受vfto的影響也越來越突出，我國學術(shù)界也正在進行大量這方面的研究國外對快速暫態(tài)過電壓的研究除現(xiàn)場實測外，主要是計算機的數(shù)值模擬計算，也有使用物理模型盡行實驗室模擬試驗。實驗室的優(yōu)點在于能形象地深入了解現(xiàn)象的發(fā)生過程，但由于受到實驗室設(shè)備的限制，很難改換系統(tǒng)的接線和調(diào)節(jié)原件的特性，還有由于在產(chǎn)品設(shè)計期間更不可能進行實測。對于計算機而言，則不像模擬裝置那樣，它沒有改變系統(tǒng)接線和參數(shù)的困難，一旦建立了比較準確地計算方法，就能有意識的根據(jù)計算分

18、析需要，改變某些參數(shù)，從而進行各種設(shè)備布局情況，不同運行方式下的計算?？h長實測，確實是最可靠的，實測結(jié)果固然比較可靠，但代價卻太高，并且由于安全、測量設(shè)備精度等方面的原因，所以此方法并沒有計算機模擬應(yīng)用廣泛。1.4 本文所做的工作本文以黑麋峰抽水蓄電站為研究背景，運用電磁暫態(tài)分析程序（emtp）對電路的搭建和仿真，從而得出不同操作方式下的內(nèi)部快速暫態(tài)過電壓（vfto），以知道gis絕緣的設(shè)計。首先，通過查閱資料對gis分類、產(chǎn)生的機理和特性進行了解。其次，是對電磁暫態(tài)分析程序（emtp）的學習，emtp是本次論文的主要仿真軟件。我們通過emtp，對電路模型的搭建及仿真最后，vfto的計算。以黑

19、麋峰550kv 抽水蓄電站為背景，首先，通過其主接線圖，我們確定可能的運行工況。然后，在不同運行工況方式下在emtp中分別進行電路的搭建及仿真。最后，通過仿真得出的波形我們找出每種運行工況下節(jié)點所產(chǎn)生vfto的最大值。3沈陽化工大學學士學位論文 第二章 gis隔離開關(guān)操作引起的vfto第二章 gis隔離開關(guān)操作引起的vfto2.1 gis中特快速暫態(tài)現(xiàn)象的分類gis中快速暫態(tài)現(xiàn)象來源于隔離開關(guān)、斷路器的例行操作及接地故障，是操作或故障時的電弧重燃引起的。各類快速暫態(tài)現(xiàn)象如圖2.1所示。gis快速暫態(tài)現(xiàn)象的來源1、 隔離開關(guān)、斷路器的操作2、現(xiàn)場實驗或運行過程的接地故障快速暫態(tài)現(xiàn)象內(nèi)部傳播在gi

20、s內(nèi)部傳播外部傳播在gis外部傳播內(nèi)部快速暫態(tài)過程外殼電壓瞬變過程電磁瞬變過程gis外部暫態(tài)過程trv作用于內(nèi)部導體的殼體vfto作用于內(nèi)部導體和殼體tve作用于外殼與地之間temf殼體向外輻射ftogis外部一次設(shè)備危害gis內(nèi)部設(shè)備危害二次設(shè)備危害gis相鄰設(shè)備圖2.1gis中各類快速暫態(tài)現(xiàn)象內(nèi)部暫態(tài)是在gis內(nèi)部的暫態(tài)過程，所形成的過電壓作用于gis內(nèi)部導體和殼體之間，危害gis內(nèi)部的絕緣，包括斷路器操作引起的瞬態(tài)恢復電壓（transient recovery voltage，簡稱trv），隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的快速暫態(tài)過電壓。外部暫態(tài)是由gis內(nèi)部暫態(tài)過電壓波傳播到gis外部引起的，包括危

21、及gis外的一次設(shè)備的暫態(tài)過電壓（fast transient overvoltage，簡稱fto），以及使gis的殼體電位升高的外殼暫態(tài)過電壓（transient enclosure voltage，簡稱tev），也可形成向外輻射的電磁波（temf），危及敏感的二次設(shè)備。因為gis內(nèi)、外的布局及阻尼效應(yīng)（傳輸損失，集膚效應(yīng)等）不同，沖擊陡波的折射、反射也不同，所以這些瞬變過程也具有不同的波形。2.2 vfto的產(chǎn)生機理和特性隔離開關(guān)動作速度緩慢，約為310cm/s,又沒有滅弧裝置，所以每一次操作都發(fā)生數(shù)十次設(shè)置數(shù)百次的復燃.。隔離開關(guān)觸頭間隙兩端的電壓在幾個納秒內(nèi)突然跌落，電壓陡波在gis內(nèi)

22、不斷產(chǎn)生行波，來回傳播，并且發(fā)生復雜的折射、反射和疊加。從而形成了幅值很高的暫態(tài)過電壓。因此，gis中危害較大的快速暫態(tài)過電壓主要因隔離開關(guān)的操作引起的。下面以圖2.2所示的隔離開關(guān)典型操作模式為例簡述vfto產(chǎn)生的機理。其中，us(t)為電源電壓，za為電源等效阻抗，l1，l2分別代表電源及負載側(cè)的母線。ul + ub - us(t) za l1 ds l2 圖2.2隔離開關(guān)開合電容電流的系統(tǒng)示意圖開斷前，隔離開關(guān)電壓（電源側(cè)電壓）及負載側(cè)電壓)相等，即；開斷后，仍按工頻電源電壓規(guī)律變化，負載側(cè)電壓則由于gis內(nèi)部絕緣子或母線泄漏電阻很高，殘余電荷衰減很慢（通常要數(shù)小時0，可視為一恒定不變的

23、直流電壓（vfto電壓行波跌落時間為納秒），其值由熄弧瞬間電壓決定。隨著時間的推移，觸頭間隙距離增大，介質(zhì)恢復電壓隨之線性增大。當觸頭兩端電壓差超過其決定的介質(zhì)恢復電壓時，間隙擊穿，從而出現(xiàn)第一次重燃，產(chǎn)生高頻率的快速暫態(tài)過電壓。由于頻率過高，在電流過零時電弧仍不會熄滅，知道高頻振蕩衰減完畢，電弧才會熄滅，第一次復燃過程結(jié)束。（1）幅值暫態(tài)過程中產(chǎn)生的行波在gis中傳播，遇到波阻抗就會發(fā)生折射和反射，所有波在gis中產(chǎn)生多次反射與折射的各行波分量疊加在一起就形成vfto。初始行波的上升時間和幅值對最后形成的vfto波形有一定影響，而行波的幅值則由擊穿瞬間隔離開關(guān)兩端沒一側(cè)的實際條件來決定，如母

24、線長度、阻抗改變的位置等。這些將依次決定真?zhèn)€暫態(tài)過電壓波形的峰值。由于gis隔離開關(guān)操作引起的高頻暫態(tài)過電壓可能達到多高的峰值，所持觀點不同，大多數(shù)情況下最高過電壓幅值（標么值）在2.5p.u.左右，有時也可能超過3.0p.u。（2）陡度 gis中所充的sf6氣體本身具有很高的絕緣強度，電器內(nèi)部所形成的電場都接近于均勻電場，在均勻的電場中sf6的工頻電氣強度約為空氣的3倍，因此間隙距離比同樣電壓等級的空氣間隙小得多。當隔離開關(guān)發(fā)生擊穿時，注如網(wǎng)絡(luò)的階躍波具有極高的陡度。ds斷口擊穿時會在幾納秒內(nèi)建立火花導電通道，在均勻或是、不均勻電場中形成vfto沖擊波的上升時間表示為 (2.1)式中，擊穿前

25、的電壓，kv; tippler火花常數(shù)，=50kvns/cm; 活化長度，cm。對于稍不均勻電場的gis絕緣系統(tǒng)，其擊穿場強很高，因而由公式（2.1）所求得的階躍行波的上升時間就非常小。其擊穿場強和絕緣氣體的壓力成正比?？梢酝ㄟ^下面公式近似求得 （2.2）其中：=860kv/(cmm pa)； p為氣體壓力 電場利用系數(shù)：0.50.8。 對于正常設(shè)計的gis，預(yù)期上升時間的最小值由以下公式進行估算 （2.3) 氣體壓力為0.1mpa時可以估算為15ns；氣體壓力為0.5mpa時僅為3ns。 一般情況下，為320ms，隨著電場的非均勻度而不同。電極凹凸不平、表面粗糙或存在微粒，均會導致上升時間加

26、長。由于極不均勻電場（如表面存在長針狀凸起），則在快速暫態(tài)擊穿發(fā)展過程中會因擊穿場強的降低而導致上升時間長達200ns。 vfto具有一定幅值，而且上升時間很短，波頭的陡度很大，尤其對主變等電感類設(shè)備產(chǎn)生很大威脅。（3） 頻率 vfto的頻率范圍非常廣，主要包含三種振蕩頻率分量，幾十到數(shù)百khz的基本頻率，由行波在gis內(nèi)發(fā)展形成的數(shù)十mhz的高頻，以及幅值腳底的數(shù)百mhz的特高頻。 1mhz左右的基本振蕩頻率主要由電源與負載側(cè)的電容與電感振蕩形成?；l振蕩頻率過電壓的幅值并不高，對gis的絕緣一般不構(gòu)成威脅，但對與gis相連的設(shè)備，可能會引起基本頻率諧振過電壓。幾十mhz的高頻振蕩頻率是vf

27、to在gis內(nèi)發(fā)展形成，其過電壓的幅值取決于隔離開關(guān)觸頭首次擊穿時隔離開關(guān)動靜觸頭間的等效電感和電容值及擊穿后系統(tǒng)的等效電感和電容值。高頻振蕩是vfto最重要的部分，是損壞電氣設(shè)備絕緣的重要因素，并且決定著gis的絕緣水平。更高頻率的特高頻振蕩是由于vfto在gis內(nèi)部相鄰部件間不斷折射、反射和疊加形成的，通常電壓幅值較低，所以對電氣設(shè)備的影像基本不用考慮。 2.3 vfto對設(shè)備絕緣的影響vfto出現(xiàn)在gis內(nèi)部，也傳播到gis外部，稱為fto。出現(xiàn)在架空線路與地之間，也出現(xiàn)在gis金屬外殼與地之間，同時，它還通過架空線傳播到與gis相連的其它電氣設(shè)備上。因而無論在gis內(nèi)部或外部，均可能遭

28、受vfto的威脅，在設(shè)備設(shè)計中必須考慮。（1） 老化效應(yīng)與一般切容性負荷的原理相同，gis隔離開關(guān)在切、合容性負載時，會產(chǎn)生多次重燃。燃弧時間相對于隔離開關(guān)的操作時間而言非常短，因此，隔離開關(guān)在動作一次有可能發(fā)生數(shù)十次甚至數(shù)百次的重燃。每一次重燃，就有可能產(chǎn)生vfto，并產(chǎn)生由引起的具有一定電壓幅值的快速瞬變過程，于是就有可能使gis內(nèi)部設(shè)備在一個相當短的時間內(nèi)經(jīng)受千次vfto的考驗。這對于其絕緣而言無異于接受一種性質(zhì)與截波相似的老化試驗，給絕緣帶來累積損傷。此外，電弧燃燒也會產(chǎn)生一些導電微粒，微粒在電場作用下很容易著附在絕緣部件表面，使絕緣子沿面閃絡(luò)電壓降低?？紤]到承受電壓和吸收能量后的熱容

29、量問題時，特別是環(huán)氧樹脂絕緣子、電容器等由熱產(chǎn)生老化和化學變化，從而導致強度性能和沿面放電性能大大降低。以電容器為例簡述熱老化效應(yīng)的危害，電容器的絕緣介質(zhì)工作壽命與有機絕緣材料老化的一邊規(guī)律相符，即 (2.4）式中，z絕緣介質(zhì)的工作壽命； u電容器的工作電壓； 取決于介質(zhì)材料與結(jié)構(gòu)的指數(shù)，一般取79。由上式可知，電容器工作電壓升高，可縮短其使用壽命。當電壓升高10%，電容器的壽命就要縮短1/2。如果長期承受過電壓作用。可使介質(zhì)損耗增大引起發(fā)熱，使介質(zhì)溫度升高，進一步引起分解、碳化等化學變化，從而導致電容器滲油，甚至爆炸。國內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)類似事故，應(yīng)該得到更多的重視（2） 形成匝間、層間過電壓電磁波

30、在氣體中傳播的速度為30cm/ns。因而對于一個上升時間為10ns，幅值為1p.u.的瞬時變量，在1ns內(nèi)就能將0.1p.u.的瞬變量傳送到跨度為30cm導線末端。當在變壓器、電容套管等結(jié)構(gòu)內(nèi)的匝間、層間時，電的傳播時間可以與陡波上升時間相比，陡波會在類似結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生很大的電位差。隔離開關(guān)觸頭間隙擊穿電壓瞬間產(chǎn)生的階躍行波傳到變壓器時，相當于在變壓器端部施加了一個陡波頭電壓波，可能在變壓器繞組內(nèi)部激發(fā)起極高的諧振過電壓。這一點對直接和非直接連接的變壓器有同樣的危害，只是后者遭受到的vfto電壓頻率較低。對于直接相連的變壓器，該陡波的上升時間只有數(shù)十納秒，遠小于雷電沖擊截波試驗的波頭上升時間（約

31、0.5us），而通過sf6油套管傳播引起的高達數(shù)兆赫的頻率，易在變壓器繞組上產(chǎn)生極不均勻的匝間電壓分布，危害很大。對于非直接相連的變壓器，因為陡波在傳輸過程中進過了兩個套管和一段架空線，使陡波頭趨于平緩，與雷電沖擊截波相近，能傳送的最高頻率約為1mhz左右。（3） 形成對二次設(shè)備的干擾電壓變電站中一次回路和二次回路之間存在著電和磁的聯(lián)系，因此，在一次回路發(fā)生的任何形式的暫態(tài)過程都會通過不同的耦合途徑傳入二次回路中形成暫態(tài)干擾。gis中的暫態(tài)電磁場耦合到外部環(huán)境中，本身是一個低能量現(xiàn)象，目前尚無記錄證明它對人身健康問題有直接的危險。但是，這種外部暫態(tài)電磁場將影響到gis外部的電子設(shè)備，可在電子電

32、路內(nèi)感應(yīng)電壓或電流。而暫態(tài)電流還會引起暫態(tài)電位升高，對二次側(cè)的測量、監(jiān)控設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。電磁場的頻率取決于gis的具體位置?？拷鼩んw電場的典型幅值可達每米數(shù)十千伏。由于電站內(nèi)的傳導干擾遠大于輻射干擾，計算二次電纜上的干擾電壓時，常常忽略輻射干擾。隨著gis設(shè)備額定電壓等級的提高，以及變電站中的計算機控制設(shè)備的增大，電磁兼容問題將會越來越值得關(guān)注。此外，當vfto在母線上傳播時，會因二次設(shè)備與高壓母線間的分布電容而耦合到二次電纜的芯線上，通過電流互感器（ta）或者電容耦合式電壓互感器（ccvt）的一次側(cè)及一次與二次的法拉第屏蔽層之間的寄生電容而容性地耦合到二次側(cè)。這樣，高壓母線上的暫態(tài)電壓電流

33、會直接耦合到屏蔽或未屏蔽的ta或ccvt電纜的內(nèi)部導線，進而對二次設(shè)備造成干擾。由于二次設(shè)備與控制室相連，是繼電保護、控制輸入信號的載體。干擾電壓以行波的形式傳播到二次電纜末端，將在監(jiān)控系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾電流及電壓，從而影響在線檢測及二次保護系統(tǒng)。2.4 vfto的預(yù)防措施及建議目前針對vfto較高的問題，提出了一些抑制措施，其中大多涉及隔離開關(guān)本身的設(shè)計制造問題，有的則是gis的設(shè)計和運行操作問題。（1）提高觸頭的分合閘速度?？梢詼p少重燃次數(shù)、縮短燃弧時間，使出現(xiàn)快速暫態(tài)過程的幾率減少，也可以在一定程度上降低過電壓幅值（2）在保持電場基本均勻或稍不均勻、不破壞開關(guān)絕緣的完整性的前提下，適當增加觸

34、頭間的不對稱（如不對稱度為15%），以降低殘余電荷。這一方面可以減少重燃過程，降低過電壓幅值，另一方面又可以減少分布在絕緣體表面的自由導電粒子的不均勻?qū)^緣強度的削弱。（3）在觸頭之間裝設(shè)分合閘電阻。研究表明，選用適當?shù)碾娮柚担s幾百歐姆），可以加快vfto衰減速度，減少對設(shè)備的損害。（4）采用氧化鋅避雷器保護。由于vfto波頭很陡，帶間隙的碳化硅避雷器不可能可靠保護，只有采用無間隙養(yǎng)護新避雷器來限制才比較有效。要注意每個避雷器對vfto的保護距離有限，可能需要幾個避雷器才能保護整個gis。（5）采用接地開關(guān)泄放殘余電荷。研究表明，接地開關(guān)動作能把vfto峰值有效限制在2p.u.左右。（6）目

35、前也有采用gis裝設(shè)電抗器的方法來限制vfto（7）在二次設(shè)備的入口處裝高頻濾波器，或者采用屏蔽措施，以減小vfto對二次設(shè)備的危害。7沈陽化工大學學士學位論文 第三章 電磁暫態(tài)程序emtp第三章 電磁暫態(tài)程序emtp3.1 程序主菜單emtp(electro magnetic transient program)是目前世界上使用最為普遍的電磁暫態(tài)計算軟件。它采用數(shù)值方法解決時域傳輸線方程的重要工具，其中無損線的電報方程的解決采用貝龍杰法。1984年以后，emtp程序主要分為兩個分支，一支以dcg為代表，試圖將emtp程序商業(yè)化；另一支即atpemtp，他繼續(xù)保持emtp程序的可免費性使用。a

36、tpemtp是時域計算電機械或電磁暫態(tài)現(xiàn)象的仿真軟件，能處理計算大型的復雜電路。對于pc機的版本，該軟件能處理3000個之路的電路、3000個節(jié)點、1200個開關(guān)、340個電源、460個非線性原件、45個同步發(fā)電機。圖3.1 atp主窗口系統(tǒng)菜單：包括可能的視窗作用：關(guān)閉，調(diào)整大小，恢復，移動，最小化，最大化或調(diào)整大小以及下一步。標題文本：標題文本在主視窗情況下啊的程序名和在電路視窗情況下的當前電路名。想要移動窗口，在標題文本區(qū)域壓下并拖拽。從主菜單可以選擇所有atp軟件提供功能。file：打開和保存電路文件，新建，輸入/輸出電路文件，創(chuàng)建附注和元文件/位圖文件，打印當前文件并退出edit：電

37、路編輯：復制/粘貼/刪除/多重復制/跳過/旋轉(zhuǎn)，選擇，移動標簽和復制圖畫到剪切板和撤銷/恢復等等view：工具欄，狀態(tài)欄和注釋欄開/關(guān)，縮放，更新和視窗選項atp：創(chuàng)建節(jié)點名，制作atp文件，編輯atp文件，atp文件設(shè)置，運行任務(wù)。objects：編輯幫助文件，為模型以及用戶指定的對象創(chuàng)建新的文件tools：圖標編輯器，幫助文件編輯器，文本編輯器，各種程序選項的設(shè)置 window：電路文件的安排，地圖窗口help：關(guān)于盒子和視窗幫助文件系統(tǒng)3.2 電路的搭建和參數(shù)的設(shè)置以圖3.2為例進行電路的搭建 圖3.2某搭建好的單項整流電路模型（1） 打開主菜單選擇新的命令，創(chuàng)建一個新的電路窗口（2）

38、電源：直流電源從下面選擇電源導線，如圖3.2所示 圖3.3 直流電源的選擇電阻和電感 依照電源 在原件菜單中選擇branch linear，然后依次選擇resistor和inductor原件 按照圖3.1連接到一起得到（3） 我們想測流過半導體電橋的電流?？梢酝ㄟ^增加一個測量開關(guān)（switch）來實現(xiàn)。在原件菜單中選擇probes3-phase和probe volt de 得到按上述會很簡單的把電路搭建成功，搭建好之后我們要進行參數(shù)的設(shè)置，下面我們以電壓源為例 用鼠標左鍵雙擊電壓源會出現(xiàn)如下圖所示窗口圖3.4電源參數(shù)設(shè)置圖我們要在這里對電壓源的參數(shù)進行設(shè)置設(shè)置好之后電擊ok，其余原件的參數(shù)設(shè)置

39、基本相同。3.3運行atp仿真 atp文件是一個atp需要來仿真一個電路的文件。atp文件可以通過atp菜單選擇make file命令。在建atp文件前，需要制定各種各樣的參數(shù)。這些參數(shù)的缺省值在atp.lin文件中已經(jīng)給出。修改這些參數(shù)可以通過setting/simulation下屬菜單選擇，如圖 圖3.5仿真基本參數(shù)設(shè)置間隔時間以秒計、仿真結(jié)束時間以分計、x opt=0電感以為單位、copt=-1電容以為單位。設(shè)置好后運行atp一次點擊run atp、make file as、plot xy得圖3.6運行atp得到的選擇節(jié)點仿真例如我們選擇v:vs電擊plot得到如圖所示波形圖3.7得到的

40、時域波形在atpd raw中按f3，在setting里選擇frequency scan我們還以通過對參數(shù)的設(shè)置得出頻域波形。5沈陽化工大學學士學位論文 第四章 550kv gis中vfto數(shù)值計算第四章 550kv gis中vfto數(shù)值計算4.1 gis部件瞬態(tài)特性 計算快速暫態(tài)過電壓的關(guān)鍵是獲得gis中元件的暫態(tài)模型和參數(shù)。只有對各元件進行合理的近似等效才能使數(shù)值計算結(jié)果更加準確。電力系統(tǒng)過電壓計算過程中，通常將變壓器視為集中的電感和電容；隔離開關(guān)燃弧時用一個電弧電阻和集中的等效電容并聯(lián)代替，閉合時視為短母線；接地開關(guān)、支撐絕緣子均視為集中的對地電容；斷開的斷路器用對地的集中電容代替；gis

41、母線采用bergeron模型來表示。（1） 集中原件電感l(wèi) 電感的電路模型如圖4.1a所示。對于集中原件電感l(wèi)，電感上的電壓 （4.1）或?qū)懗?（4.2）用數(shù)值計算求解，需要把時間離散成一系列時間間隔很小的時段，根據(jù)時刻的和來求t時刻的和。為此把（4.2）式改寫成從到的積分形式，即 （4.3）即 （4.4） 對式（4.4）右邊用梯形法進行積分后可得 （4.5） 考慮到，故（4.5）式可寫成 （4.6）令式中 （4.7） （4.8）則（4.6）式改寫為 （4.9）根據(jù)（4.9）式還可以得到圖4.1b所示的等值電路。其中，是電感l(wèi)的等值計算電阻，只要時間步長確定后，即可根據(jù)式（4.7）式可得。是電

42、感在暫態(tài)計算時的等值電流源，它可根據(jù)時刻電感的電流和端點電壓由（4.8）式求得。因為它是上一時刻的電流，故稱為歷史電流源。根據(jù)電感的暫態(tài)等值計算公式可以畫出如圖4.1所示的等值計算電路，電路中只包括電阻r和電流源。進一步利用對（4.9式遞推計算結(jié)果） （4.10）（4.8）式還可以簡化為遞推公式uk(t)ikm(t)kmrl=2l/tum(t)il(t-t) （4.11） ikm(t) mk+ ul(t)-uk (t)um(t) a) b) 圖4.1 電感的等值計算電路模型（2） 集中原件電容c 假設(shè)在兩節(jié)點k、m間有一電容c，如圖4.2a)所示。則，電容c上電壓和電流關(guān)系可表示為 （4.12

43、）或?qū)懗煞e分形式 （4.13）運用梯形公式，由上式可以得到 （4.14）又因為 (4.15) （4.16）其等值計算電路如圖4.2 b)所示。其中，和分別表示電容c在暫態(tài)計算時等值電阻和反映歷史記錄的等值電流源。經(jīng)過遞推計算，得到如下的電容等值電流源遞推公式 （4.17） uk(t)ikm(t)kmrc=l/2cum(t)il(t-t) ikm(t) mk+ uc(t)-uk (t)um(t) a) b) 圖4.2 電容的等值計算電路模型（3） 集中電阻原件r 對于集中的電阻原件r，如圖4.3所示。由于純電阻集中參數(shù)元件并不是儲能原件，其暫態(tài)過程與歷史記錄無關(guān)，電壓和電流的關(guān)系可以由下列代數(shù)方

44、程式?jīng)Q定： （4.18）rikm(t)kmuk(t)um(t) 圖4.3電阻的等值計算電路模型4.2 gis部件等效模型及參數(shù)（1）變壓器變壓器的入口等值電容個與它的電壓等級、容量和結(jié)構(gòu)有關(guān)。一般而言，電壓等級越高、變壓器的額定功率越大，入口電容相對較大。經(jīng)驗公式如下： （4.19）式中，電容的單位為pf，s為變壓器三相容量（mva）。500kv以上的電壓系統(tǒng)中n=4；220kv等級一下的電壓等級系統(tǒng)中n=3；750kv電壓等級系統(tǒng)中k=800；500kv電壓等級系統(tǒng)中k=940；110kv等級的電壓等級k=540。通常情況下，不同電壓等級變壓器的入口電容如表4.1. 表4.1 不同電壓等級變

45、壓器的入口電容值標稱電壓/kv35110220330500750入口電容/pf500100010002000150030002000500040006000800010000（2）gis母線gis母線采用無損均勻傳輸線模型。氣體絕緣變電站內(nèi)同軸母線導體、外殼與電纜內(nèi)導體和屏蔽導體的波阻抗可由（4.20）和（4.21）計算得到： (4.20)式中，r1為屏蔽導體的內(nèi)半徑，r2為內(nèi)導體的半徑。外殼導體的波阻抗： （4.21）式中，r3中為屏蔽導體的外半徑，h為屏蔽導體的高度（3）隔離開關(guān)隔離開關(guān)合閘時，對地等效電容為386pf；分閘時，動側(cè)接地情況下，靜觸頭對地電容為275pf；靜側(cè)接地情況下，動

46、觸頭對地電容為173pf。本文研究的vfto的產(chǎn)生過程是以納秒為單位，而ds動作速度較低（通常低速隔離開關(guān)的運動速度為310cm/s），因此納秒級下無需考慮ds觸頭分合速度對gis暫態(tài)過程的影響。本文取燃弧時的電弧電阻，其中，。（4）斷路器斷路器cb閉合時的對地等效電容為835pf。斷路器分閘時，需考慮觸頭間的均壓電容。本文涉及到的斷路器為雙斷口斷路器，每個斷口的極間電容為1040pf。（5）支撐絕緣子、電壓互感器和避雷器套管和彎管的對地總電容200pf，套管本身對地等效電容為126pf，電壓互感器等效電容為1000pf，避雷器等效電容為30pf（6）殘余電荷從絕緣配合角度而言，人們最關(guān)心vf

47、to的幅值倍數(shù)。vfto的幅值倍數(shù)的一個直接影響因素是母線上的殘余電荷電壓，殘余電荷電壓越高，vfto幅值越高。若要計算vfto幅值極限值，則需考慮重燃最嚴重的極端情形，即電源側(cè)電壓為峰值，母線殘余電荷電壓為電源電壓反極性峰值的情況，此時隔離開關(guān)電源側(cè)電壓為1.0p.u（）.，負載側(cè)電壓為-1.0p.u.。而在電網(wǎng)實際運行工況下，出現(xiàn)這種情況的概率非常小。gis內(nèi)部元件具體等效模型及參數(shù)分別見表3.1和3.2 表4.2 主要原件的等效模型元 件等 效 模 型備 注變壓器等效電感和入口電容隔離開關(guān)分閘時，等效為對地電容；合閘時，等效為短母線燃弧時的開關(guān)時變電阻和對地電容斷路器 分閘時，等效為極間

48、均壓電容；合閘時，等效為短母線套管 對地電容電流互感器 可忽略電壓互感器 對地電容避雷器 對地電容 表4.3 550kv系統(tǒng)中原件等效參數(shù)原件550kv gis變壓器5000pf斷路器合閘狀態(tài)分閘狀態(tài)350pf隔離開關(guān)分閘狀態(tài)125pf燃弧時動側(cè)對地56pf燃弧時靜側(cè)對地134pfgis管線63波速296m/套管320pf避雷器19pf電壓互感器400pf4.3 550kv gis內(nèi)部vfto仿真計算4.3.1 550kv gis工程概述及電氣接線圖本文以黑麋峰抽水蓄電站為研究背景。黑麋峰抽水蓄電站是湖南第一座規(guī)劃開發(fā)的抽水蓄電站，位于湖南省長沙市望城縣橋驛鎮(zhèn)境內(nèi)，電站樞紐建筑物由上水庫、輸水

49、庫、地下廠房系統(tǒng)、下水庫、地面開關(guān)站及中控樓副廠房等建筑物組成。上水庫正常蓄水位400.00m，總庫容量996.5萬m3，蓄能發(fā)電庫容842.4萬m3；下水庫正常蓄水位為103.70m，總庫容量959.3萬m3，調(diào)節(jié)庫容843.8萬m3。電站地下廠房安裝4臺單機容量為300mw的單級立軸混流可逆式機組，總裝機容量為1200mw。電站建成后，以1回500kv出現(xiàn)一級電壓接入湖南電網(wǎng)的沙坪變電站，輸電距離為15km，另預(yù)留1回500kv 備用出現(xiàn)場地。電站為日常調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，電站建成后將擔負湖南及華中電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及緊急事故備用等任務(wù)。注：24為主變壓器；25為sf6/油套管；26為電流互感器；27,37為隔離開關(guān)；28,38,39為接地開關(guān)；29,40為sf6管線；30,46為避雷器；31,32,33,34為電流互感器；35為高壓斷路器；36為電磁式電壓互感器；41為sf6/空氣套管；42為高壓電纜終端；43為高壓電纜；44為高頻阻波器；45為電容式電壓互感器圖4.1黑麋峰工程550kvgis氣隔圖圖4.2為黑麋峰抽水蓄能電站550kv變電站電氣主接線圖，其中標注了gis內(nèi)部各個元件之間的距離，以及母線和電纜的長度。 圖4.2黑麋峰工程550kv變電站電氣主接線意圖4.3.2 550kv gi