【文章內(nèi)容簡介】 O 在 GIS 內(nèi)發(fā)展形成，其過電 壓的幅值取決于隔離開關觸頭首次擊穿時隔離開關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，所以對電氣設備的影像基本不用考慮。 VFTO 對設備絕緣的影響 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 相連的其它電氣設備上。因而無論在 GIS 內(nèi)部或外部，均可能遭受 VFTO 的威脅，在設備設計中必須考慮。 沈陽化工大學學士學位論文 第二章 GIS 隔離開關操作引起的 VFTO 9 （ 1） 老化效應 與一般切容性負荷的原理相同， GIS 隔離開關在切、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的操作時間而言非常短，因此，隔離開關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，使絕緣子沿面閃絡電壓降低?？紤]到承受電壓和吸收能量后的熱容量問題時，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 ???AUZ (） 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)材料與結構的指數(shù)，一般取 7～ 9。 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?？墒菇橘|(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，應該得到更多的重視 （ 2） 形成匝間、層間過電壓 電磁波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，在 1ns 內(nèi)就能將 30cm 導線末端。當在變壓器、電容套管等結構內(nèi)的匝間、層間時，電的傳播時間可以與陡波上升時間相比，陡波會在類似結構內(nèi)部產(chǎn)生很大的電位差。 隔離開關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，遠小于雷電沖擊截沈陽化工大學學士學位論文 第二章 GIS 隔離開關操作引起的 VFTO 10 波試驗的波頭上升時間（約 ），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 外部的電子設備，可在電子電路內(nèi)感應電壓或電流。而暫態(tài)電流還會引起暫態(tài)電位升高，對二次側的測量、監(jiān)控設備產(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 設備額定電壓等級的提高，以及變電站中的計算機控制設備的增大，電磁兼容問題將會越來越值得關注。 此外，當 VFTO 在母線上傳播時，會因二次設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。這樣，高壓母線上的暫態(tài)電壓電流會直接耦合到屏蔽或未屏蔽的 TA 或 CCVT 電纜的內(nèi)部導線，進而對二次設備造成干擾。由于二次設備與控制室相連，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)。 VFTO 的預防措施及建議 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本身的設計制造問題，有的則是 GIS 的設計和運行操作問題。 （ 1）提高觸頭的分合閘速度。可以減少重燃次數(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、不破壞開關絕緣的完整性的前提下，適沈陽化工大學學士學位論文 第二章 GIS 隔離開關操作引起的 VFTO 11 當增加觸頭間的不對稱（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對絕緣強度的削弱。 （ 3）在觸頭 之間裝設分合閘電阻。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）采用接地開關泄放殘余電荷。研究表明，接地開關動作能把 VFTO 峰值有效限制在 。 （ 6）目前也有采用 GIS 裝設電抗器的方法來限制 VFTO （ 7）在二次設備的入口處裝高頻濾波器， 或者采用屏蔽措施，以減小 VFTO 對二次設備的危害。 沈陽化工大學學士學位論文 第三章 電磁暫態(tài)程序 EMTP 12 第三章 電磁暫態(tài)程序 EMTP 程序主菜單 EMTP(Electro Magic 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 ATP— EMTP，他繼續(xù)保持 EMTP 程序的可免費性使用。 ATP— EMTP 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、 340 個電源、 460 個非線性原件、 45 個同步發(fā)電機。 圖 ATP主窗口 系統(tǒng)菜單：包括可能的視窗作用：關閉，調(diào)整大小，恢復，移動，最小化，最大化或沈陽化工大學學士學位論文 第三章 電磁暫態(tài)程序 EMTP 13 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：電路編輯：復制 /粘貼 /刪除 /多重復制 /跳過 /旋轉，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，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 文件設置，運行任務。 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，各種程序選項的設置 Window：電路文件的安排，地圖窗口 Help： 關于盒子和視窗幫助文件系統(tǒng) 電路的搭建和參數(shù)的設置 以圖 為例進行電路的搭建 圖 （ 1） 打開主菜單選擇新的命令，創(chuàng)建一個新的電路窗口 （ 2） 電源：直流電源從下面選擇電源導線，如圖 所示 圖 直流電源的選擇 沈陽化工大學學士學位論文 第三章 電磁暫態(tài)程序 EMTP 14 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 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（ switch）來實現(xiàn)。在原件菜單中選擇 Probes﹠ 3phase 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 我們要在這里對電壓源的參數(shù)進行設置設置好之后電擊 OK，其余原件的參數(shù)設置基本相同。 沈陽化工大學學士學位論文 第三章 電磁暫態(tài)程序 EMTP 15 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 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 間隔時間以秒計、仿真結束時間以分計、 X opt=0 電感以mh為單位、 Copt=1 電容以uf為單位。設置好后運行 ATP 一次點擊 run ATP、 Make file as、 plot XY 得 圖 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 沈陽化工大學學士學位論文 第三章 電磁暫態(tài)程序 EMTP 16 圖 在 ATPD raw 中按 F3，在 setting 里選擇 Frequency scan 我們還以通過對參數(shù)的設置得出頻域波形。 沈陽化工大學學士學位論文 第四章 550KV GIS中 VFTO數(shù)值計算 17 第四章 550KV GIS 中 VFTO 數(shù)值計算 GIS 部件瞬態(tài)特性 計算快速暫態(tài)過電壓的關鍵是獲得 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、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 母線采用 Bergeron 模型來表示。 （ 1） 集中原件電感 L 電感的電路模型如圖 所示。對于集中原件電感 L，電感上的電壓? ? ? ?dt tdiLtu kmL ? （ ） 或寫成 ? ? ? ?dttuLtdi Lkm 1? （ ） 用數(shù)值計算求解，需要把時間離散成一系列時間間隔 t? 很小的時段，根據(jù) tt ??時刻的 ? ?ttuL ?? 和 ? ?ttikm ?? 來求 t 時刻的 ??tuL 和 ??tikm 。為此把（ ）式改寫成從?t?到 t 的積分形式，即