【正文】 現(xiàn)象的仿真軟件，能處理計(jì)算大型的復(fù)雜電路。它采用數(shù)值方法解決時(shí)域傳輸線方程的重要工具，其中無(wú)損線的電報(bào)方程的解決采用貝龍杰法。 （ 6）目前也有采用 GIS 裝設(shè)電抗器的方法來(lái)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(duì)二次設(shè)備的危害。 （ 5）采用接地開(kāi)關(guān)泄放殘余電荷。由于 VFTO 波頭很陡，帶間隙的碳化硅避雷器不可能可靠保護(hù)，只有采用無(wú)間隙養(yǎng)護(hù)新避雷器來(lái)限制才比較有效。研究表明，選用適當(dāng)?shù)碾娮柚担s幾百歐姆），可以加快 VFTO 衰減速度，減少對(duì)設(shè)備的損害。這一方面可以減少重燃過(guò)程，降低過(guò)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(dǎo)電粒子的不均勻?qū)^緣強(qiáng)度的削弱。 （ 1）提高觸頭的分合閘速度。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(cè)及二次保護(hù)系統(tǒng)。這樣，高壓母線上的暫態(tài)電壓電流會(huì)直接耦合到屏蔽或未屏蔽的 TA 或 CCVT 電纜的內(nèi)部導(dǎo)線，進(jìn)而對(duì)二次設(shè)備造成干擾。隨著 GIS 設(shè)備額定電壓等級(jí)的提高，以及變電站中的計(jì)算機(jī)控制設(shè)備的增大，電磁兼容問(wèn)題將會(huì)越來(lái)越值得關(guān)注?？拷鼩んw電場(chǎng)的典型幅值可達(dá)每米數(shù)十千伏。而暫態(tài)電流還會(huì)引起暫態(tài)電位升高，對(duì)二次側(cè)的測(cè)量、監(jiān)控設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。 GIS中的暫態(tài)電磁場(chǎng)耦合到 外部環(huán)境中，本身是一個(gè)低能量現(xiàn)象，目前尚無(wú)記錄證明它對(duì)人身健康問(wèn)題有直接的危險(xiǎn)。對(duì)于非直接相連的變壓器，因?yàn)槎覆ㄔ趥鬏斶^(guò)程中進(jìn)過(guò)了兩個(gè)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。這一點(diǎn)對(duì)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。當(dāng)在變壓器、電容套管等結(jié)構(gòu)內(nèi)的匝間、層間時(shí)，電的傳播時(shí)間可以與陡波上升時(shí)間相比，陡波會(huì)在類似結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生很大的電位差。國(guó)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(guò)電壓 電磁波在氣體中傳播的速度為 30cm/ns。如果長(zhǎng)期承受過(guò)電壓作用。 由上式可知，電容器工作電壓升高，可縮短其使用壽命?？紤]到承受電壓和吸收能量后的熱容量問(wèn)題時(shí)，特別是環(huán)氧樹(shù)脂絕緣子、電容器等由熱產(chǎn)生老化和化學(xué)變化，從而導(dǎo)致強(qiáng)度性能和沿面放電性能大大降低。這對(duì)于其絕緣而言無(wú)異于接受一種性質(zhì)與截波相似的老化試驗(yàn)，給絕緣帶 來(lái)累積損傷。燃弧時(shí)間相對(duì)于隔離開(kāi)關(guān)的操作時(shí)間而言非常短，因此，隔離開(kāi)關(guān)在動(dòng)作一次有可能發(fā)生數(shù)十次甚至數(shù)百次的重燃。因而無(wú)論在 GIS 內(nèi)部或外部，均可能遭受 VFTO 的威脅，在設(shè)備設(shè)計(jì)中必須考慮。 VFTO 對(duì)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。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。基頻振蕩頻率過(guò)電壓的幅值并不高，對(duì) GIS 的絕緣一般不構(gòu)成威脅，但對(duì)與 GIS 相連的設(shè)備，可能會(huì)引起基本頻率諧振過(guò)電壓。 （ 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。由于極不均勻電場(chǎng)（如表面存在長(zhǎng)針狀凸起），則在快速暫態(tài)擊穿發(fā)展過(guò)程中會(huì)因擊穿場(chǎng)強(qiáng) lu/? 的降低而導(dǎo)致上升時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 200ns。 一般情況下， rt 為 3～ 20ms，隨著電場(chǎng)的非均勻度而不同。 M Pa)； P 為氣體壓力 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 GIS 隔離開(kāi)關(guān)操作引起的 VFTO 8 電場(chǎng)利用系數(shù)： ?? m a cm EE /m a x? — 。其擊穿場(chǎng)強(qiáng) ? ?luE /0 ? 和絕緣氣體的壓lu/? 力成正比。 l— 活化長(zhǎng)度， cm。 DS 斷口擊穿時(shí)會(huì)在幾納秒內(nèi)建立火花導(dǎo)電通道，在均勻或是、不均勻電場(chǎng)中形成 VFTO 沖擊波的上升時(shí)間表示為 ? ?luKt tr // ?? () 式中， u? — 擊穿前的電壓， KV。 （ 2）陡度 GIS 中所充的 SF6 氣體本身具有很高的絕緣強(qiáng)度，電器內(nèi)部所形成的電場(chǎng)都接近于均勻電場(chǎng)，在均勻的電場(chǎng)中 SF6 的工頻電氣強(qiáng)度約為空氣的 3 倍，因此間隙距離比同樣電壓等級(jí)的空氣間隙小得多。這些將依次決定真?zhèn)€暫態(tài)過(guò)電壓波形的峰值。 （ 1）幅值 暫態(tài)過(guò)程中產(chǎn)生的行波在 GIS 中傳播，遇到波阻抗就會(huì)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。當(dāng)觸頭兩端電壓差超過(guò)其+ uB uL 沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第二章 GIS 隔離開(kāi)關(guān)操作引起的 VFTO 7 決定的介質(zhì)恢復(fù)電壓 Bu時(shí)，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(guò)電壓。 us(t) Za l1 DS l2 圖 開(kāi)斷前，隔離開(kāi)關(guān)電壓)(tus（電源側(cè)電壓）及)(tuL負(fù)載側(cè)電壓 )相等，即Ls uu?；開(kāi)斷后，su仍按工頻電源電壓規(guī)律變化，負(fù)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(shí) 0，可視為一恒定不變的直流電壓（ VFTO 電壓行波跌落時(shí)間為納秒），其值由熄弧瞬間電壓 Lu決定。 下面以圖 所示的隔離開(kāi)關(guān)典型操作模式為例簡(jiǎn)述 VFTO 產(chǎn)生的機(jī)理。從而形成了幅值很高的暫態(tài)過(guò)電壓。 VFTO 的產(chǎn)生機(jī)理和特性 隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作速度緩慢，約為 3～ 10cm/s,又沒(méi)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(fù)燃 .。外部暫態(tài)是由 GIS 內(nèi)部暫態(tài)過(guò)電壓波傳播到 GIS 外部引起的，包括危及 GIS 外的一次設(shè)備的暫態(tài)過(guò)電壓（ Fast Transient Overvoltage，簡(jiǎn)稱 FTO），以及使 GIS 的殼體電位升高的外殼暫態(tài)過(guò)電壓（ Transient Enclosure Voltage，簡(jiǎn)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。各類快速暫態(tài)現(xiàn)象如圖 所示。最后，通過(guò)仿真得出的波形我們找出每種運(yùn)行工況下節(jié)點(diǎn)所產(chǎn)生VFTO 的最大值。以黑麋峰 550KV 抽水蓄電站為背景，首先，通過(guò)其主接線圖，我們確定可能的運(yùn)行工況。 其次，是對(duì)電磁暫態(tài)分 析程序（ EMTP）的學(xué)習(xí)， EMTP 是本次論文的主要仿真軟件。 本文所做的工作 本文以黑麋峰抽水蓄電站為研究背景，運(yùn)用電磁暫態(tài)分析程序（ EMTP）對(duì)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(guò)電壓（ VFTO），以知道 GIS絕緣的設(shè)計(jì)。對(duì)于計(jì)算機(jī)而言，則不像模擬裝置那樣，它沒(méi)有改變系統(tǒng)接線和參數(shù)的困難，一旦建立了比較準(zhǔn)確地計(jì) 算方法，就能有意識(shí)的根據(jù)計(jì)算分析需要，改變某些參數(shù)，從而進(jìn)行各種設(shè)備布局情況，不同運(yùn)行方式下的計(jì)算。近年來(lái)隨著國(guó)內(nèi)高電壓等級(jí) GIS 的使用越來(lái)越普遍，電力系統(tǒng)受 VFTO 的影響也越來(lái)越突出，我國(guó)學(xué)術(shù)界也正在進(jìn)行大量這方面的研究 國(guó)外對(duì)快速暫態(tài)過(guò)電壓的研究除現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)外，主要是計(jì)算機(jī)的數(shù)值模擬計(jì)算，也有使用物理模型盡行實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)。 80 年代以來(lái)，國(guó)際上已有許多專家展開(kāi)了特快速暫態(tài)現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)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(jiǎn)稱 TGPR）效應(yīng)，暫態(tài)電磁和電磁干擾等問(wèn)題以及絕緣對(duì)這種陡波前過(guò)電壓耐受能力等方面的研究。電壓等級(jí)的提高，意味著絕緣水平的提高。 2020 年西北地區(qū)建設(shè)沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第一章 緒論 3 的第一條 750kV 線路已投入使用，世界上最高電壓等級(jí)的輸電系統(tǒng) —— 交流 1000kV和 800kV 輸電系統(tǒng)正在積極推進(jìn)中。 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 隨著我國(guó)電力工業(yè)迅猛發(fā)展，輸電電壓等級(jí)不斷提高。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(guò)電壓引起的。 （ 2）巴西的 Grajau500KV 運(yùn)行期間，因隔離開(kāi)關(guān)例行操作產(chǎn)生快速暫態(tài)過(guò)電壓造成500KV 油紙?zhí)坠艿恼押妥儔浩鞴收? （ 3） 2020 年浙江北侖電廠主變壓器損壞，原因也是因?yàn)榭焖贂簯B(tài)過(guò)電壓。隨著GIS 運(yùn)行電壓和 SF6 氣壓的提高，特快速暫態(tài)過(guò)電壓的影響日益嚴(yán)重，致使其在 330KV及以上的電壓等級(jí)的 GIS 中多次引起設(shè)備故障，它不但會(huì)在 GIS 的主回路引起對(duì)地故障，還會(huì)造成相鄰設(shè)備的絕緣損壞。目前，隨著 GIS 電壓等級(jí)的提沈陽(yáng)化工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第一章 緒論 2 高，土地資源、環(huán)境保護(hù)和人才費(fèi)用的上漲，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加明顯， GIS 的發(fā)展和前景可觀。 我國(guó)的 GIS 的運(yùn)行電壓已經(jīng)達(dá)到 750KV，分別在我國(guó)西北電網(wǎng) 750KV 示范工程的官?gòu)d和蘭州東變電站，于 2020 年底正式并網(wǎng)投入商業(yè)運(yùn)行。我國(guó)目前正在進(jìn)行的晉東南— 南陽(yáng) — 荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程，計(jì)劃采用 HGIS 設(shè)備。以 550kV 一個(gè)斷路器接線的 HGIS、 GIS、 AIS 相比， HGIS 的產(chǎn)品價(jià)格比 GIS 省 53%，是 AIS 的 倍。 20 世紀(jì) 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(kāi)關(guān)設(shè)備 HGIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)，又稱緊湊型組合式高壓開(kāi)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。它因與常規(guī)空氣絕緣變電站（ Air Insulated Substation，簡(jiǎn)稱AIS）相比而具有顯著的優(yōu)點(diǎn)，近幾十年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 calculation model 目 錄 第一章 緒論 ................................................................................................... 1 概述 ...................................................................................................... 1 GIS 中 VFTO 的危害實(shí)例 ................................................................. 2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 ............................................................................ 2 本文所做的工作 ................................................................................ 3 第二章 GIS 隔離開(kāi)關(guān)操作引起的 VFTO..................................................... 5 GIS 中特快速暫態(tài)現(xiàn)象的分類 .......................................................... 5 VFTO 的產(chǎn)生機(jī)理和特性 ................................................................. 6 VFTO 對(duì)設(shè)備絕緣的影響 ................................................................. 8 VFTO 的預(yù)防措施及建議 ................................................................ 10 第三章 電磁暫態(tài)程序 EMTP .....................................................................12 程序主菜單 ......................................................................................12 電路的搭建和參數(shù)的設(shè)置 .............................................................. 13 運(yùn)行 ATP 仿真 ................................................