550KVGIS隔离开关产生的过电压计算

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1、摘要随着我国电力工业的高速发展和电压等级的不断提高，气体绝缘变电站（GIS）在我国电力系统中的应用越来越广泛。气体绝缘变电站的特快速暂态过程对运行安全可靠性的影响也得到了越来越高的重视，尤其是GIS在我国特高压电网中的应用前景使其受关注不断提高。近年来GIS隔离开关操作引起的快速暂态问题更加突出，主要是以GIS中陡波前过电压（VFTO）对设备本身与相邻设备的影响，因此通过VFTO的计算以指导超、特高压GIS绝缘设计。 首先介绍了GIS产生的机理与其结构和特性，其次是关于电磁暂态程序（EMTP）的学习，最后是对VFTO的计算。以550KV GIS为例，首先，计算模型与其等效参数的确定，根据现有文

2、献资料确定主线路和GIS部元件的计算模型和具体的等效参数。其次，确定GIS的操作方式，根据有关的论文资料以与电站的电气接线特点确定GIS的具体操作方式。最后，针对每一种操作方式，计算由隔离开关操作引起的VFTO值。 通过分析对不同运行工况下GIS部各节点的快速暂态过电压，从而确定VFTO是否会对设备本身以与相邻设备造成危害，以此来指导GIS的绝缘设计。关键词：GIS；VFTO；EMTP;计算模型AbstractWiththe high speed development of our country electric power industry and the increasing of v

3、oltage 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 uhv

4、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 VFTO th

5、rough 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, the d

6、etermination 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 pape

7、r 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 different

8、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 model4 / 39目 录第一章 绪论11.1概述11.2 GIS中VFTO的危害实例21.3 国外的研究现状21.4 本文所做的工作3第二章 GIS

9、隔离开关操作引起的VFTO52.1 GIS中特快速暂态现象的分类52.2 VFTO的产生机理和特性62.3 VFTO对设备绝缘的影响82.4 VFTO的预防措施与建议10第三章 电磁暂态程序EMTP123.1 程序主菜单123.2 电路的搭建和参数的设置133.3运行ATP仿真15第四章 550KV GIS中VFTO数值计算174.1 GIS部件瞬态特性174.2 GIS部件等效模型与参数204.3 550KV GIS部VFTO仿真计算234.3.1 550KV GIS工程概述与电气接线图234.3.2 550KV GIS电气接线与隔离开关的操作方式254.3.3 550KV GIS计算结果2

10、7第五章 总结31参考文献32致 33附 录：不同运行方式VFTO波形34第一章 绪论1.1概述全封闭气体绝缘变电站（Gas Insulated Substations也译作 Gas InsulatedSwitchgear，简称 GIS）是一种将高压电器存放于接地的密封金属壳，以高压气体为主要绝缘介质的电站。它因与常规空气绝缘变电站（Air Insulated Substation，简称AIS）相比而具有显著的优点，近几十年来得到了越来越广泛的应用。这些优点主要包括：由于应用了绝缘性能和灭弧性能良好的SF6气体，将断路器、隔离开关、电压和电流互感器等设备都密封在接地外壳中，从而实现了变电站的紧

11、凑化，减小了变电站场地面积和辅助设施的建设费用，提高了电气设备的运行可靠性和安全性，不易受外界环境影响，可靠性高，维护量小，对大气过电压的保护性能好，布局灵活，便于扩展等。20世纪90年代后期，世界上还出现了一种介于GIS和AIS之间的新型高压开关设备HGIS(Hybrid Gas Insulated Switchgear)，又称紧凑型组合式高压开关设备，它的结构与GIS基本一样，但不包括母线设备，即母线不装于SF6气室，而是外露的。这与空气绝缘变电站相比，提高了设备的可靠性；而与GIS设备相比，省略了封闭式母线，大大节省了费用。以550kV一个断路器接线的HGIS、GIS、AIS相比，HGI

12、S的产品价格比GIS省53%，是AIS的1.5倍。计入地皮费、土方开挖费用后，变电站总投资估计比用GIS省45%50%，比用AIS贵约30%左右。我国目前正在进行的晋东南特高压交流试验示工程，计划采用HGIS设备。HGIS设备在我国的应用前景将会很广泛。我国的GIS的运行电压已经达到750KV，分别在我国西北电网750KV示工程的官厅和东变电站，于2005年底正式并网投入商业运行。另外，我国也已经有相当多的大型水电站、火车变电站采用GIS作为出线变电站，例如我国西电东送工程中位于黄河上游的拉西瓦水电站，出线平台受该电站所处高山险谷地理位置的限制，为了减少洞穴开挖的工程量，也将采用气体绝缘变电站

13、。目前，随着GIS电压等级的提高，土地资源、环境保护和人才费用的上涨，其应用优势更加明显，GIS的发展和前景可观。在GIS中，由于断路器、隔离开关、以与接地开关操作或带电线路对地闪络，甚至雷电波的入侵，都可能会在GIS部产生一个上升速度极快（一般为几到几十纳秒）的电压陡波，这个电压陡波沿着GIS管道传播，遇到波阻抗就会发生反射和折射，所有在GIS中产生的多次反射和折射的各行波分量叠加在一起，就会形成波头很陡、频率高达几十MHz甚至上百MHz数量级的陡波前过电压，俗称特快速暂态过电压。随着GIS运行电压和SF6气压的提高，特快速暂态过电压的影响日益严重，致使其在330KV与以上的电压等级的GIS

14、中多次引起设备故障，它不但会在GIS的主回路引起对地故障，还会造成相邻设备的绝缘损坏。1.2 GIS中VFTO的危害实例（1）1992年大亚湾核电站在调试过程中，进行切合空载变压器的例行操作时，由于特快速暂态过电压引起3350MVA主变压器一相主绝缘被击穿。（2）巴西的Grajau500KV运行期间，因隔离开关例行操作产生快速暂态过电压造成500KV油纸套管的炸裂和变压器故障（3）2001年北仑电厂主变压器损坏，原因也是因为快速暂态过电压。（4）华东天荒坪蓄能电厂的500KV GIS自98年以来，由于隔离开关例行操作，出现了变压器保护用氧化锌避雷器频繁动作的显现，经计算是由特快速暂态过电压引起

15、的。另外，抽水蓄能电厂、二滩水电厂等也有类似的现象发生，经调查也是快速暂态过电压引起的。由于特快速暂态过电压具有上升时间短，持续时间短，电压变化快，发生频率高等特点，对绕组电气设备的绝缘具有一定威胁，且在支持绝缘子上和开路末端的过电压幅值较高，容易引起GID部的闪络的故障。1.3 国外的研究现状随着我国电力工业迅猛发展，输电电压等级不断提高。目前，330kV输电系统已在我国西北地区形成主网，我国其他地区为500kV电网覆盖。2005年西北地区建设的第一条750kV线路已投入使用，世界上最高电压等级的输电系统交流1000kV和800kV输电系统正在积极推进中。GIS技术的应用也将从110、220

16、、500kV应用于750kV、1000kV甚至更高电压等级的输电系统。电压等级的提高，意味着绝缘水平的提高。在超高压与特高压输电系统中，GIS等关键设备的安全可靠性更是超高压与特高压电网稳定运行的基础。80年代以来，国际上已有许多专家展开了特快速暂态现象产生机理、特征、影响因素、幅值分布情况，暂态电位升高（Transient Ground Potential Rise，简称TGPR）效应，暂态电磁和电磁干扰等问题以与绝缘对这种陡波前过电压耐受能力等方面的研究。1998年国际上还组织了由许多国家实验室参加的强大研究队伍来主攻此课题，并对VFT对一次设备绝缘影响与对二次回路和控制、保护系统所产生的

17、干扰给予很大的关注。近年来随着国高电压等级GIS的使用越来越普遍，电力系统受VFTO的影响也越来越突出，我国学术界也正在进行大量这方面的研究国外对快速暂态过电压的研究除现场实测外，主要是计算机的数值模拟计算，也有使用物理模型尽行实验室模拟试验。实验室的优点在于能形象地深入了解现象的发生过程，但由于受到实验室设备的限制，很难改换系统的接线和调节原件的特性，还有由于在产品设计期间更不可能进行实测。对于计算机而言，则不像模拟装置那样，它没有改变系统接线和参数的困难，一旦建立了比较准确地计算方法，就能有意识的根据计算分析需要，改变某些参数，从而进行各种设备布局情况，不同运行方式下的计算。县长实测，确实

18、是最可靠的，实测结果固然比较可靠，但代价却太高，并且由于安全、测量设备精度等方面的原因，所以此方法并没有计算机模拟应用广泛。1.4 本文所做的工作本文以黑麋峰抽水蓄电站为研究背景，运用电磁暂态分析程序（EMTP）对电路的搭建和仿真，从而得出不同操作方式下的部快速暂态过电压（VFTO），以知道GIS绝缘的设计。首先，通过查阅资料对GIS分类、产生的机理和特性进行了解。其次，是对电磁暂态分析程序（EMTP）的学习，EMTP是本次论文的主要仿真软件。我们通过EMTP，对电路模型的搭建与仿真最后，VFTO的计算。以黑麋峰550KV 抽水蓄电站为背景，首先，通过其主接线图，我们确定可能的运行工况。然后，

19、在不同运行工况方式下在EMTP中分别进行电路的搭建与仿真。最后，通过仿真得出的波形我们找出每种运行工况下节点所产生VFTO的最大值。第二章 GIS隔离开关操作引起的VFTO2.1 GIS中特快速暂态现象的分类GIS中快速暂态现象来源于隔离开关、断路器的例行操作与接地故障，是操作或故障时的电弧重燃引起的。各类快速暂态现象如图2.1所示。GIS快速暂态现象的来源1、 隔离开关、断路器的操作2、现场实验或运行过程的接地故障快速暂态现象内部传播在GIS内部传播外部传播在GIS外部传播内部快速暂态过程外壳电压瞬变过程电磁瞬变过程GIS外部暂态过程TRV作用于内部导体的壳体VFTO作用于内部导体和壳体TV

20、E作用于外壳与地之间TEMF壳体向外辐射FTOGIS外部一次设备危害GIS内部设备危害二次设备危害GIS相邻设备图2.1GIS中各类快速暂态现象部暂态是在GIS部的暂态过程，所形成的过电压作用于GIS部导体和壳体之间，危害GIS部的绝缘，包括断路器操作引起的瞬态恢复电压（TransientRecovery Voltage，简称TRV），隔离开关操作产生的快速暂态过电压。外部暂态是由GIS部暂态过电压波传播到GIS外部引起的，包括危与GIS外的一次设备的暂态过电压（Fast Transient Overvoltage，简称FTO），以与使GIS的壳体电位升高的外壳暂态过电压（Transient

21、Enclosure Voltage，简称TEV），也可形成向外辐射的电磁波（TEMF），危与敏感的二次设备。因为GIS、外的布局与阻尼效应（传输损失，集肤效应等）不同，冲击陡波的折射、反射也不同，所以这些瞬变过程也具有不同的波形。2.2 VFTO的产生机理和特性隔离开关动作速度缓慢，约为310cm/s,又没有灭弧装置，所以每一次操作都发生数十次设置数百次的复燃.。隔离开关触头间隙两端的电压在几个纳秒突然跌落，电压陡波在GIS不断产生行波，来回传播，并且发生复杂的折射、反射和叠加。从而形成了幅值很高的暂态过电压。因此，GIS中危害较大的快速暂态过电压主要因隔离开关的操作引起的。下面以图2.2所示

22、的隔离开关典型操作模式为例简述VFTO产生的机理。其中，Us(t)为电源电压，Za为电源等效阻抗，l1，l2分别代表电源与负载侧的母线。uL+ uB -us(t) Za l1 DS l2图2.2隔离开关开合电容电流的系统示意图开断前，隔离开关电压（电源侧电压）与负载侧电压)相等，即；开断后，仍按工频电源电压规律变化，负载侧电压则由于GIS部绝缘子或母线泄漏电阻很高，残余电荷衰减很慢（通常要数小时0，可视为一恒定不变的直流电压（VFTO电压行波跌落时间为纳秒），其值由熄弧瞬间电压决定。随着时间的推移，触头间隙距离增大，介质恢复电压随之线性增大。当触头两端电压差超过其决定的介质恢复电压时，间隙击穿

23、，从而出现第一次重燃，产生高频率的快速暂态过电压。由于频率过高，在电流过零时电弧仍不会熄灭，知道高频振荡衰减完毕，电弧才会熄灭，第一次复燃过程结束。（1）幅值暂态过程中产生的行波在GIS中传播，遇到波阻抗就会发生折射和反射，所有波在GIS中产生多次反射与折射的各行波分量叠加在一起就形成VFTO。初始行波的上升时间和幅值对最后形成的VFTO波形有一定影响，而行波的幅值则由击穿瞬间隔离开关两端没一侧的实际条件来决定，如母线长度、阻抗改变的位置等。这些将依次决定真个暂态过电压波形的峰值。由于GIS隔离开关操作引起的高频暂态过电压可能达到多高的峰值，所持观点不同，大多数情况下最高过电压幅值（标么值）在

24、2.5p.u.左右，有时也可能超过3.0p.u。（2）陡度 GIS中所充的SF6气体本身具有很高的绝缘强度，电器部所形成的电场都接近于均匀电场，在均匀的电场中SF6的工频电气强度约为空气的3倍，因此间隙距离比同样电压等级的空气间隙小得多。当隔离开关发生击穿时，注如网络的阶跃波具有极高的陡度。DS断口击穿时会在几纳秒建立火花导电通道，在均匀或是、不均匀电场中形成VFTO冲击波的上升时间表示为 (2.1)式中，击穿前的电压，KV;Tippler火花常数，=50kVns/cm;活化长度，cm。对于稍不均匀电场的GIS绝缘系统，其击穿场强很高，因而由公式（2.1）所求得的阶跃行波的上升时间就非常小。其

25、击穿场强和绝缘气体的压力成正比。可以通过下面公式近似求得 （2.2）其中：=860kV/(cmM Pa)；P为气体压力 电场利用系数：0.50.8。 对于正常设计的GIS，预期上升时间的最小值由以下公式进行估算（2.3) 气体压力为0.1MPa时可以估算为15ns；气体压力为0.5MPa时仅为3ns。 一般情况下，为320ms，随着电场的非均匀度而不同。电极凹凸不平、表面粗糙或存在微粒，均会导致上升时间加长。由于极不均匀电场（如表面存在长针状凸起），则在快速暂态击穿发展过程中会因击穿场强的降低而导致上升时间长达200ns。 VFTO具有一定幅值，而且上升时间很短，波头的陡度很大，尤其对主变等电

26、感类设备产生很大威胁。（3） 频率 VFTO的频率围非常广，主要包含三种振荡频率分量，几十到数百kHz的基本频率，由行波在GIS发展形成的数十MHz的高频，以与幅值脚底的数百MHz的特高频。 1MHz左右的基本振荡频率主要由电源与负载侧的电容与电感振荡形成。基频振荡频率过电压的幅值并不高，对GIS的绝缘一般不构成威胁，但对与GIS相连的设备，可能会引起基本频率谐振过电压。几十MHz的高频振荡频率是VFTO在GIS发展形成，其过电压的幅值取决于隔离开关触头首次击穿时隔离开关动静触头间的等效电感和电容值与击穿后系统的等效电感和电容值。高频振荡是VFTO最重要的部分，是损坏电气设备绝缘的重要因素，并

27、且决定着GIS的绝缘水平。更高频率的特高频振荡是由于VFTO在GIS部相邻部件间不断折射、反射和叠加形成的，通常电压幅值较低，所以对电气设备的影像基本不用考虑。 2.3 VFTO对设备绝缘的影响VFTO出现在GIS部，也传播到GIS外部，称为FTO。出现在架空线路与地之间，也出现在GIS金属外壳与地之间，同时，它还通过架空线传播到与GIS相连的其它电气设备上。因而无论在GIS部或外部，均可能遭受VFTO的威胁，在设备设计中必须考虑。（1） 老化效应与一般切容性负荷的原理一样，GIS隔离开关在切、合容性负载时，会产生多次重燃。燃弧时间相对于隔离开关的操作时间而言非常短，因此，隔离开关在动作一次有

28、可能发生数十次甚至数百次的重燃。每一次重燃，就有可能产生VFTO，并产生由引起的具有一定电压幅值的快速瞬变过程，于是就有可能使GIS部设备在一个相当短的时间经受千次VFTO的考验。这对于其绝缘而言无异于接受一种性质与截波相似的老化试验，给绝缘带来累积损伤。此外，电弧燃烧也会产生一些导电微粒，微粒在电场作用下很容易着附在绝缘部件表面，使绝缘子沿面闪络电压降低。考虑到承受电压和吸收能量后的热容量问题时，特别是环氧树脂绝缘子、电容器等由热产生老化和化学变化，从而导致强度性能和沿面放电性能大大降低。以电容器为例简述热老化效应的危害，电容器的绝缘介质工作寿命与有机绝缘材料老化的一边规律相符，即(2.4）

29、式中，Z绝缘介质的工作寿命；U电容器的工作电压； 取决于介质材料与结构的指数，一般取79。由上式可知，电容器工作电压升高，可缩短其使用寿命。当电压升高10%，电容器的寿命就要缩短1/2。如果长期承受过电压作用。可使介质损耗增大引起发热，使介质温度升高，进一步引起分解、碳化等化学变化，从而导致电容器渗油，甚至爆炸。国已经出现类似事故，应该得到更多的重视（2） 形成匝间、层间过电压电磁波在气体中传播的速度为30cm/ns。因而对于一个上升时间为10ns，幅值为1p.u.的瞬时变量，在1ns就能将0.1p.u.的瞬变量传送到跨度为30cm导线末端。当在变压器、电容套管等结构的匝间、层间时，电的传播时

30、间可以与陡波上升时间相比，陡波会在类似结构部产生很大的电位差。隔离开关触头间隙击穿电压瞬间产生的阶跃行波传到变压器时，相当于在变压器端部施加了一个陡波头电压波，可能在变压器绕组部激发起极高的谐振过电压。这一点对直接和非直接连接的变压器有同样的危害，只是后者遭受到的VFTO电压频率较低。对于直接相连的变压器，该陡波的上升时间只有数十纳秒，远小于雷电冲击截波试验的波头上升时间（约0.5us），而通过SF6油套管传播引起的高达数兆赫的频率，易在变压器绕组上产生极不均匀的匝间电压分布，危害很大。对于非直接相连的变压器，因为陡波在传输过程中进过了两个套管和一段架空线，使陡波头趋于平缓，与雷电冲击截波相近

31、，能传送的最高频率约为1MHz左右。（3） 形成对二次设备的干扰电压变电站中一次回路和二次回路之间存在着电和磁的联系，因此，在一次回路发生的任何形式的暂态过程都会通过不同的耦合途径传入二次回路中形成暂态干扰。GIS中的暂态电磁场耦合到外部环境中，本身是一个低能量现象，目前尚无记录证明它对人身健康问题有直接的危险。但是，这种外部暂态电磁场将影响到GIS外部的电子设备，可在电子电路感应电压或电流。而暂态电流还会引起暂态电位升高，对二次侧的测量、监控设备产生电磁干扰。电磁场的频率取决于GIS的具体位置。靠近壳体电场的典型幅值可达每米数十千伏。由于电站的传导干扰远大于辐射干扰，计算二次电缆上的干扰电压

32、时，常常忽略辐射干扰。随着GIS设备额定电压等级的提高，以与变电站中的计算机控制设备的增大，电磁兼容问题将会越来越值得关注。此外，当VFTO在母线上传播时，会因二次设备与高压母线间的分布电容而耦合到二次电缆的芯线上，通过电流互感器（TA）或者电容耦合式电压互感器（CCVT）的一次侧与一次与二次的法拉第屏蔽层之间的寄生电容而容性地耦合到二次侧。这样，高压母线上的暂态电压电流会直接耦合到屏蔽或未屏蔽的TA或CCVT电缆的部导线，进而对二次设备造成干扰。由于二次设备与控制室相连，是继电保护、控制输入信号的载体。干扰电压以行波的形式传播到二次电缆末端，将在监控系统中产生干扰电流与电压，从而影响在线检测

33、与二次保护系统。2.4 VFTO的预防措施与建议目前针对VFTO较高的问题，提出了一些抑制措施，其多涉与隔离开关本身的设计制造问题，有的则是GIS的设计和运行操作问题。（1）提高触头的分合闸速度。可以减少重燃次数、缩短燃弧时间，使出现快速暂态过程的几率减少，也可以在一定程度上降低过电压幅值（2）在保持电场基本均匀或稍不均匀、不破坏开关绝缘的完整性的前提下，适当增加触头间的不对称（如不对称度为15%），以降低残余电荷。这一方面可以减少重燃过程，降低过电压幅值，另一方面又可以减少分布在绝缘体表面的自由导电粒子的不均匀对绝缘强度的削弱。（3）在触头之间装设分合闸电阻。研究表明，选用适当的电阻值（约几

34、百欧姆），可以加快VFTO衰减速度，减少对设备的损害。（4）采用氧化锌避雷器保护。由于VFTO波头很陡，带间隙的碳化硅避雷器不可能可靠保护，只有采用无间隙养护新避雷器来限制才比较有效。要注意每个避雷器对VFTO的保护距离有限，可能需要几个避雷器才能保护整个GIS。（5）采用接地开关泄放残余电荷。研究表明，接地开关动作能把VFTO峰值有效限制在2p.u.左右。（6）目前也有采用GIS装设电抗器的方法来限制VFTO（7）在二次设备的入口处装高频滤波器，或者采用屏蔽措施，以减小VFTO对二次设备的危害。第三章 电磁暂态程序EMTP3.1 程序主菜单EMTP(Electro Magnetic Tran

35、sient Program)是目前世界上使用最为普遍的电磁暂态计算软件。它采用数值方法解决时域传输线方程的重要工具，其中无损线的电报方程的解决采用贝龙杰法。1984年以后，EMTP程序主要分为两个分支，一支以DCG为代表，试图将EMTP程序商业化；另一支即ATPEMTP，他继续保持EMTP程序的可免费性使用。ATPEMTP是时域计算电机械或电磁暂态现象的仿真软件，能处理计算大型的复杂电路。对于PC机的版本，该软件能处理3000个之路的电路、3000个节点、1200个开关、340个电源、460个非线性原件、45个同步发电机。图3.1 ATP主窗口系统菜单：包括可能的视窗作用：关闭，调整大小，恢复

36、，移动，最小化，最大化或调整大小以与下一步。标题文本：标题文本在主视窗情况下啊的程序名和在电路视窗情况下的当前电路名。想要移动窗口，在标题文本区域压下并拖拽。从主菜单可以选择所有ATP软件提供功能。File：打开和保存电路文件，新建，输入/输出电路文件，创建附注和元文件/位图文件，打印当前文件并退出Edit：电路编辑：复制/粘贴/删除/多重复制/跳过/旋转，选择，移动标签和复制图画到剪切板和撤销/恢复等等View：工具栏，状态栏和注释栏开/关，缩放，更新和视窗选项ATP：创建节点名，制作ATP文件，编辑ATP文件，ATP文件设置，运行任务。Objects：编辑帮助文件，为模型以与用户指定的对象

37、创建新的文件Tools：图标编辑器，帮助文件编辑器，文本编辑器，各种程序选项的设置 Window：电路文件的安排，地图窗口Help：关于盒子和视窗帮助文件系统3.2 电路的搭建和参数的设置以图3.2为例进行电路的搭建图3.2某搭建好的单项整流电路模型（1） 打开主菜单选择新的命令，创建一个新的电路窗口（2） 电源：直流电源从下面选择电源导线，如图3.2所示 图3.3 直流电源的选择电阻和电感 依照电源 在原件菜单中选择Branch Linear，然后依次选择Resistor和Inductor原件 按照图3.1连接到一起得到（3） 我们想测流过半导体电桥的电流。可以通过增加一个测量开关（swit

38、ch）来实现。在原件菜单中选择Probes3-phase和probe Volt de 得到按上述会很简单的把电路搭建成功，搭建好之后我们要进行参数的设置，下面我们以电压源为例 用鼠标左键双击电压源会出现如下图所示窗口图3.4电源参数设置图我们要在这里对电压源的参数进行设置设置好之后电击OK，其余原件的参数设置基本一样。3.3运行ATP仿真 ATP文件是一个ATP需要来仿真一个电路的文件。ATP文件可以通过ATP菜单选择make file命令。在建ATP文件前，需要制定各种各样的参数。这些参数的缺省值在ATP.lin文件中已经给出。修改这些参数可以通过setting/simulation下属菜单

39、选择，如图图3.5仿真基本参数设置间隔时间以秒计、仿真结束时间以分计、X opt=0电感以为单位、Copt=-1电容以为单位。设置好后运行ATP一次点击run ATP、Make file as、plot XY得图3.6运行ATP得到的选择节点仿真例如我们选择v:vs电击Plot得到如图所示波形图3.7得到的时域波形在ATPD raw中按F3，在setting里选择Frequency scan我们还以通过对参数的设置得出频域波形。第四章 550KV GIS中VFTO数值计算4.1 GIS部件瞬态特性计算快速暂态过电压的关键是获得GIS中元件的暂态模型和参数。只有对各元件进行合理的近似等效才能使数

40、值计算结果更加准确。电力系统过电压计算过程中，通常将变压器视为集中的电感和电容；隔离开关燃弧时用一个电弧电阻和集中的等效电容并联代替，闭合时视为短母线；接地开关、支撑绝缘子均视为集中的对地电容；断开的断路器用对地的集中电容代替；GIS母线采用Bergeron模型来表示。（1） 集中原件电感L 电感的电路模型如图4.1a所示。对于集中原件电感L，电感上的电压 （4.1）或写成 （4.2）用数值计算求解，需要把时间离散成一系列时间间隔很小的时段，根据时刻的和来求t时刻的和。为此把（4.2）式改写成从到的积分形式，即 （4.3）即 （4.4） 对式（4.4）右边用梯形法进行积分后可得 （4.5） 考

41、虑到，故（4.5）式可写成 （4.6）令式中 （4.7） （4.8）则（4.6）式改写为 （4.9）根据（4.9）式还可以得到图4.1b所示的等值电路。其中，是电感L的等值计算电阻，只要时间步长确定后，即可根据式（4.7）式可得。是电感在暂态计算时的等值电流源，它可根据时刻电感的电流和端点电压由（4.8）式求得。因为它是上一时刻的电流，故称为历史电流源。根据电感的暂态等值计算公式可以画出如图4.1所示的等值计算电路，电路中只包括电阻R和电流源。进一步利用对（4.9式递推计算结果） （4.10）（4.8）式还可以简化为递推公式uk(t)ikm(t)kmRL=2L/tum(t)iL(t-t) （4

42、.11） ikm(t) mk+ uL(t)-uk (t)um(t)a) b) 图4.1 电感的等值计算电路模型（2） 集中原件电容C 假设在两节点k、m间有一电容C，如图4.2a)所示。则，电容C上电压和电流关系可表示为 （4.12）或写成积分形式 （4.13）运用梯形公式，由上式可以得到 （4.14）又因为 (4.15) （4.16）其等值计算电路如图4.2 b)所示。其中，和分别表示电容C在暂态计算时等值电阻和反映历史记录的等值电流源。经过递推计算，得到如下的电容等值电流源递推公式 （4.17） uk(t)ikm(t)kmRc=L/2cum(t)iL(t-t) ikm(t) mk+ uc(

43、t)-uk (t)um(t)a) b) 图4.2 电容的等值计算电路模型（3） 集中电阻原件R 对于集中的电阻原件R，如图4.3所示。由于纯电阻集中参数元件并不是储能原件，其暂态过程与历史记录无关，电压和电流的关系可以由下列代数方程式决定： （4.18）Rikm(t)kmuk(t)um(t)图4.3电阻的等值计算电路模型4.2 GIS部件等效模型与参数（1）变压器变压器的入口等值电容个与它的电压等级、容量和结构有关。一般而言，电压等级越高、变压器的额定功率越大，入口电容相对较大。经验公式如下： （4.19）式中，电容的单位为pf，S为变压器三相容量（MVA）。500KV以上的电压系统中n=4；

44、220KV等级一下的电压等级系统中n=3；750KV电压等级系统中K=800；500KV电压等级系统中K=940；110KV等级的电压等级K=540。通常情况下，不同电压等级变压器的入口电容如表4.1. 表4.1 不同电压等级变压器的入口电容值标称电压/kV35110220330500750入口电容/pf500100010002000150030002000500040006000800010000（2）GIS母线GIS母线采用无损均匀传输线模型。气体绝缘变电站同轴母线导体、外壳与电缆导体和屏蔽导体的波阻抗可由（4.20）和（4.21）计算得到： (4.20)式中，R1为屏蔽导体的半径，R2为

45、导体的半径。外壳导体的波阻抗： （4.21）式中，R3中为屏蔽导体的外半径，h为屏蔽导体的高度（3）隔离开关隔离开关合闸时，对地等效电容为386pF；分闸时，动侧接地情况下，静触头对地电容为275pF；静侧接地情况下，动触头对地电容为173pF。本文研究的VFTO的产生过程是以纳秒为单位，而DS动作速度较低（通常低速隔离开关的运动速度为310cm/s），因此纳秒级下无需考虑DS触头分合速度对GIS暂态过程的影响。本文取燃弧时的电弧电阻，其中，。（4）断路器断路器CB闭合时的对地等效电容为835pF。断路器分闸时，需考虑触头间的均压电容。本文涉与到的断路器为双断口断路器，每个断口的极间电容为10

46、40pF。（5）支撑绝缘子、电压互感器和避雷器套管和弯管的对地总电容200pF，套管本身对地等效电容为126pF，电压互感器等效电容为1000pF，避雷器等效电容为30pF（6）残余电荷从绝缘配合角度而言，人们最关心VFTO的幅值倍数。VFTO的幅值倍数的一个直接影响因素是母线上的残余电荷电压，残余电荷电压越高，VFTO幅值越高。若要计算VFTO幅值极限值，则需考虑重燃最严重的极端情形，即电源侧电压为峰值，母线残余电荷电压为电源电压反极性峰值的情况，此时隔离开关电源侧电压为1.0p.u（）.，负载侧电压为-1.0p.u.。而在电网实际运行工况下，出现这种情况的概率非常小。GIS部元件具体等效模

47、型与参数分别见表3.1和3.2 表4.2 主要原件的等效模型元 件等 效 模 型备 注变压器等效电感和入口电容隔离开关分闸时，等效为对地电容；合闸时，等效为短母线燃弧时的开关时变电阻和对地电容断路器分闸时，等效为极间均压电容；合闸时，等效为短母线套管对地电容电流互感器可忽略电压互感器对地电容避雷器对地电容 表4.3 550KV系统中原件等效参数原件550KV GIS变压器5000pf断路器合闸状态分闸状态350pf隔离开关分闸状态125pf燃弧时动侧对地56pf燃弧时静侧对地134pfGIS管线63波速296m/套管320pf避雷器19pf电压互感器400pf4.3 550KV GIS部VFT

48、O仿真计算4.3.1 550KV GIS工程概述与电气接线图本文以黑麋峰抽水蓄电站为研究背景。黑麋峰抽水蓄电站是第一座规划开发的抽水蓄电站，位于省市望城县桥驿镇境，电站枢纽建筑物由上水库、输水库、地下厂房系统、下水库、地面开关站与中控楼副厂房等建筑物组成。上水库正常蓄水位400.00m，总库容量996.5万m3，蓄能发电库容842.4万m3；下水库正常蓄水位为103.70m，总库容量959.3万m3，调节库容843.8万m3。电站地下厂房安装4台单机容量为300MW的单级立轴混流可逆式机组，总装机容量为1200MW。电站建成后，以1回500KV出现一级电压接入电网的沙坪变电站，输电距离为15K

49、m，另预留1回500KV 备用出现场地。电站为日常调节纯抽水蓄能电站，电站建成后将担负与华中电网的调峰、填谷、调频、调相与紧急事故备用等任务。注：24为主变压器；25为SF6/油套管；26为电流互感器；27,37为隔离开关；28,38,39为接地开关；29,40为SF6管线；30,46为避雷器；31,32,33,34为电流互感器；35为高压断路器；36为电磁式电压互感器；41为SF6/空气套管；42为高压电缆终端；43为高压电缆；44为高频阻波器；45为电容式电压互感器图4.1黑麋峰工程550kVGIS气隔图图4.2为黑麋峰抽水蓄能电站550kV变电站电气主接线图，其中标注了GIS部各个元件之

50、间的距离，以与母线和电缆的长度。图4.2黑麋峰工程550kV变电站电气主接线意图4.3.2 550KV GIS电气接线与隔离开关的操作方式根据上面的电气主接线图和GIS的布置图可以得到变电站的操作示意图。如图4.3所示图4.3黑麋峰工程550kVGIS操作方式示意图根据图4.3的550KV GIS部署，一共有单机单出线、双机单出线与四机单出线工况下的共十余种运行方式如下：（1）单机单出线工况：方式1：CB11，CB12，DS12断开，操作DS11；方式2：CB11，CB12，CB21断开，DS11闭合，操作DS12；方式3：CB11闭合，CB12，CB21断开，DS22断开，操作DS13；方式

51、4：CB11闭合，CB12，CB21断开，DS13闭合，DS22断开，操作DS14；（2）、双机单出线工况:双机单出线分为两种情况一种是同一机组，其操作方式和单机单出线类似。第二种情况是两台属于不同机组的情况，操作方式如下：方式5：CB11，CB12，DS22闭合，CB21断开，操作DS22；方式6：CB11，CB21闭合，CB12断开，DS14断开，操作DS13；方式7：CB11，CB21闭合，CB12断开，DS13闭合，操作DS14；（3）、四机双出线工况：方式8：CB11，CB12，CB22闭合，CB21，DS21断开，操作DS22；方式9：CB11，CB21，CB22闭合，CB12断开

52、，DS13闭合，操作DS14；4.3.3 550KV GIS计算结果根据上面所述的不同运行工况，我们通过电磁暂态分析程序（EMTP）进行电路模型的搭建，并根据参数，对其进行仿真，如图4.4和图4.6分别为方式1和方式2的电路模型，图4.5和图4.7分别为方式1和方式2下 VFTO幅值最大点波形图 4.4 方式1电路模型图4.5 方式1下CB11处VFTO波形与频谱图 4.6 方式2 电路模型图4.7 方式2 下CB11处VFTO波形与频谱表4.4和4.5为1别为10种运行工况下，不同操作操作方式，不同节点的VFTO幅值与每种操作方式下节点的VFTO最大幅值表4.4 每种操作方式下隔离开关操作引

53、起的各个节点的VFTO值（单位：p.u.）测量点位置操作方式123456789101TM11.001.001.001.001.001.001.001.001.001.002TM21.011.061.073TM31.001.001.001.004TM41.061.085DS11.011.001.041.001.201.171.171.371.261.296DS111.401.151.081.001.041.071.131.141.631.667CB112.803.031.211.031.051.211.271.141.441.428DS121.001.491.451.141.111.421.54

54、1.481.891.849DS131.921.671.161.341.611.571.401.771.7410CB123.062.321.102.883.441.162.992.5611DS141.771.291.171.171.001.221.131.0212DS21.461.421.531.391.281.381.371.421.561.6213DS211.191.001.041.181.321.2914CB213.401.041.093.131.361.3915DS222.631.531.651.691.481.491.831.541.4616DS231.751.821.9717CB22

55、1.511.511.5018DS241.241.751.8619DS31.171.171.281.2720DS41.381.3821MOA12.552.492.532.532.122.262.302.202.222.2322MOA22.082.082.182.192.1923PT1.421.451.041.231.311.311.251.501.4124出线套管11.511.691.131.021.441.381.0925出线套管21.832.392.3426Cable11.461.001.031.001.101.011.031.271.471.4527Cable21.041.021.241.

56、29方式12345678910幅值2.803.033.062.323.402.883.443.132.992.56位置CB11CB11CB12CB12CB21CB12CB12CB21CB12CB12 表4.5 每种操作方式下隔离开关操作引起的的VFTO最大值位置与幅值（单位：p.u.）由表4.4中的数据可知：(1)出现在变压器上的最大过电压为1.08p.u（485kV，波形与频谱分析如图4.8所示）。只有雷击冲击过电压（1550kV）的31.2%。同时由于VFTO对变压器的影响主要是其高频振荡分量对主变匝间绝缘的影响，从频谱图上可以看出这个过电压的频率集中在0.53MHz，根据文献7这个频率段

57、的VFTO幅值并不高，不足以引起变压器的匝间击穿。综合两方面的原因，操作隔离开关引起的VFTO不会对变压器造成直接危害。图4.8方式10下TM4端部的VFTO波形与频谱分析图另外，从表4.5中还可以看出对于每一种操作方式出现的VFTO的数值都相差不大，最大的过电压是都出现在断开的断路器上，其中在方式8下CB21断口的过电压最大为3.13 p.u（1405.589 kV），只有断路器所允许的雷击冲击过电压（1550kV）的90.6%。因此，VFTO不会因超过断路器的绝缘水平而损坏断路器。第五章 总结本课题以550kV黑麋峰抽水蓄电站为研究背景，通过对不同运行工况下的VFTO幅值进行研究，从而指导GIS绝缘的设计。论文首先对VFTO的发展历程与VFTO产生的机理以与VFTO的危害进行计算。通过对仿真出的波形进行了简单的介绍。随后对电磁暂态程序进行了介绍。最后通过电磁暂态程序分析，得出VFTO的幅值，从而确定是否会对设备本身以与相邻设备造成危害，以此来指导GIS的绝缘设计。本次论文使我学到了很多知识，尤其是断路器和隔离开关的使用，以与电磁暂态程序，对VFTO有了详细的了解。参考文献1林莘，现代高压电器计数。：机械工业，2002.2 齐韦夫，何柏娜，林莘。特高压线路上潜供