断路器暂态模型及参数对VFTO影响的仿真分析

1、断路器暂态模型及参数对VFTO 影响的仿真分析 *孔杰，何柏娜，宁家兴，王珍珍，王乐淼，颉雅迪(山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博255000)摘要： 气体绝缘变电站(gas insulated substation, GIS) 设备模型的选取是快速暂态过电压(very fast transientovervoltage， VFTO) 仿真计算的关键，断路器作为GIS 主要的电气设备，其模型及参数的选取必然会影响VFTO 的仿真结果。 为此文中利用EMTP-A TP 软件对 1 100 kV 变电站进行建模，建立了考虑断路器结构的暂态仿真模型，分析断路器结构参数对VFTO 的影响。结果表

2、明，合闸电阻对VFTO 的幅值具有明显的抑制作用；随着断路器并联电容的增大系统中VFTO 幅值呈减小趋势，主要频率和频率幅值减小；断路器对地电容变化对不同节点处VFTO 的影响程度不同； 空载母线变化对母线端部和断路器处的VFTO 影响最大。关键词： 快速暂态过电压；隔离开关；GIS 变电站；断路器中图分类号 ：TM501文献标识码 ：B文章编号 ：1001-1390(2018)00-0000-00Simulation analysis of the influence of circuit breaker transient model and parameters on VFTOKong

3、Jie, He Baina, Ning Jiaxing, Wang Zhenzhen, Wang Lemiao, Xie Yadi (College of Electric and Electronic Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, Shandoang, China )Abstract: The selection of gas insulated substation (GIS) equipment model was the key to the simulation calculation of

4、very fast transient overvoltage (VFTO). As the main electrical equipment of GIS, the model and parameterselection of circuit breaker would affect the simulation result of VFTO. A transient simulation model for 1100kV substation considering the structure of circuit breaker was established through EMT

5、P-ATP, and the influence of structural parameters of circuit breaker on VFTO was analyzed in this paper. Simulation results show that the closing resistance has a significant inhibitory effect on the amplitude of VFTO. With the increase of the parallel capacitance of the circuit breaker, the amplitu

6、de of VFTO in the system tends to decrease, and the main frequency and frequency amplitude decrease. The influence of capacitance change of circuit breaker on VFTO at different nodes is different, and the change of no-load bus has the greatest influence on the VFTO at bus end and breaker.Keywords: v

7、ery fast transient overvoltage, disconnecting switch, GIS, circuit breaker0 引 言快速暂态过电压 (very fast transient overvoltage ， VFTO) 主要是由 GIS 变电站 (gas insulated substation, GIS) 中隔离开关操作产生的， VFTO 会对 GIS 变电站中的电气设备和与它相连的电力变压器的绝缘安全造成严重威胁 1-7 。随着电压等级的提高， GIS 变电站的绝缘水平与系统电压的比值逐渐减小，因此 VFTO 对 300 kV 及以上 GIS 变电站电气

8、设备威胁大。由于受到测量条件、手段及方法的制约，通过测量来获得VFTO受到了限制。文献7 通过对VFTO 现场实测结果和仿真计算结果的比较，验证了数值仿真方法的可行性和正确性。因此仿真计算成为研究VFTO 特性的一个重要手段。GIS 元器件的暂态模型与参数的选取是VFTO计算结果准确与否的关键。对于双断口断路器的暂态模型，在以往的仿真计算时，往往忽略其复杂的内部结构，文献 8-12 在对 VFTO 进行仿真计算时，将断路器等效为串联断口电容。文献13 计算了VFTO 在断路器内部的分布，分析了VFTO 对断路器中并联电容的危害，文献14 比较了断路器集中参数模型和分布参数模型对VFTO 的影响

9、。虽然文献 13-14 都对断路器模型进行了一定的研究，但并没有深入研究断路器内部的结构及其各种参数变化对 VFTO 仿真结果的影响。基金项目： 山东省高等学校科技计划项目(J14LN27) 。文中利用 EMTP-ATP 对某 1 100 kV 特高压 GIS 变电站进行仿真，建立考虑断路器内部结构的电路模型，通过计算隔离开关操作引起的 VFTO ，研究断路器合闸电阻、并联电容、对地等效电容和空载母线对 VFTO 的影响。 该研究对于 GIS 变电站电气设备的绝缘设计具有重要意义。1 GIS 设备的暂态模型某 1 100 kV GIS 变电站电气主接线为双母线分段接线，其中有六回特高压输电线路

10、、 四组变压器。电气主接线图见图 1。1L2L3L4L5L6LDS13CB11M2DS12DS11M1CB21DS23TM1TM2TM3TM4图 1 某 1 100 kV GIS 变电站电气主接线图Fig.1 Main wiring line diagram of 1100 kV GIS该变电站 GIS 设备采用三相分体式，每一相分别处于单独的金属外壳中，相与相之间没有耦合，因此仿真时用单相电路进行模拟即可。采用入口电容来等效变压器 15-19 。采用无损均匀传输线模型等效 GIS 母线。GIS 内同轴母线导体的波阻抗由式 （ 1）给出 20-25 ：?（ 1）?= 60?式中 a 为 GIS

11、 中母线的外径；b 为 GIS 中母线筒的内半径。计算得到母线的波阻抗为97 ，波速取2.78 108 m/s。1.1 隔离开关模型隔离开关断开时等效为断口对地电容和断口间电容，闭合时等效为对地电容和等长母线。燃弧时的隔离开关，端口两侧等效为对地电容，采用指数函数电弧电阻：? = ? + ? e-?/（ 2）?0式中 ?为时间常数， =1 ns；?为静态的电弧电?阻， ?a=0.5 ； ?为隔离开关在起弧前的电阻。01.2 断路器模型为研究断路器结构和参数对GIS 中 VFTO 波形和频率的影响，对断路器模型进行细化。断路器内部结构和开断状态下的仿真模型示意图见图 2 和图3。在等效模型中 C

12、BC1 和 CBC 2 为断路器灭弧室的等效对地电容， CBC 3 为并联电容， CBC 4 为断路器主断口等效电容， CBC 5 为断路器辅助断口等效电容，R 为断路器的合闸电阻。主断口 1主断口 2辅助断口CBC3CBC3R图 2 断路器内部图Fig.2 Internal structure of circuit breakerCBC 4CBC 4CBC 5CBC3CBC3RCBC 1CBC 2CBC 1图 3 断路器内部图Fig.3 Equivalent model of circuit breaker进出线套管和电压互感器用集中参数对地电容表示。各设备等效电容参数见表 1。表 1 不同

13、设备等效电容Tab.1 Equivalent capacitance of differentequipments设备名称等效电容 /pFCBC 1275断路器 ( 开断状态 )CBC 2365CBC 3700隔离开关 (开断状态 )DSC1230DSC2350隔离开关 (闭合状态 )DSC3500进出线套管B420变压器入口电容T10 000电压互感器PT5002 计算结果及分析为验证考虑断路器内部结构的电路模型是否与实际情况相符， 文中根据文献 3 中的试验回路建立了考虑断路器内部结构的仿真电路，比较了GIS 设备主要节点的 VFTO 的仿真结果和试验统计结果，如表 2 所示，表中 T 表

14、示变压器入口处， DS 表示动作隔离开关处， CB 表示断路器处， M 表示母线端部。试验回路相关数据参见文献3 。表 2 VFTO 仿真结果和试验结果对比Tab.2 VFTO comparison results betweenthe simulation and the test设备T/(p.u.)D/(p.u.)CB/(p.u.)M/(p.u.)试验值1.471.982.012.27仿真值1.441.921.992.16由表 2 结果可以看出，考虑断路器内部结构的断路器模型的VFTO 仿真结果与 GIS 模拟试验测量的 VFTO 误差在允许范围之内，验证了仿真模型的可行性。根据实测结果、

15、理论分析和大量计算可知，对于结构一定的 GIS 变电站，单机、单变供电方式下产生的 VFTO 最为严重 25-32 。故文中主要研究单机、单变供电方式下四种典型的操作方式产生的VFTO ；考虑最严重的情形，即电源侧电压为1 p.u.，母线残余电荷电压为- p.u. 6 。操作方式1 为合闸变压器侧的隔离开关，投运1 号变压器，其他开关均断开，VFTO的折返路径短，泄露通道少，产生的 VFTO 较为严重。操作方式 1 下 GIS 站内关键设备处的 VFTO 幅值 ( 单位：p.u.)计算结果见表 3。操作隔离开关处的 VFTO 波形见图 4。表 3 各设备上VFTO 幅值Tab.3 VFTO a

16、mplitude on each device设备TBDS1CBC1CBC2幅值1.522.112.302.070.932.5.2u1.5.p/1U0.500246810t/us图 4 操作隔离开关处的VFTO 波形Fig.4 VFTO waveform in disconnecting switch由表 3 分析可知，操作方式1 下，操作隔离开关处 VFTO 幅值最大，最大达到2 070 kV 。根据过电压与绝缘配合，一般认为对于GIS 设备， VFTO可与 LIWV进行比较。1 100 kV GIS 变电站的 LIWV为 2 400 kV ，考虑 15%的安全裕度， VFTO 幅值不宜超过

17、 2 087 kV。此方式下隔离开关上的VFTO 最大值虽然小于1100 kV 系统的雷电耐压2 400 kV ，但是已非常接近15%的安全裕度，需要引起重视。操作方式2、 3、4 为 1 号变压器运行分别直接给线路 1L 、2L 和 3L 供电，计算母线侧隔离开关合闸时， GIS 关键设备处VFTO 的波形和幅值。操作方式 2、 3、4 下的 VFTO 幅值 (单位： p.u.) 见表 4。操作方式3 下母线端部的VFTO 波形和频率分析图见图 5和图 6。表 4 各设备上VFTO 幅值Tab.4 VFTO amplitude on each device设备TDS1MDS2CBC1CBC2

18、方式 21.491.692.191.782.120.94方式 31.481.762.511.672.170.97方式 41.501.972.251.822.090.942.52.1.5u.p1/U0.50-0.52468100t/us图 5 母线端部的VFTO 波形Fig.5 VFTO waveform in bus end100V80k60/值40幅200510152025300频率 /MHz图 6母线端部的 VFTO 频谱图Fig.6 VFTO frequency spectrum in bus end由表 4 结果可以看出， 操作母线侧隔离开关时，母线端部的VFTO 幅值最大，且远远高于

19、其他部位。其中，操作方式3 下母线端部的VFTO 幅值最大，达到了 2 262 kV ，已经超过了2 087 kV ，这是因为VFTO 波在 GIS 短线末端发生了全反射，因此母线端部的 VFTO 幅值相对其他点要高。所以在 GIS 的绝缘设计时应该考虑母线端部VFTO 的影响。操作母线侧隔离开关时，靠近隔离开关处断路器并联电容的VFTO幅值大于操作隔离开关处的VFTO 的幅值，且非常接近 2 087 kV ，所以 GIS 中此种操作方式对断路器并联电容的影响较大，应该给予关注。对电压频谱进行分析，VFTO 波形频率含量丰富，主要包括3 个主要频率分量：小于 1 MHz 的基本频率， 1 MH

20、z 到 10 MHz VFTO的主要频率和大于 10 MHz 的特高频分量。其中1 MHz 到 10 MHz高频分量幅值大，所以GIS 在此种操作方式下对设备的绝缘威胁更大，需要引起注意。GIS 变电站设备模型的选取是VFTO 仿真计算的关键，断路器作为GIS 主要的电气设备，其模型及参数的选取必然会影响VFTO 的仿真结果，因此，研究断路器模型及参数对VFTO 仿真结果的影响规律，对实际情况下评估VFTO 的水平具有重要意义。3 断路器结构参数对VFTO 的影响文中建立了考虑断路器内部结构的电路模型，在此基础上，分析断路器有关参数对VFTO 的影响。分别研究断路器中的合闸电阻、均压电容、对地

21、电容和隔离开关与断路器间母线长度对VFTO 波形、幅值和频率的影响规律。操作方式3 下 DS2 合闸操作产生的 VFTO 的最为严重，故在此方式下分析断路器参数对 VFTO 的影响。3.1 断路器并联电阻对VFTO 的影响研究断路器中合闸电阻的值对GIS 中关键设备处 VFTO 的影响，详见表 5。表 5 各设备上 VFTO 幅值Tab.5 VFTO amplitude on each device设备TDS1MDS2CBC1CBC20 1.501.822.541.762.200.97500 1.481.762.511.672.170.9410001.481.772.521.692.180.9

22、515001.491.782.531.722.190.96表 5 表明，断路器中的合闸电阻对GIS 内各设备上的 VFTO 的幅值具有明显的抑制作用：越靠近操作隔离开关， 其抑制作用越明显； 当 R=500 时，各个设备上VFTO 幅值明显降低，而随着合闸电阻的增大， VFTO 幅值略有增加。因此合闸电阻R 的阻值选取应考虑多方面因素。3.2 断路器并联电容对VFTO 的影响为了探究断路器并联电容大小对关键设备处 VFTO 的影响，仿真计算时，其他仿真参数不变，只改变断路器并联电容的值，得到的计算结果(单位：p.u.)如表 6所示。表 6 各设备上 VFTO 幅值Tab.6 VFTO ampl

23、itude on each device并联电容/pFTMDS2CBC 16001.4842.5171.7132.2037001.4902.5181.7032.1958001.4902.5191.7082.1889001.4882.5171.6732.1761 0001.4882.5111.6692.1621 1001.4942.5031.6642.1471 2001.4932.4931.6592.1331 3001.4902.4831.6552.1181 4001.4882.4771.6562.1031 5001.4912.4611.6552.090由表 6 分析可知，操作隔离开关处、断路器

24、端部和空载母线末端的VFTO 的极值随着电容值的增加呈现递减趋势。而在变压器入口电容处VFTO 的极值略有减少但不单调，说明并联电容对操作隔离开关、断路器端部和空载母线末端的VFTO 极值影响较大。图 7 为断路器端部 VFTO 的频谱图，现研究并联电容值大小对 VFTO 主要频率分量的影响。经过大量计算，结果表明断路器并联电容值对小于10MHz 的频率分量影响较大；对于大于10 MHz 的频率分量几乎无影响。因此主要研究 VFTO 频率分量中小于 10 MHz 的部分。120100V80k/值 60幅 40200012345678910频率 /MHz图 7断路器端部的VFTO 频谱图Fig.

25、7 VFTO frequency spectrum in circuit-breaker表 7 和图 8 分别表示并联电容不同时断路器端部 VFTO 主要频率分量和幅值的大小。 由表 6 可得，并联电容的增大，使得 VFTO 的主要频率分量向低频方向移动。由图 8 可得， VFTO 主要频率分量的幅值随着并联电容的增大而整体呈减小趋势。表 7 VFTO 的主要频率分量Tab.7 Main frequency components of VFTO并联电容A2 /A 3/A 4/A 5/pFMHzMHzMHzMHz6000.220.9191.2952.0337000.220.9161.2892.0

26、318000.220.9141.2822.0299000.2190.9121.2762.0281 0000.2190.9101.2712.0261 1000.2190.9071.2672.0251 2000.2180.9051.2622.0241 3000.2180.9041.2592.0231 4000.2180.9021.2552.0221 5000.2180.9001.2502.021140A2120A3A4100A5V80k/U 6040200600800100012001400C/pF图 8 并联电容值对 VFTO 的主要频率分量幅值的影响Fig.8 Influence of shunt capacitor onthe amplitude of the main frequency components of VFTO3.3 断路器对地电容对VFTO 的影响分析断路器对地电容值对关键设备处VFTO 极值的影响 (此时断路器并联电容值取900pF)，计算结果如图 9 所示。3TB2.8DS1M2.6DS2CBC1.2.4u2.2.p/2U1.8