华北电力大学电磁兼容论文
华北电力大学电磁兼容论文专业：高电压与绝缘技术
班级：研电0705班
姓名：张达天
学号：1072201195
题目：VFTO数值分析，仿真和防范的试验研究
1. VFTO的数值分析 3
1.1 GIS系统单个构件的电路模型 3
1.2 数值分析简化模型的构建 3
1.3 简化模型有效性验证 3
2. VFTO的仿真 5
3. VFTO的防范 7
3．1 VFTO的危害性 7
3.2 VFTO的防范措施 8
3.2.1 铁氧体的饱和特性 8
3.2.2 磁导率及频率特性 8
3.2.3 等效特性 9
3．3 关于VFTO防范的结论 9
参考文献 10
VFTO数值分析，仿真和防范的试验研究
隔离开关(DS)和断路器(CB)操作时会在气体绝缘变电站(GIS)内部产生特快速暂态过电压(VFTO)，并传播到其连接设备上。在≥330 kV 的GIS中，VFTO的幅值随运行电压升高而升高，而本身的绝缘裕度在降低，这会引起暂态地电位的升高、对二次设备的电磁干扰和对变压器、电抗器的绝缘影响，严重威胁着电力系统的安全运行。
1. VFTO的数值分析
1.1 GIS系统单个构件的电路模型
GIS本体构件主要有：母线管道、弯头、隔离开关、断路器、接地开关、电流互感器、电压互感器和引出线套管等。GIS本体与架空线之问的联接设备，如变压器和ZnO避雷器等，也作为一部分构件，组成一个完整的GIS系统。
1.2 数值分析简化模型的构建
模型简化，首先必须以不失有效性为前提；其次，应尽量除去次要因素，减少系统参数的数目，以有利于分析出影响VFTO过电压的主要因素。这是模型简化的基本原则。各构件具体可简化：
(1)可以忽略其作用的构件；
(2)电阻焦耳损耗和介质损耗；
(3)无损传输线；
(4)集中电容和电感。
1.3 简化模型有效性验证
隔离开关操作的一种典型情况，就是要用隔离开关将GIS装置的空载部分与一个电源或架空线连接或断开。以550 kV系统为例，1个长66 m，终端开路的GIS单元(Z2=75Ω)，通过隔离开关从1个无限长的架空线上(Z1=320Ω)断开。GIS预先充电到+450 kV(+1p.u.)，当架空线上的不断改变的电压U1降至负峰值-1p.u.时开关间隙被击穿。放电通道的形成时间△tF与通道长度l成正比。从Pfeiffer和Sehrnitz的测量得到，长为30mm的放电通道的形成时间约为20ns。在用EMTP计算VFTO波时，步长△t取大于△tF，且取最小值，所以本文中取22ns。
分别把电压互感器、接地开关、隔离开关、断路器(由于电流互感器的影响很小可以忽略)等效为30pF、5pF、l0pF、l0pF的电容，用EMTP计算得到GIS空载段首端电压U1，GIS空载末端电压。见图1：
图1 GIS空载首端电压U1
图1 GIS空载末段电压U2
忽略接地开关、隔离开关、断路器，用EMTP计算得到GIS空载段首端电压U1，末端电压U2。如图2：
图2 GIS空载末端电压
对比图1与图2中的快速暂态过程行波曲线，可以看出：基于精确和简化模型的电压和电流波形的峰值及随时间的变化趋势基本一致；其次，基于精确模型的数值计算波行在幅值较低的时候有较多的尖峰电压，这主要缘于精确模型中分布小电容的作用；与基于简化模型的情形相比，显然它们对总的波形影响很小。因此，上述模型简化方法是可行和有效的。
2. VFTO的仿真
图3 模拟试验电路
对图3所示试验电路进行电磁暂态数值仿真并分析磁环在电路中的作用。仿真电路如图4所示。母线用单相传输线表示。磁环有效磁路长度le=O.0307m，有效横截面积Ae=0.00022m；LJ代表磁环的Jiles.Atherton磁滞模型；Re代表磁环的涡流损耗，根据磁环尺寸及材料电阻率计算。SF6间隙开关k在t=O时闭合；开关电弧电阻采用时变电阻模型，电阻表达式为R(t)=2Z(tz／t-1)，波阻抗Z=70Ω，击穿时延tz=4.5ns；其他电路元件参数如表l所示。
图4 电磁仿真电路
电路元件 主要参数值
试验变压器 Umax=30KV
充电电阻 Rl=1KΩ
引线 R0=0.09Ω,l0=1.6uH
电缆 Z=75Ω,l=4m,v=2*108m/s
电容式分压器 C1=2pF,c2=400pF
表1 电路元件参数
将数值仿真结果和试验结果进行了比较，如图5所示，仿真结果和试验测得的曲线比较一致，验证了仿真模型的正确性。
图5 仿真试验曲线
图6对加入磁环前后模拟母线末端特快速暂态电压仿真结果进行了对比。从中可以看出磁环对VFTO的影响主要表现在以下三方面：① 降低了VFTO的幅值；②加速了VFTO的衰减；③局部降低了VFTO的陡度。加入磁环前后模拟母线首端特快速暂态电流波形也发生了类似的变化，如图7所示。
图6 VFTO过程中模拟末端电压仿真
图7 VFTO模拟母线首端电压仿真
图7显示VFTO作用下磁环磁化过程的仿真结果。初始状态位于0点，开关在t=0时闭合，首端电流形成第一个上升脉冲(图5中O-40ns期间波形)，在第一个电流脉冲作用下磁环的磁化状态沿着初始磁化曲线从0点上升到1点，这个过程经20ns传播到末端形成第一个下降的电压脉冲(图5中20,-60ns期间波形)。这个过程中，首端电流峰值接近400A，磁环已经饱和，磁导率明显下降，虽然如此，这一过程还是消耗了行波的部分能量，使VFTO得到抑制，母线末端电压峰值的绝对值从未加磁环时的33kV下降到27kV，同时电压陡度大大下降。行波在末端反射后经20ns传播到首端，形成首端电流第一个下降脉冲(图5中40-80ns期间波形)，磁环磁化状态沿上环从1点下降到2点。第一个周期后，磁环的磁化状态沿着次磁滞曲线2-3-4……变化，行波能量不断被磁环吸收及消耗，VFTO的电压和电流进一步衰减。
图8 磁环的磁滞曲线
在磁环作用下，特快速暂态电压、电流衰减，行波能量降低，VFTO得到有效抑制。
3. VFTO的防范
3．1 VFTO的危害性
VFTO过电压对电力系统电气设备的危害主要在以下两个方面：
(1)VFTO过电压对GIS装置内部绝缘的危害。尤其对GIS装置支持绝缘子(盆式绝缘子)绝缘安全的威胁非常大，为讨论方便，一般将这种VFTO过电压称为内部VFTO
过电压；
(2)VFTO过电压对GIS装置外部电气设备绝缘的危害,称之为外部VFTO过电压。当GIS内部产生的VFTO以行波方式通过母线传播到套管时，VFTO瞬态过电压一部分耦合到架空线上，沿架空线传播。对与GIS相连的电气设备。如：变压器、架空线路的绝缘造成直接损伤；另一部分则耦合到壳体与地之间，造成GIS装置危险的暂态地电位升高(TGPR)和壳体暂态电位升高(TEV)，TEV或TGPR会引起与GIS相连的控制、保护、信号等二次设备的干扰甚至损坏；同时与VFTO过电压相关的高频暂态外部电磁场是从壳体和架空线向四周辐射。任何电子设备都会受到瞬态电磁场的影响。所以，二次电气设备可能会因此受到危害。
3.2 VFTO的防范措施
目前抑制VFTO采取的措施都存在一定的问题，例如：采用避雷器，可限制VFTO
的幅值，但不能有效限制其陡度， 并且存在响应速度慢的问题；采用快速动作隔离开关，可缩短隔离开关的切合时间，减少重击的次数，降低VFTO的出现几率，但提高了成本，且仍有VFTO存在,在隔离开关的断口串入电阻的方法，虽可减小断口的电压，从而减少反复击穿的次数和减小击穿的电压，但使隔离开关结构非常复杂并容易引起相关可靠性问题。因此寻找一种经济、实用、有效的抑制VFTO的方法就显得尤为重要。
铁氧体是近年来在电力系统运行中抑制VFTO用途比较广泛的一种材料。
3.2.1 铁氧体的饱和特性
铁氧体的饱和特性是抑制VFTO诸多特性中最重要的特性。由于饱和磁通密度Bs∝1/T，则Bs随绝对温度T的升高而减小。在上述低压模拟实验中，采用这两个系列的铁氧体抑制VFTO，由于伴随VFTO的电流很小，温度变化不大，铁氧体B未达饱和，对VFTO抑制效果很好。然而，在超高压的GIS中，VFTO的行波通过磁环的等效电流能够达数千A，其磁场强度B达10A/m数量级，铁氧体Bs将随温度的升高而降低，使高磁导率软磁铁氧体材料很容易达到饱和，而饱和时的极化强度J与H的夹角φ->0，极化的磁性材料的静磁势能密度Wsh=-(JHcosφ)/2，磁体白能量密度WsH=-(JHcosφ)/2都最小，铁氧体抑制VFTO的作用将消失。为此，从磁滞回线看，若Bs大，回线所包含的面积就大，即单位体积内的能量损耗大，自然Bs大的铁氧体对VFTO的抑制效果好。
3.2.2 磁导率及频率特性
磁导率Ч包括初始磁导率、最大磁导率、微分磁率等。是铁氧体一个较复杂的参数，具有非线性。对抑制VFTO起主要作用的磁环的等效电感取决于磁环的尺寸和磁导率大小，在GIS中，由于空间的原因，磁环的尺寸是受到限制的，为了获得足够的电感量以抑制VFTO，磁导率应当越大越好。从简单媒质的本征关系 B=ЧH 为磁场强度的幅值，高磁导率有利于工频下电磁能之间的转换，使磁环电磁损耗小；高频强磁场下，由公式：
式中:
u---------磁导率
h---------磁滞系数
f---------磁化频率
V---------磁环体积
P-------- 磁滞损耗功率
可以看出，高磁导率和高频率均可提高磁滞损耗功率，增强磁环对VFTO的抑制效果。
3.2.3 等效特性
在GIS导电杆上套一铁氧体磁环，由于磁环的高频特性，相当在开关断口和空载母线问串接一阻抗，运用变压器等效变换原理，将磁环所套母线看作变压器原边，磁环的损耗看成变压器副边损耗。如图3，Rd和ld分别为磁环的等效电阻及电感，Z为母线的波阻抗。
磁环等效电路图
不考虑反射波及线损的影响，母线的首端电压为：
由上式知，Rd>>Z,随着ld增大，Uz减小，电压的幅值、陡度都有不同程度的抑制；当ld一致时，随着Rd的减小，Uz减小，磁环的吸收，衰减性能增加，电压幅值陡度同样受到抑制，所以可以选取合适的Rd,ld使抑制效果最佳。通过文献的仿真认为，R、L分别为70Ω与0.02mH时抑制作用最大。
3．3 关于VFTO防范的结论
为有效抑制VFTO，应选用饱和磁通密度Bs大，磁导率ui高的材料；适合设备波阻抗特性的铁氧体等效电感和电阻可通过仿真计算得到；对于具体结构的GIS，可通过仿真计算得到抑制VFTO的铁氧体的结构尺寸。
参考文献
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