变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法
【专利摘要】本发明公开了属于电磁兼容技术领域的一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法。变电站气体绝缘开关设备管道支架结构有多种；将整体管道支架拆分为多个单根导体构成，构成支架的单根导体包括横截面为矩形、L型或工字型的扁钢导体；每单根导体构成一条支路；用电磁场数值仿真提取单根导体的内阻抗和部分自电感；单根导体的内阻抗和部分自电感串联成单根导体的等效电路；将每根导体构成的电路按支架结构连接起来，并加入每两导体之间存在的互感，将构成整体支架的等效电路模型。本发明能够对复杂的支架进行等效电路建模，此种方法具有计算简单，物理意义明确，计算较准确的特点。
【专利说明】
变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法
技术领域
[0001] 本发明属于变电站电磁兼容技术领域，特别设及一种变电站气体绝缘开关设备管 道支架的等效电路建模方法。
【背景技术】
[0002] 气体绝缘开关设备(GIS)变电站具有占地面积小，密封性好，受环境影响小，运行 可靠性高，检修周期长，维护工作量少，运行费用低等显著优点，在我国电网得到了广泛应 用。GIS中隔离开关操作和受到雷电冲击时，会产生波头很睹的行波，运些行波在GIS内发生 多次折反射后，形成特快速暂态过电压。当行波传播至外部在GIS外壳与大地之间传播时， 经过多次折反射形成暂态外壳电压（Transient Enclosure Voltage,TEV)，TEV幅值可达几 十千伏，上升沿低至几纳秒，频率可达几十兆赫兹，威胁GIS外壳的表面绝缘和与外壳相连 的二次设备的安全运行。
[0003] GIS中支架是用于支撑GIS管道同时连接管道与大地的接地设备。由于TEV的频率 比较高，运样使得支架在TEV作用下的暂态性能与低频情况不同，接地体电感影响比较明 显，与电阻具有一定的可比性。在电压等级为300kVW下时，GIS系统很少发生于操作相关的 问题，此时GIS外壳相当于直接与地相连，支架等接地系统短路处理。随着电压等级的升高， TEV频率的增加，接地引线和支架呈现出高阻抗特性，不能有效的保持外壳的零电位，因此 高频下建立准确的支架模型对于研究TEV和二次侧的电磁骚扰具有重要意义。目前，接地装 置的模型方法中，数值分析和等效电路两种方法是两种常用的方法。数值计算虽然计算较 为精确，但计算模型复杂，计算量较大且慢;等效电路法具有模型简单，计算速度快等优点， 是一种直接的、易于实施、有效的方法。由于支架结构内部结构比较复杂，TEV在支架中传播 的特性不是很清楚，在W往的支架处理中常常W数值计算得到支架的总的阻抗进行计算， 运种方法计算量较大，所费时间也长;或者W短路或一个近似电感近似等效支架，此种方法 则太过于简单，计算误差也比较大。
【发明内容】
[0004] 本发明目的是提供一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法， 其特征在于，包含W下步骤：
[0005] 步骤1:在GIS中管道支架结构有多种;将整体管道支架拆分为多个单根导体构成， 构成支架的单根导体包括横截面为矩形、L型或工字型的扁钢导体;每单根导体构成一条支 路；
[0006] 步骤2:用电磁场数值计算方法提取单根导体的频变内阻抗、部分自电感;每条支 路的等效电路由单根导体的内阻抗和部分自电感串联而成；由于数值分析提取频变的单根 导体内阻抗和部分自电感，即可构成单根导体频变等效电路；
[0007] 步骤3:考虑支架中每两单根导体之间产生互感，求解各单根导体之间互感，两垂 直单根导体之间互感为零。对于复杂结构的单根导体之间的互感没有准确的解析公式，贝U 用两圆形的单根导体之间的互感公式近似；
[0008] 两长度相等、平行的圆形单根圆导体之间互感解析公式为：
[0009]
[0010] 其中，μ〇为真空磁导率，l、d、rw分别为圆形单根导体长度、两圆形单根导体之间的 距离及半径。
[0011] 两平行的矩形单根导体之间的互感解析公式为：
[0012]
[0013] 其中，l、s分别为矩形单根导体长度、两矩形单根导体之间的距离。
[0014] 两并列圆形单根导体之间的互感解析公式为：
[0015]
[0016] 其中，μ〇为真空磁导率，m、d分别为圆形单根导体长度、两圆形单根导体之间的距 离，Z1、Z2分别为两导体顶端对地距离。
[0017] 步骤4:将每条单根导体构成的支路按支架结构连接在一起，并同时考虑每两单根 导体之间的互感，最后构成整体支架的等效电路模型。
[0018] 所述的步骤1中，通过数值计算准确提取一定频率下不同截面单根导体的频变内 阻抗和部分自电感，在GIS中暂态外壳电压的频率达到几十兆赫兹，用数值分析方法提取0 ~1 OOMHz的单根导体频变内阻抗和部分自电感。
[0019] 所述步骤2中，对于不同结构的单根导体构成的支架，其单根导体的等效电路阻抗 值应与数值分析中提取的单根导体模型的阻抗值一致。
[0020] 所述的步骤3中，频率较低时，单根导体与单根导体之间的禪合效应可W忽略，不 需要考虑电感的影响。
[0021] 所述的步骤3中，对于特高压变电站中，TEV的频率可W达到了几十兆赫兹，电感影 响比较明显；电感存在于两平行或并列单根导体之间，对于构成支架的两平行和两并列的 两单根导体之间在高频时存在着电磁场禪合，在支架等效电路的建立中，考虑电感的存在。
[0022] 所述步骤4中，对于支架的等效电路建模，可W建立0~lOOMHz内频变的等效电路。
[0023] 所述的步骤4中，对于步骤2中得到的单条电路支路可W按支架结构进行重新组合 构成整体支架的等效电路;考虑在计算高频时导体之间存在着电磁场禪合，在W上等效电 路的基础上加入每两单根导体之间的互感。
[0024] 本发明则提出了一种等效电路建模方法可W比较简单地建立起复杂支架的频变 电路模型，同时计算结果精确，物理意义明确。
【附图说明】
[0025] 图1为两平行圆导体相对位置示意图。
[0026] 图2为单根圆导体与其等效电路示意图；其中（a)为半径0.5cm，长1.2m，电导率1.1 X 106S/m的圆导体；（b)为其等效电路。
[0027] 图3为单根圆导体数值计算结果与解析解对比的阻抗参数示意图。
[0028] 图4为一种正方形支架结构及其等效电路模型示意图。其中（a)所示的正方形支架 由四段长度为0.5m的L型扁钢导体连接而成，（b)图为该支架的等效电路模型
[0029] 图5为正方形支架数值计算结果与等效电路阻抗参数对比示意图。其中(a)幅频特 性，(b)相频特性。
[0030] 图6为一种复杂长方形支架结构及其等效电路示意图。其中（a)所示的复杂长方形 支架，支架由每段长度为0.5m，宽5cm，高0.5cm的矩形导体构成，（b)为该支架的等效电路模 型
[0031 ]图7为复杂长方形支架数值计算结果与等效电路阻抗参数对比示意图。
[0032] 图8为一种正方体支架及其等效电路示意图。其中（a)所示的正方体支架，支架由 每段长度为0.5m，宽5cm，高0.5cm的矩形导体构成，（b)为该支架的等效电路模型。
[0033] 图9为正方体支架数值计算结果与等效电路阻抗参数对比示意图。其中(a)幅频特 性，b)相频特性；
【具体实施方式】
[0034] 本发明提供一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法，下面结 合附图，对优选实施例作详细说明。
[0035] 实施例1
[0036] 在图1、图2所示的单根圆导体与其等效电路示意图中，（a)为半径0.5cm，长1.2m， 电导率1.1 X 106s/m的圆导体，（b)为其等效电路。本圆导体等效电路方法具体包含W下步 骤：
[0037] 步骤1:用电磁场数值计算方法提取该圆导体的频变内阻抗、部分自电感，频率范 围为0~lOOMHz;
[0038] 步骤2:将此圆导体的内阻抗与部分自电感串联构成电路；
[0039] 圆导体的阻抗理论公式为：
[0042] σ为导体电导率，δ为导体集肤深度，Jo和Ji分别为贝塞尔函数。Ijw分别为导体长 度、导体半径。数值分析法计算圆导体内阻抗与部分自感同理论公式对比结果如图3所示。 两种方法在频率范围为0~lOOMHz时计算得到的频变电阻和部分自电感的一致性都较好。
[0043] 实施例2
[0044] 图4所示为一种正方形支架结构及其等效电路模型示意图。其中（a)所示的正方形 支架由四段长度为0.5m的L型扁钢导体连接而成，（b)为该支架的等效电路模型。本正方形 支架等效电路方法具体包含W下步骤：
[0045] 步骤1:将正方形支架分成由四段长度为0.5m的单根导体，同时用电磁场数值仿真 提取单根L型导体的频变电阻和部分自电感，其中频率范围为0~lOOMHz;
[0046] 步骤2:将单根导体电阻和部分自电感串联成一条电路支路，分别构成四条支路；
[0047] 步骤3:正方形支架中，两相交的垂直导体之间的互感为零，两平行单根导体支架 考虑互感；
[0048] 步骤4:将四根导体分别构成的四条支路按正方形支架结构重新连接，同时在两平 行支路之间加入互感，构成整个支架的等效电路模型。
[0049] 步骤5:将该支架的等效电路模型计算的阻抗特性与数值分析计算的阻抗特性进 行对比，验证等效电路法的正确性。其比较结果如图5所示：（a)幅频特性，b)相频特性；，两 种方法的幅频特性和相频特性的一致性都较好。
[00加]实施例3
[0051] 如图6所示为一种复杂长方形支架结构及其等效电路示意图。其中（a)所示的复杂 长方形支架，支架由每段长度为0.5m，宽5cm，高0.5cm的矩形导体构成，（b)为该支架的等效 电路模型。本复杂长方形支架等效电路方法具体包含W下步骤：
[0052] 步骤1:将复杂长方形支架分成长度为0.5m的单根矩形导体，同时电磁场数值分析 提取单根矩形导体的频变内阻抗和部分自电感，频率范围为0~lOOMHz;
[0053] 步骤2:每根导体的内阻抗和部分电感串联构成一条电路，分别构成多条电路支 路；
[0054] 步骤3:复杂长方形支架中，除了要考虑两平行单根导体之间存在互感，在两并列 导体之间也存在互感，将所有互感讨论在内；
[0055] 步骤4:所有单根矩形导体构成的单条电路支路按支架结构连接，同时在两平行支 路和并列导体之间分别加入互感，构成整个支架的等效电路模型如图6(b)所示。
[0056] 步骤5:将该支架的等效电路模型计算的阻抗特性与数值分析计算的支架阻抗特 性进行对比，其比较结果如图7所示，两种方法的幅频特性和相频特性的一致性都较好。 [0化7] 实施例4
[0058] 如图8所示为一种正方体支架及其等效电路示意图。其中（a)所示的正方体支架， 支架由每段长度为0.5m，宽5cm，高0.5cm的矩形导体构成，（b)为该支架的等效电路模型。本 正方体支架等效电路方法具体包含W下步骤：
[0059] 步骤1:将正方体支架分成长度为0.5m的单根矩形导体，同时电磁场数值分析提取 单根矩形导体的频变内阻抗和部分自电感，频率范围为0~lOOMHz;
[0060] 步骤2:每根导体的内阻抗和部分电感串联构成一条电路，分别构成多条电路支 路；
[0061] 步骤3:考虑正方体支架中所有两平行单根导体之间的互感；
[0062] 步骤4:所有单根矩形导体构成的单条电路支路按支架结构连接，同时在两平行支 路之间加入互感，构成整个支架的等效电路模型如图8(b)所示；
[0063] 步骤5:将该支架的等效电路模型计算的阻抗特性与数值分析计算的支架阻抗特 性进行对比，其比较结果如图9所示的(a)幅频特性，（b)相频特性;两种方法的幅频特性和 相频特性的一致性较好。
【主权项】
1. 一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法，其特征在于，包含以 下步骤： 步骤1:在GIS中管道支架结构有多种;将整体管道支架拆分为多个单根导体构成，构成 支架的单根导体包括横截面为矩形、L型或工字型的扁钢导体;每单根导体构成一条支路； 步骤2:用电磁场数值计算方法提取单根导体的频变内阻抗、部分自电感;每条支路的 等效电路由单根导体的内阻抗和部分自电感串联而成；由数值分析提取频变的单根导体内 阻抗和部分自电感，构成单根导体频变等效电路； 步骤3:考虑支架中每两单根导体之间产生互感，求解各单根导体之间互感，两垂直单 根导体之间互感为零;对于复杂结构的单根导体之间的互感没有准确的解析公式，则用两 圆形的单根导体之间的互感公式近似;两长度相等、平行的圆形单根圆导体之间互感解析 公式为：其中，μ〇为真空磁导率，l、d、rw分别为圆形单根导体长度、两圆形单根导体之间的距离 及半径； 两平行的矩形单根导体之间的互感解析公式为：其中，1、s分别为矩形单根导体长度、两矩形单根导体之间的距离； 两并列圆形单根导体之间的互感解析公式为：其中，μ〇为真空磁导率，m、d分别为圆形单根导体长度、两圆形单根导体之间的距离，Z1、 Z2分别为两导体顶端对地距离； 步骤4:将每条单根导体构成的支路按支架结构连接在一起，并同时考虑每两单根导体 之间的互感，最后构成整体支架的等效电路模型。2. 根据权利要求1所述一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法， 其特征在于，所述步骤1中，通过数值计算准确提取一定频率下不同截面单根导体的频变内 阻抗和部分自电感，在GIS中暂态外壳电压的频率达到几十兆赫兹，用数值分析方法提取0 ~100MHz的单根导体频变内阻抗和部分自电感。3. 根据权利要求1所述一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法， 其特征在于，所述步骤2中，对于不同结构的单根导体构成的支架，其单根导体的等效电路 阻抗值应与数值分析中提取的单根导体模型的阻抗值一致。4. 根据权利要求1所述一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法， 其特征在于，所述的步骤3中，频率较低时，单根导体与单根导体之间的耦合效应可以忽略， 不需要考虑电感的影响。5. 根据权利要求1所述一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法， 其特征在于，所述的步骤3中，对于特高压变电站中，TEV的频率可以达到了几十兆赫兹，电 感影响比较明显；电感存在于两平行或并列单根导体之间，对于构成支架的两平行和两并 列的两单根导体之间在尚频时存在着电磁场親合，在支架等效电路的建立中，考虑电感的 存在。6. 根据权利要求1所述一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法， 其特征在于，所述步骤4中，对于支架的等效电路建模，建立0~1 OOMHz内频变的等效电路。7. 根据权利要求1所述一种变电站气体绝缘开关设备管道支架的等效电路建模方法， 其特征在于，所述的步骤4中，对于步骤2中得到的单条电路支路可以按支架结构进行重新 组合构成整体支架的等效电路;考虑在计算高频时导体之间存在着电磁场耦合，在以上等 效电路的基础上加入每两单根导体之间的互感。
【文档编号】G06F17/50GK105825037SQ201610420926
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】曹书云, 焦重庆
【申请人】华北电力大学