一种气体绝缘变电站l型管道拐弯段的等效电路建模方法
【专利摘要】本发明公开了属于变电站一次设备电磁兼容技术领域的一种气体绝缘变电站L型管道拐弯段的等效电路建模方法。首先将GIS的L型管道结构分为规则和不规则两部分，利用电磁场数值分析法计算管道外壳和中心导体之间构成的二端口模型的转移参数。基于电磁场数值计算，结合等效电路方法可以准确地推导出GIS管道等效电路中不规则部分补偿电容、补偿电感的解析公式。本发明能够准确地推导出π型等效电路和T型等效电路中补偿电容电感的频变解析公式，能够精确、简单地建立特高压变电站GIS管道拐弯处的等效电路模型。对于研究GIS管道中产生的高频瞬态电磁波，具有电磁场方法具有计算准确、而等效电路法具有计算模型简单、计算方便等优点。
【专利说明】
-种气体绝缘变电站L型管道拐弯段的等效电路建模方法
技术领域
[0001] 本发明属于变电站一次设备电磁兼容技术领域，特别设及一种气体绝缘变电站L 型管道拐弯段的等效电路建模方法。
【背景技术】
[0002] 智能电网是当今世界电力系统发展变革的最新动向，被认为是21世纪电力系统的 重大科技创新和发展趋势。根据我国能源发展战略，未来将W智能电网建设为主。大批智能 变电站试点工程投入建设，也使得智能电力设备的需求急剧增加，其应用前景十分广阔。变 电所是强电设备和弱电二次设备最为集中的场所，电源系统、控制设备等二次设备通过测 量、控制、通信线路及其它电缆与一次设备和其它变电所相连，运些设备极易受到开关操 作、瞬时故障和雷电冲击造成的暂态过电压干扰的影响。
[0003] 在气体绝缘变电站(GIS)中，隔离开关操作和局部放电都可W产生瞬态电磁波。隔 离开关在操作过程中，由于动、静触头之间的电弧多次击穿与重燃产生瞬态电磁波并在GIS 内部多次折反射形成特快速暂态过电压（Very Fast IYansient Over-voltage,VFTO)。在 GIS管道中传播的瞬态电磁波，在诸如拐弯、盆式绝缘子及套管等结构改变的位置，其电磁 场分布会产生局部的崎变，运些将依次决定整个暂态过电压波形的峰值。对于特高压GIS系 统而言，特快速暂态过电压(VFTO)的幅值高达数千伏到数十千伏，上升沿短至几纳秒，频率 高达几十兆赫兹，作用在GIS的不同部位(如隔离开关本身、绝缘间隙、绝缘子、套管)均可能 出现故障，而且对邻近的其它高压设备(如电力变压器)的绝缘结构造成很大危险。为此，需 要对其开展深入的理论和实验研究，W掲示其特性及其影响因素，提出有效的减缓和防护 措施。准确掌握瞬态电磁波在GIS管道中的传播特性对于VFTO建模、局放检测W及管道外壳 电位升及对二次设备的电磁骚扰均具有重要意义。
[0004] 目前研究GIS管道中的电磁波传播过程主要有两种方法：电磁场方法和等效电路 法，等效电路法即传输线法加集总电路元件方法。等效电路法具有计算速度快、模型简单的 优点，但通常适合简单场域的计算；电磁场方法适用于复杂场域的计算，但模型复杂、计算 较慢。针对某特高压变电站的GIS管道尺寸和L型拐弯段结构，基于电磁场仿真得到L型管道 0~120MHz内的二端口网络参数，运用等效电路法推导出了 0~120MHz的补偿电容与补偿电 感的计算公式。在等效电路法中，规则处管道外壳和中屯、导体之间可W看作是均匀传输线； 不规则处，电磁场分布发生崎变，电磁波不再W标准的横电磁波(TEM)模式进行传播，可W 通过引入补偿电路的方式进行补偿。
[0005] 本文则提出了一种等效电路建模方法:结合电磁场数值分析和等效电路两种方法 的优势，通过利用电磁场方法的结果来修正等效电路法。本方法还提出了 n型和T型两种补 偿等效电路，不同于管道半径突变，拐弯段并不能单独由补偿电容来完全描述，还需要考虑 补偿电感。此种方法可W有效地减小等效电路方法的误差，准确地对高频情况下的GIS等拐 弯段进行等效电路建模。
【发明内容】
[0006] 本发明目的是提供一种气体绝缘变电站L型管道拐弯段的等效电路建模方法，其 特征在于，具体包含W下步骤：
[0007] 步骤1:针对某特高压变电站给定尺寸，对于GIS的L型管道模型，用电磁场数值分 析方法提取0~120MHz内L型管道二端口的转移参数；
[000引步骤2:将L型管道分成两部分:直线段为规则段，非直线段为不规则段；
[0009] 步骤3:对GIS的L型管道进行等效电路建模:规则段为传输线模型，不规则段由补 偿电容和补偿电感构成的n型等效电路或者T型等效电路进行等效，再将=段连接成整个L 型管道的二端口等效电路模型；
[0010] 步骤4:基于电磁场数值分析方法和等效电路法得到的L型管道的转移参数相等， 推导出n型等效电路或者T型等效电路在0~120MHz的补偿电容和补偿电感值。
[0011] 所述的步骤1中，GIS的管道中产生的VFTO能够达到几十兆赫兹，在电磁场数值计 算L型管道模型的转移参数时频率选择在0~120MHz内；
[0012] 所述的步骤2中，对于GIS的L型管道结构，将其分为分支半径相等和分支半径不相 等的两种结构;而管道是由直线管道部分和非直线管道部分两部分组成。
[0013] 所述的步骤3中，高频情况下，GIS的L型管道规则段为直线段，直接等效为传输线 模型，不规则段由于电磁波传播到该结构处时存在着电磁场的局部崎变，等效为频变电容 电感构成的n型等效电路和T型等效电路。
[0014] 所述步骤4中，对于同一GIS的L型管道模型，电磁场数值计算和等效电路两种方法 同时计算出的其管道转移参数。基于电磁场数值分析方法，结合等效电路法的优势，将两种 方法的计算的转移参数进行等价，即可W得到不规则段n型等效电路或T型等效电路的补偿 电容电感解析公式。
[0015] 本发明能够准确地推导出JT型等效电路和T型等效电路中补偿电容电感的频变解 析公式，能够精确、简单地建立特高压变电站GIS管道拐弯处的等效电路模型。对于研究GIS 管道中产生的高频瞬态电磁波，具有电磁场方法具有计算准确、而等效电路法具有计算模 型简单、计算方便等优点。
【附图说明】
[0016] 图1为分支半径和长度相等的GIS的L型管道仿真模型示意图。
[0017] 图2为分支半径不等的GIS的L型管道仿真模型示意图
[0018] 图3为GIS的L型管道的等效二端口网络示意图。
[0019] 图4为GIS的L型管道不规则部分由双电容、单电感构成的JT型等效电路示意图。
[0020] 图5为GIS的L型管道不规则部分由单电容、双电感构成的T型等效电路示意图。
[0021 ]图6为忽略管道结构变化影响的直管示意图。
[0022] 图7为分支半径相等L型管道JT型补偿电路和T型补偿电路的随频率变化的补偿电 容值示意图。
[0023] 图8为分支半径相等L型管道JT型补偿电路和T型补偿电路的随频率变化的补偿电 感值示意图。
【具体实施方式】
[0024] 本发明提供一种气体绝缘变电站L型管道拐弯段的等效电路建模方法，，下面结合 附图和实施例对本发明作详细说明。
[0025] 实施例1
[0026] 图1为管道分支半径相等的GIS的L型管道模型，根据某特高压变电站给定的设备 尺寸，GIS的L型管道外壳外半径为0.45m，内半径为0.44m，管道中屯、导杆半径为9畑1，导体都 选择为理想导体计算。分支半径相等的GIS的L型管道等效电路建模方法具体包含W下步 骤：
[0027] 步骤1:如图1所示GIS的L型管道模型，用电磁场数值分析方法提取0~120MHz内L 型管道^战nAM日虹?某:谢甘化化車达式如下.
[002引
[0029] 、Z"、Z44分别表示二端口网络的阻抗转移参数，Ui、 U4、Ii、l4分别表示二端口的端口电压和电流。其中1、4表示直线段的端口；2、3表示非直线段 与直线段的结合处位置；
[0030] 步骤2:将L型管道分成两部分:直线段为规则段，非直线段为不规则段。图3为GIS 的L型管道的等效二端口网络示意图，其中管道两端直线段分支的长度相等。
[0031] 步骤3:对GIS的L型管道进行等效电路建模:如图3所示，规则段为均匀无损传输线 模型，不规则段由补偿电容和补偿电感构成的JI型等效电路或者T型等效电路进行等效，两 种等效电路分别如图4和图5所示。在图1的GIS的L型管道模型中，对于组成型等效电路或 者T型等效电路的补偿电容电感存在W下关系：扣=〔2 = (：，1/1 = 1/2 = 1'。再将；段连接成 整个GIS的L型管道的二端口等效电路模型。
[0032] 此时，均匀无损传输线模型的转移参数矩阵r为：
[0033]
[0034] %线路单位长电容及电感，Zc为均匀无损 传输线的特征阻抗。
[0035] JT型等效电路或者T型等效电路的转移参数矩阵分别为Tl和T2,其中
[0036]
[0037]
[003引而对于同一管道有Ti = T2。
[0039] 则整个GIS的L型管道二端口网络的转移矩阵为:T'=TTiT。
[0040] 步骤4:基于电磁场数值分析方法和等效电路法得到的L型管道的转移参数相等， 推导出n型等效电路或者T型等效电路在0~120MHz的补偿电容和补偿电感值。
[0041] 将步骤1中电磁场数值分析法提取的GIS的L型管道二端口的Z参数矩阵转换成T参 数矩阵，此矩阵与步骤3中得到的GIS的L型管道二端口网络的T参数矩阵相等，可W推导出JT 型等效电路在0~120MHz的补偿电容和补偿电感频变解析公式如下：
[0042]
[0043]
[0044] 其中1的长度可取图1中的h或者b;sin(2m)、cos(2化）分别为正弦余弦函数，W 为角速度。当1取b时，补偿电容电感由于管道结构的原因可能值为负数，一般取h进行计 算。图6为忽略拐弯段影响的直线结构示意图，其中1的长度也可取图1中的h或者12,其仿真 的转移参数可W用来和考虑拐弯段作用后的管道转移参数作对比。
[0045] T型等效电路在0~120MHz的补偿电容和补偿电感频变解析公式如下：
[0046]
[0047]
[004引其中，式中L和C分别为型等效电路补偿电容电感所对应的表达式。图7和图8分别 为1取h、L长度取4.225m时，JT型等效电路和T型等效电路得出的补偿电容和补偿电感的频 变值。随频率的变化，等效电路中补偿电容大约在15~35pF，补偿电感大约在0.05~0.35ii H。
[0049] 实施例2
[0050] 图2为管道分支半径不相等的GIS的L型管道模型，根据某特高压变电站给定的设 备尺寸，对于半径较大的管道一端，GIS的L型管道外壳外半径为0.716m，内半径为0.7m，管 道中屯、导杆半径为10.5cm。对于管道半径比较小的一端，GIS的L型管道外壳外半径为 0.45m，内半径为0.44m，管道中屯、导杆半径为9畑1，导体都选择为理想导体计算。本发明提供 分支半径不相等的GIS的L型管道等效电路建模方法具体包含W下步骤：
[0051] 步骤1:如图2所示GIS的L型管道模型，用电磁场数值分析方法提取0~120MHz内L 型管道二端口的阻抗参数矩阵为：
[0化2]
[00对对于管道分支半径不相等有Zll声Z44，Zl4 = Z41。
[0054] 步骤2:将L型管道分成两部分:直线段为规则段，非直线段为不规则段。图3为L型 管道的等效二端口网络示意图，其中管道两端直线段分支的长度相等。
[0055] 步骤3:对GIS的L型管道进行等效电路建模:规则段为均匀无损传输线模型，不规 则段由补偿电容和补偿电感构成的n型等效电路或者T型等效电路进行等效，两种等效电路 分别如图4和图5所示。在图2所示的GIS的L型管道模型中，由于管道两分支的半径不相等， 则不规则段两端的均匀无损传输线的特征阻抗不相等，且Cl声C2，L'i声L'2。连接=段构成L 型管道的二端口等效电路模型。
[0056]此时，均匀无损传输线模型的转移参数矩阵为：
[0化7]
[005引 ；lj为线路单位长电容及电感，Zc为均匀无损 传输线的特征阻抗。对于图2中的L型管道模型，两段直线管道的特征阻抗值不相等，分别为 Zci和ZC2，单位长电容电感分别为Gu，Uu和C0_2，L0_2，其转移T参数矩阵分别为Tll和T22。
[0059] JT型等效电路或者T型等效电路的转移参数矩阵分别为Tl和T2,其中
[0060]
[0061]
[0062] 而对于同一管道有Ti = T2。
[00创则整个GIS的L型管道二端口网络的转移矩阵为:T'=TiiTiT22。
[0064] 步骤4:基于电磁场数值分析方法和等效电路法得到的L型管道的转移参数相等， 推导出n型等效电路或者T型等效电路在0~120MHz的补偿电容和补偿电感值。
[0065] 将步骤1中电磁场数值分析法提取的GIS的L型管道二端口的Z参数矩阵转换成T参 数矩阵，此矩阵与步骤3中得到的GIS的L型管道二端口网络的T参数矩阵相等，可W推导出JT 型等效由路在0~1 20MHz的补俟由威巧补俟由怒硫巧解析公式化下：
[0066]
[0067]
[006引
[0069]
[0070] T型等效电路在0~120MHz的补偿电容和补偿电感频变解析公式如下：
[0071]
[0072] 其中，式中L和Ci、C2分别为JT型等效电路补偿电容电感所对应的表达式。
【主权项】
1. 一种气体绝缘变电站L型管道拐弯段的等效电路建模方法，其特征在于，具体包含以 下步骤： 步骤1:针对某特高压变电站给定尺寸，对于GIS的L型管道模型，用电磁场数值分析方 法提取O~120MHz内L型管道二端口的转移参数； 步骤2:将L型管道分成两部分:直线段为规则段，非直线段为不规则段； 步骤3:对GIS的L型管道进行等效电路建模:规则段为传输线模型，不规则段由补偿电 容和补偿电感构成的η型等效电路或者T型等效电路进行等效，再将三段连接成整个L型管 道的二端口等效电路模型； 步骤4:基于电磁场数值分析方法和等效电路法得到的L型管道的转移参数相等，推导 出π型等效电路或者T型等效电路在0~120MHz的补偿电容和补偿电感值。2. 根据权利要求1所述一种气体绝缘变电站L型管道拐弯段的等效电路建模方法，其特 征在于，所述的步骤1中，GIS的管道中产生的VFTO能够达到几十兆赫兹，在电磁场数值计算 L型管道模型的转移参数时频率选择在0~120MHz内。3. 根据权利要求1所述一种气体绝缘变电站L型管道拐弯段的等效电路建模方法，其特 征在于，所述的步骤2中，对于GIS的L型管道结构，将其分为分支半径相等和分支半径不相 等的两种结构;而管道是由直线管道部分和非直线管道部分两部分组成。4. 根据权利要求1所述一种气体绝缘变电站L型管道拐弯段的等效电路建模方法，其特 征在于，所述的步骤3中，高频情况下，GIS的L型管道规则段为直线段，直接等效为传输线模 型，不规则段由于电磁波传播到该结构处时存在着电磁场的局部畸变，等效为频变电容电 感构成的π型等效电路和T型等效电路。5. 根据权利要求1所述一种气体绝缘变电站L型管道拐弯段的等效电路建模方法，其特 征在于，所述步骤4中，对于同一GIS的L型管道模型，电磁场数值计算和等效电路两种方法 同时计算出的其管道转移参数，基于电磁场数值分析方法，结合等效电路法的优势，将两种 方法的计算的转移参数进行等价，即可以得到不规则段型等效电路或T型等效电路的补偿 电容电感解析公式。
【文档编号】G06F17/50GK105956337SQ201610412743
【公开日】2016年9月21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