GIS变电站VFTO分析的电压互感器电磁暂态建模分析方法与流程

本发明属于电气工程领域中过电压分析与建模技术，尤其涉及一种GIS变电站VFTO分析的电压互感器电磁暂态建模方法。

背景技术：

气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear，GIS)具有结构紧凑、占地省、易于维护等优点，在110kV及以上电网中得到了广泛应用，高压交流输电系统也越来越多地采用了GIS设备。GIS变电站中，断路器、隔离开关和接地开关操作以及发生单相接地短路故障都会产生特快速瞬态过电压(very fast transient overvoltage，VFTO)，其中隔离开关操作是其产生的主要原因。VFTO具有幅值高、波前陡、频率高和多次连续脉冲的特点，对GIS及其连接的绕组类设备(如变压器)绝缘有重要影响；同时，它也会在GIS外壳与外部引线连接处产生瞬态壳体电位(transient enclosure voltage，TEV)，引起二次设备绝缘和人身安全问题，并对测量控制设备产生电磁干扰，造成二次设备的误动作。因此，VFTO已成为国内外研究人员关注的焦点。

针对GIS的产品设计，20世纪80年代开始国外一些厂商对超高压系统中隔离开关操作产生的VFTO现象进行了大量研究，设计了VFTO测量系统，采用模拟试验和数字仿真方法分析VFTO的特性、对设备绝缘的影响和对二次设备的电磁干扰等，提出了隔离开关加装阻尼电阻抑制VFTO的措施。近年来，国内外对于VFTO研究的受损对象主要是变压器等一次电气设备及其绝缘水平评价问题，相关研究成果的主要贡献集中在适用于快速暂态过电压的元件模型(如避雷器、隔离开关电弧模型、电压互感器模型等)、快速暂态过电压计算等方面。最近，文献开展了GIS电压互感器的传递过电压试验研究，通过一套集B类冲击波的产生、控制及测量为一体的试验装置，得出了GIS电压互感器的传递过电压具有线性传递特性的结论，但是国内外对于电压互感器(Potential Transformer,PT)二次侧高频过电压危害的研究较少以及缺少相应仿真模型缺失等问题。

技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题：提供一种GIS变电站VFTO分析的电压互感器电磁暂态建模分析方法，以解决现有技术GIS变电站对于电压互感器(Potential Transformer,PT)二次侧高频过电压危害的研究较少以及缺少相应仿真模型缺失等问题。

本发明技术方案：

一种GIS变电站VFTO分析的电压互感器电磁暂态建模分析方法，它包括：

步骤1、利用PSCAD/EMTDC软件自定义功能，完成母线电压互感器电磁暂态模型构建；

步骤2、将母线电压互感器电磁暂态模型利用单相变压器T型等效电路转换为Γ型等效电路的原理，构建了一个互感器传递函数；实现当一次侧通入兆赫兹级的高频信号耦合到二次侧电缆芯线上；

步骤3、该母线电压互感器电磁暂态模型通过一个电流电压特性曲线表，模拟互感器饱和特性。

步骤1所述母线电压互感器电磁暂态模型由3个单相3绕组变压器模型UMEC构成。

步骤2所述的构建一个互感器传递函数的表达式为：

式中：R、L、C_PS分别为电压互感器的电阻、电感、电容，C_P和C_S分别为一次侧和二次侧的对地电容，R_h和L_h分别为铁磁损耗电阻和激励电感，则V_s＝kV’_s，k为互感器变比；R＝R_p+kR_s；R＝R_p+kR_s；C_s＝kC’_s。

步骤3所述特性曲线表实现10个离散点的线性函数模拟电压互感器的非线性饱和特性。

所述单相3绕组变压器模型UMEC的变压器一次侧分别接入GIS变电站高压侧A、B、C三相母线，二次侧依据电压互感器接线方式有两种连接方式：常规开口三角形的PT二次侧接法和特殊的PT二次侧接法，所述常规开口三角形的PT二次侧接法中A、B、C三相等效互感器模型一次侧1#绕组串接有一个0.01欧姆的等效接地电阻，二次侧2#绕组引出A相相电压端口，二次侧A相3#绕组、B相3#绕组、C相3#绕组串接，形成零序电压测量端口，形成Y/Y/△的电压互感器绕组接法；所述特殊的PT二次侧接法与常规开口三角形的PT二次侧接法有相同的第二绕组接法和不同的第三绕组接法；所述第三绕组接法为：A相同名端和C相异名端连接，B相同名端接地，B相异名端与A相同名端连接，由A相同名端和C相异名端形成AC线电压测量端口。

本发明的有益效果：

本发明通过构建母线电压互感器电磁暂态模型，将母线电压互感器电磁暂态模型利用单相变压器T型等效电路转换为Γ型等效电路的原理，构建了一个互感器传递函数，呈现了当一次侧通入兆赫兹级的高频信号，能够耦合到二次侧电缆芯线上，并将该模型通过一个电流电压特性曲线表，模拟互感器饱和特性，解决了现有技术GIS变电站对于电压互感器(Potential Transformer,PT)二次侧高频过电压危害的研究较少以及缺少相应仿真模型缺失等问题。

附图说明：

图1为本发明电压互感器电磁暂态模型等效电路示意图；

图2为实施例电压互感器常规开口三角形的二次侧接线示意图；

图3为实施例电压互感器特殊的PT二次侧接线示意图；

图4为本发明PT模型中UMEC的饱和特性曲线参数设定界面示意图；

图5为本发明超高压GIS变电站VFTO分析的母线电压互感器电磁暂态建模分析方法；

图6实施例具体案例操作方式1情形下52YH一次侧VFTO波形a)a相、b)b相示意图

图7实施例具体案例操作方式1情形下52YH二次侧VFTO波形a)a相；b)b相示意图；

图8实施例具体案例操作方式1情形下52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中B相之间过电压波形示意图

图9实施例具体案例操作方式2情形下52YH一次侧VFTO波形(b相)示意图

图10施例具体案例操作方式2情形下52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中B相之间过电压波形示意图。

具体实施方式：

一种GIS变电站VFTO分析的电压互感器电磁暂态建模分析方法，它包括：

步骤1、利用PSCAD/EMTDC软件自定义功能，完成母线电压互感器电磁暂态模型构建；步骤1所述母线电压互感器电磁暂态模型由3个单相3绕组变压器模型UMEC构成。这3个单相3绕组变压器一次侧分别接入GIS变电站高压侧A、B、C三相母线，其二次侧可依据电压互感器接线方式可依据实际应用需要做相应调整，其中有两种主要的连接关系：一类常规开口三角形的PT二次侧接法和一类特殊的PT二次侧接法，分别如图2和图3所示。具体来说，常规开口三角形的PT二次侧接法中A、B、C三相等效互感器模型一次侧1#绕组串接有一个0.01欧姆的等效接地电阻，二次侧2#绕组引出A相相电压端口，而二次侧A相3#绕组、B相3#绕组、C相3#绕组串接，形成零序电压测量端口。这样，形成Y/Y/△的电压互感器绕组接法。而特殊的PT二次侧接法与前述常规开口三角形的PT二次侧接法有相同的第二绕组接法和不同的第三绕组接法，其第三绕组接法为：A相同名端和C相异名端连接，B相同名端接地，B相异名端与A相同名端连接，由A相同名端和C相异名端形成AC线电压测量端口。

步骤2、将母线电压互感器电磁暂态模型利用单相变压器T型等效电路转换为Γ型等效电路的原理，构建了一个互感器传递函数；呈现了当一次侧通入兆赫兹级的高频信号，能够耦合到二次侧电缆芯线上；

步骤2所述的构建一个互感器传递函数的表达式为：

式中：s为传递函数中复数符号，V_p和V_s分别为电压互感器一次侧和二次侧电压，对地电容,R、L、C_PS分别为电压互感器的电阻、电感、电容，C_P和C_S分别为一次侧和二次侧的对地电容，R_h和L_h分别为铁磁损耗电阻和激励电感，则V_s＝kV’_s，k为互感器变比；R＝R_p+kR_s；R＝R_p+kR_s；C_s＝kC’_s。其中，V’s是变压器二次侧归算前的电压，C’s是二次侧归算前的对地电容，Rs是二次侧归算前的电阻。

当通入高频信号，尤其是频率达到兆赫兹级时，此时式(1)中s很大，可只考虑s次数最高的一项。式(1)可简化为

从传递函数中可以看出，在高频信号阶段，电压互感器的传递函数只与一次侧和二次侧的电容参数有关，当VFTO在线路上传播遇到电压互感器时，高频物理特性会通过一次侧和二次侧的分布电容，而容性地耦合到二次电缆芯线上，以传导的方式对二次设备造成干扰。

步骤3、该母线电压互感器电磁暂态模型通过一个电流电压特性曲线表，模拟互感器饱和特性。

步骤3所述特性曲线表要实现10个离散点的线性函数模拟电压互感器的非线性饱和特性。

本发明通过具体案例对本发明技术方案进行进一步说明：

验证案例1：天二厂500kV GIS开关站

基于天二厂500kV GIS开关站的电气数据参数以及GIS结构数据参数，从短时间暂态角度出发，建立操作过电压模型。根据计算和实测结果表明：VFTO的幅值主要取决于GIS装置的结构，网络支路越多，VFTO幅值随之下降，一般都采用单机、单变、单回线供电方式进行研究。因此，利用PSCAD/EMTDC X4.5，首先构建了一个天二厂500kV GIS开关站单回支路数据操作过电压模型

天二厂500kV GIS开关站单回支路模型是由变压器、隔离开关、接地开关、断路器、电流互感器(略)、母线等组成的以SF6为绝缘介质的封闭结构。

本VFTO仿真建模中，采用对地电容模型变压器采用等值入口电容模型，断路器合闸状态等效为传输导线模型，分闸状态等效为断口电容和对地电容的组合的分布参数模型，隔离开关闭合时等效为母线的一部分和对地电容，在断开时等效成对地集中电容，大部分等效参数结合课题组对GIS各元件等效参数的计算得到。

主要元件模型和参数的选取如表1所示。

表1 主要元件的模型和参数

运行操作方式

鉴于500kV#2M母线52YH二次保险熔断检查报告，结合运行检修人员意见，下面针对以下运行和操作方式，如表2所示，分别进行了VFTO模型操作过电压仿真分析。

表2 天二厂500kV GIS开关站待分析运行操作方式表

仿真基本参数设置：

仿真时间取20μs，计算步长取50ns(即5×10^-8s)。图中仿真持续时间单位为s，步长的单位为us。

PT模型及饱和特性参数设置：

本实施例所使用的PT模型如图3所示，饱和特性参数设置如图4所示。

刀闸操作方式一(5013开关由热备用转冷备用)

针对刀闸操作方式一(5013开关由热备用转冷备用过程中拉开50132刀闸，开关状态情况：5012开关、5013开关、50122刀闸、50121刀闸、50132刀闸、50131刀闸在分位；其余开关及刀闸在合位。)，开展VFTO仿真，获取GIS母线端部52YH电压互感器的一次侧和二次侧(含星型接线绕组和三角形接法绕组)各相暂态电压情况如下：

一次侧部分，52YH一次侧VFTO波形(a相)如图6a所示，52YH一次侧VFTO波形(b相)如如图6b所示。

二次侧部分，52YH二次侧VFTO波形(a相)如图7a所示，52YH二次侧VFTO波形(b相)如如图7b所示。

52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中B相之间过电压波形如图7所示。

由图6a和图6b可见，刀闸操作方式一(5013开关由热备用转冷备用过程中拉开50132刀闸)情况下，52YH电压互感器一次侧端部(位于500kV二母端部)各相VFTO过电压峰值可达1168～1172kV(约2.60～2.61p.u.)。

此外，由图7a和图7b可见，在采用典型PT饱和特性的电压互感器的情况下，52YH电压互感器二次侧电压峰值可达215V。由图7可见，52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中B相之间过电压峰值可达585V左右，达到PT二次侧第一绕组(星型接法)额定电压57.7V的1013％左右，超出了9倍以上。依据气体介质击穿的分析结论，若考虑二次接线端子头间的空气发电弧道中存在的杂质情况，52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中B相连接处过电压峰值(最恶劣情况)已接近或满足空气击穿冲击过电压条件。

刀闸操作方式二(5013开关由冷备用转热备用)

针对刀闸操作方式二(5013开关由冷备用转热备用过程中合上50132刀闸，开关状态情况：5011开关、5012开关、5013开关、50132刀闸、50111刀闸、50112刀闸在分位；其余开关及刀闸在合位。)，开展VFTO仿真，获取GIS母线端部52YH电压互感器的一次侧和二次侧(含星型接线绕组和三角形接法绕组)各相暂态电压情况如下：

由图9可见，刀闸操作方式二(5013开关由冷备用转热备用过程中合上50132刀闸)情况下，52YH电压互感器一次侧端部(位于500kV二母端部)B相VFTO过电压峰值可达1120～1125kV(约2.50～2.51p.u.)。

此外，由图10可见，52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中B相之间过电压峰值可达555V左右，达到PT二次侧第一绕组(星型接法)额定电压57.7V的962％左右，超出了8倍以上。依据气体介质击穿的分析结论，若考虑二次接线端子头间的空气发电弧道中存在的杂质情况，52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中B相连接处过电压峰值(最恶劣情况)已接近空气击穿冲击过电压条件。

汇总分析与结论

表3 天二厂500kV GIS开关站VFTO仿真结果过电压统计表

借助PSCAD/EMTDC，对天二厂500kV GIS开关站的快速暂态过电压(VFTO)进行了六种刀闸或开关的操作过电压分析，如表3所示。仿真结果显示：在最恶劣的运行条件(刀闸双侧电源电压为正负极性的反向电压波)下，50132操作时，电压互感器一次侧端部VFTO过电压值峰值可达1159～1182kV(2.59～2.63p.u)，频率范围可达几十kHz甚至MHz。在考虑典型PT饱和特性情况下，52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中A、B相连接处之间过电压峰值可达820V左右，达到PT二次侧第一绕组(星型接法)额定电压57.7kV的1420％左右，超出了13倍以上。依据气体介质击穿的分析结论，若考虑二次接线端子头间的空气发电弧道中存在的杂质情况，52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中B相连接处过电压峰值已接近或满足空气击穿冲击过电压条件。可以说，“GIS中超高频暂时过电压(VFTO)的出现”以及“52YH第一绕组B相与第三绕组开口三角中A、B相连接处间隙过近”应该是造成天二厂500kV PT二次侧冲击过电压值过高，导致PT二次保险熔断的主要原因。

综上所述，适用于超高压GIS变电站VFTO分析的母线电压互感器电磁暂态模型在天生桥第二电厂的应用仿真结果和分析结论，验证了该建模方法对于超高压GIS变电站VFTO分析中的有效性和适用性。