VFTO对空心线圈电子式互感器影响的建模方法与流程

本发明涉及一种建模方法，具体涉及一种VFTO对空心线圈电子式互感器影响的建模方法。

背景技术：

随着我国电力系统容量不断增大以及电压等级不断升高，电磁式电流互感器由于体积和重量大、绝缘结构复杂、磁饱和、频带窄、暂态特性差等固有缺点，已经不能满足现场可靠运行的需求。空心线圈电子式电流互感器由于测量品质优越，是一种理想的电磁式电流互感器替代产品，已经在新一代智能变电站中得到了广泛应用。

然而，空心线圈电子式电流互感器在现场运行时暴露出容易受到强电磁干扰的问题。尤其是在GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)变电站中，电气设备之间距离较近，隔离开关分合操作引起的行波在传播过程中衰减不明显，行波传播至外壳不连续处会发生多次折反射，会在线路上激起VFTO和VFTC(特快速暂态过电流)，经空心线圈传感至二次侧，导致电子式互感器输出波形出现严重畸变、毛刺，甚至互感器本身损坏的现象，影响了空心线圈电子式电流互感器在现场运行的可靠性，危及了电网的安全运行。目前，电力行业对于VFTO干扰对电子式互感器影响水平尚未有规范性的判断方法，因此，有必要建立一种VFTO对空心线圈电子式互感器的影响模型，研究现场暂态强干扰下电子式互感器的输出特性。

在现有研究中，VFTO对空心线圈电子式互感器影响模型大多偏重于一次线路和VFTO过程本身，对空心线圈电子式互感器的建模比较粗糙，一般沿用电感等效或集中参数模型，忽略了空心线圈在VFTO高频暂态过程中传变特性的变化，无法准确反映空心线圈杂散参数的影响和局部谐振。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种VFTO对空心线圈电子式互感器影响的建模方法。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

VFTO对空心线圈电子式互感器影响的建模方法，包括以下步骤，

步骤1，建模对象细分；

根据建模对象中各个电气设备在拓扑和功能上的相对独立性，将建模对象细分为多个次级功能单元；

步骤2，次级功能单元建模；

根据不同次级功能单元的工作原理，分别建立它们的模型；

步骤3，模型整合；

根据各个次级功能单元之间的关联性，对步骤2中建立的各个次级功能单元模型进行整合；

步骤4，整合后的模型求解；

在整合后的模型中引入激励和探针，设置仿真时间、步长和初始状态，执行模型求解。

建模对象为GIS变电站中某一出线侧的全部电力设备，将建模对象细分为空心线圈电流互感器、隔离开关、其他电力设备和辅助设备。

空心线圈电流互感器建模过程为，采用集中参数分段处理的方法，将空心线圈平均划分为n个微单元，每个微单元有着与集中参数模型相似的电路结构，微单元器件各参数为对应项的1/n，建立了空心线圈分布参数模型。

确定微单元器件数量的方法为，采用枚举比对的方法，在Multisim软件中对比不同数量微单元分布参数模型的频率特性，当微单元数量超出临界值后，微单元数量的变化不会引起频率特性的变化，微单元数量即为该临界值。

根据气体间隙击穿模型和电弧熄灭模型的输出来控制隔离开关的分合状态，模拟气体间隙的反复击穿过程；气体间隙击穿的条件是：隔离开关刀闸间电压不小于气体间隙的临界击穿电压；电弧熄灭的条件是：电流过零，且在过零时刻，隔离开关刀闸间电压小于气体间隙的临界击穿电压。

其他电力设备和辅助设备均采用集中参数进行等效。

整合各个次级功能单元模型的过程为，

隔离开关与其他电力设备、隔离开关与辅助设备之间均存在电气连接，用线路直接连接即可共同构成一次侧的模型；

空心线圈电流互感器与一次电路之间存在电磁耦合，借助ATP-EMTP软件中的TACS器件，建立起“电气—信息—电气”系统，实现一、二次侧之间的等效连接。

本发明所达到的有益效果：本发明可以更加准确地反映空心线圈在VFTO高频暂态过程中传变特性的变化情况和线圈内部的局部谐振，可实现VFTO对空心线圈电子式互感器影响水平的计算，有利于优化电子式互感器设计，从而提高空心线圈电子式互感器运行的可靠性。

附图说明

图1为空心线圈典型结构图。

图2为空心线圈集中参数等效电路。

图3为空心线圈分布参数等效电路。

图4为隔离开关状态判定逻辑。

图5为本发明实施例中空心线圈样品截面图。

图6为本发明实施例中得到的完整仿真模型。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

VFTO对空心线圈电子式互感器影响的建模方法，包括以下步骤：

步骤1，建模对象细分：根据建模对象中各个电气设备在拓扑和功能上的相对独立性，将建模对象细分为多个次级功能单元。

本发明提出的建模方法用于模拟隔离开关暂态过程中空心线圈电流互感器的二次输出情况，建模对象为GIS变电站中某一出线侧的全部电力设备，将建模对象细分为空心线圈电流互感器、隔离开关、其他电力设备和辅助设备。

步骤2，次级功能单元建模：根据不同次级功能单元的工作原理，分别建立它们的模型。

A、空心线圈电流互感器建模。

如图1所示，为空心线圈的典型结构，骨架截面为矩形，a、b、r₀、h分别为骨架的内半径、外半径、平均半径和厚度，N为空心线圈匝数。

当被测电流的频率不高时，空心线圈的等效电路见图2。其中i是被测电流，u₀为二次输出，L_p、L_s、M分别为载流导体(一次线路)自感、空心线圈自感和二者的互感，R_s为空心线圈电阻，R_b为负载电阻，C_s为空心线圈与屏蔽层、回线之间的杂散电容，在空心线圈设计工作频带内可忽略，空心线圈的匝间电容很小，可忽略。

根据全电流定律和互感的定义，

其中，为被测电流i在单匝线圈平面内产生的磁通，Ψ_M为N匝线圈平面内磁通形成的磁链；

考虑趋肤效应，近似计算空心线圈的电阻为，

式中，d为漆包线直径，γ为材料电导率，l为空心线圈绕线全长，Δ为角频率为ω信号的穿透深度，μ为材料磁导率；

考虑漆包线在绕制过程中的扭曲，估算：

根据全电流定律和自感的定义，计算空心线圈自感为：

其中，i^*为假想线圈绕线内的电流，为假想电流i^*在单匝线圈平面内产生的磁通，Ψ_L为N匝线圈平面内磁通形成的磁链。

空心线圈电流互感器一般安装在屏蔽盒内，空心线圈与屏蔽层和回线之间的杂散电容在测量高频信号时不可忽略，可采用有限元仿真的方法，在AnsoftMaxwell软件中建立实物模型，计算杂散电容的数值解。

从空心线圈自身出发，自感、电阻、杂散电容并不是以一种集中的形式来存在的，而是分布在绕线的每一个微小长度上，每一个绕线微元都存在着自感、电阻和对屏蔽层、回线的杂散电容，它们随着线圈的绕制而不断累积，而电感等效或集中参数模型是无法体现这种分布特性的。在RCT设计工作频带内，参数的分布特征对其特性的影响可忽略；但隔离开关分合过程中，VFTO(VFTC)的频率可能达到数兆赫兹，参数的分布特征会有更加显著的体现。

空心线圈电流互感器建模具体过程如下：采用集中参数分段处理的方法，将空心线圈平均划分为n个微单元，每个微单元有着与集中参数模型相似的电路结构，微单元器件各参数为对应项的1/n，建立了空心线圈分布参数模型，具体见图3。

微单元数量会影响模型特性，微单元数量越多，模型的分布属性越明显，但模型的节点数量和求解模型的计算量也会随之增加，需合理设置微单元数量。

采用枚举比对的方法，在Multisim软件中对比不同数量微单元分布参数模型的频率特性，必然存在一个临界值m，当微单元数量超出临界值后，微单元数量的变化不会引起频率特性的变化，微单元数量即为该临界值，可以兼顾计算量和模型的准确性。

B、隔离开关建模。

在隔离开关分断过程中，刀闸间距和电位差会不断变化，气体(SF₆)间隙会反复地被击穿和恢复，气体间隙击穿(电弧重燃)的条件是：隔离开关刀闸间电压不小于气体间隙的临界击穿电压；电弧熄灭的条件是：电流过零，且在过零时刻，隔离开关刀闸间电压小于气体间隙的临界击穿电压。根据这组判定条件，可设计隔离开关状态判定策略，见图4。

在ATP-EMTP软件中，使用TACS switch(type 13)器件作为接入线路的实体，借助TACSEMTP_OUT(type 90)、TACS:FORTRAN1(type 98)、TACS:MULTK搭建开关状态控制电路，根据当前时刻一次线路的电气参数和隔离开关状态，结合开关状态判定逻辑，输出控制信号至TACS switch(type 13)器件来实现开关状态的转换。状态判定由气体间隙击穿、分合速度控制、电弧熄灭和开关状态控制四部分组成。

TACS switch(type 13)器件为可控开关，TACS端的输入信号决定开关状态。

1)气体间隙是否发生击穿取决于于当前状态下气体临界击穿电压与闸间电位差的关系。当刀闸之间的电位差大于气体临界击穿电压时，气体间隙击穿，反之，气体间隙不击穿。

使用TACSEMTP_OUT(type 90)器件来获取开关两侧的电压信息，差值并与当前时刻的临界击穿电压进行比较，当电位差大于或等于临界击穿电压时，气体间隙被击穿，设置开关状态为闭合；当电位差小于临界电压值时，进入电弧熄灭判断。

2)分合速度控制的作用有如下两点：控制隔离开关分合的速度和修正气体间隙的临界击穿电压。

控制隔离开关分合的速度：隔离开关的分合速度直接影响电弧的重燃次数，分合速度越快，那么暂态过程持续的时间就越短，重燃次数少。在ATP-EMTP软件中，根据完全分闸状态下的刀闸间距l_max和分(合)闸过程持续时间t_total，可使用TACS:FORTRAN1(type 98)器件，建立器件的函数为和函数描述的是t时刻刀闸之间距离，前者表示合闸过程，后者表示分闸过程。t的时间起点为分(合)闸过程的开始时刻，l_max由隔离开关实体决定，调整t_total就可以实现对隔离开关分合速度的控制。

修正气体间隙的临界击穿电压：在整个开关过程中，气体间隙的击穿场强可视为不变的，在分闸过程中，随着隔离开关刀闸之间距离的不断增大，气体间隙的临界击穿电压也会随之变大。在刀闸间距函数的基础上，使用TACS:MULTK器件，设置表征击穿场强的系数k，得到随时间变化的气体间隙临界击穿电压修正值。

3)当电弧发生重燃后，电弧会在电流过零时刻熄灭，但模型求解的本质是数值计算，其结果是具有离散性质的，根据模型求解结果中，某时刻电流是否为零来判断某时刻电流是过零并不可靠。

电流过零肯定会带来电流方向的变化，那么就可以根据连续两个仿真时刻的电流i(t-Δt)和i(t)的方向变化来实现过零判断，其中Δt为仿真步长，如果二者方向发生变化那么可以判断电流在t-Δt时刻和t时刻之间发生了过零，在t时刻应将隔离开关状态设置为断开。

仿真过程中，还可能存在i(t-Δt)＝i(t)＝0的情况，此时就需要引入开关状态，协助判断是隔离开关闭合状态下的零电流还是隔离开关根本处于断开状态，避免因仿真计算过程中的数值振荡而造成误判。

4)当隔离开关闸间气体间隙处于击穿状态时，即开关处于闭合状态，启动电流过零判断，若过零，电弧熄灭，开关进入断开状态，并进入下一次电压重击穿判断；若不过零，开关状态不变，进入下一次电流过零判断。

根据气体间隙击穿模型和电弧熄灭模型的输出来控制隔离开关的分合状态，模拟气体间隙的反复击穿过程。

若当前时刻隔离开关处于闭合状态，同时电弧熄灭，那么开关进入断开状态；若当前时刻隔离开关处于闭合状态，同时满足闸间电位差大于气隙临界击穿电压，那么开关进入闭合状态。

C、一次线路建模。

在GIS变电站中，220kV出线侧由变压器、GIS管道和出线构成，管道中安装的设备包括EVT(电子式电压互感器)、隔离开关和空心线圈电流互感器(RCT)等，同时高压套管等辅助设备也不可忽略。隔离开关和空心线圈电流互感器以外的其他电力设备和辅助设备均采用集中参数进行等效，一般采用IEEE(或GB)的推荐值。

步骤3，模型整合：根据各个次级功能单元之间的关联性，对步骤2中建立的各个次级功能单元模型进行整合。

隔离开关与其他电力设备、隔离开关与辅助设备之间均存在电气连接，用线路直接连接即可共同构成一次侧的模型。

空心线圈电流互感器与一次电路之间存在电磁耦合，借助ATP-EMTP软件中的TACS器件，建立起“电气—信息—电气”系统，实现一、二次侧之间的等效连接。

在单个微单元中，电压激励与一次电流满足等式式中e_i为线圈微单元内的等效电压源，M_i为一次线路与微单元之间的互感，可使用TACSEMTP_OUT(type 91)器件来获取一次线路上的电流信息；使用TACS：DEVICE59(type 98)器件来计算电流信息的微分，并设置器件参数Gain＝M_i；使用TACSSOUR(Voltage)器件来实现数模转换的功能，将TACS信号转换为相应的电压模拟量，作为微单元的电压激励。

当一次电流频率在设计工作频带内时，可忽略杂散电容，且有不等式R_b＞＞ωL_s成立，负载电阻两端电压与一次电流在s域内满足等式U₀(s)、I(s)分别为二次输出u₀和被测电流i在s域内的表示。

需进一步积分来还原信号，可使用TACSEMTP_OUT(type 90)器件来获取负载电阻两端的电压信息；使用TACS：DEVICE58(type 98)器件来计算电压信息的积分，并设置器件参数D₀＝0、D₁＝1、式中I_R、U_R分别为互感器的设计额定一次电流和额定一次电流下的二次输出电压；使用TACSSOUR(Voltage)器件来实现数模转换的功能，将TACS信号转换为相应的电压模拟量，作为互感器的二次输出。

步骤4，整合后的模型求解：在整合后的模型中引入激励和探针，设置仿真时间、步长和初始状态，执行模型求解。

根据线路的电压等级，在整合后的模型中加入合适的电压源作为激励。

在一次线路上设置电流探针，在空心线圈负载两端设置电压探针，在末端TACSSOUR(Voltage)器件的输出端设置电压探针，实现对一次电流、空心线圈输出和电流互感器输出在开关暂态过程中变化情况的监测。

执行模型求解，保存仿真结果，用于支撑VFTO对空心线圈电流互感器影响的分析和研究。

为了进一步说明上述方法，举以下实施例：

空心线圈的结构参数为：骨架截面为矩形；骨架内半径a＝4cm，外半径b＝6cm，平均半径r₀＝5cm，厚度h＝2cm；线圈匝数N＝500匝，使用0.5mm漆包铜线绕制，铜材的磁导率为μ＝4π×10^-7H/m，电导率为γ＝5.7×10⁷S/m；样品测量的额定一次电流为600A，积分后的模拟小信号额定值为4V。

计算一次线路与空心线圈的互感为：M＝0.8109μH。

计算信号频率为1MHz时空心线圈的电阻为：R_s＝7.7095Ω。

式中，空心线圈绕线的全长约为l＝40.0012m，信号的穿透深度为Δ＝0.0667mm。

计算空心线圈的自感为：L_s＝0.4055mH。

根据空心线圈实体，在Ansoft Maxwell软件中建立实物模型，图5为模型的截面图，图中a、b、h分别为空心线圈骨架的内径、外径和高度，a₂、b₂、h₂分别为屏蔽层的内径、外径和高度，计算空心线圈与屏蔽层、回线之间的杂散电容为C_s＝63.937pF。

设计负载电阻为：R_b＝20kΩ。

将上述参数导入Multisim软件，比较不同微单元数量分布参数模型在频率特性上的差异性，结果表明，当微单元数量超出10之后，频率特性的变化将放缓，而20和40个微单元分布参数模型的频率特性几乎一致，20即为微单元数量的临界值，一次线路与线圈微单元之间的互感M_i＝0.040547μH、线圈微单元绕线的电阻R_s_i＝0.3855Ω、线圈微单元绕线的自感L_s_i＝0.02027mH、线圈微单元对屏蔽层、回线之间的杂散电容C_s_i＝3.1969pF。

隔离开关的技术指标为：刀闸间距为2m，动作时间为0.5s，SF6气体的击穿场强约为75kV/cm。在TACS:FORTRAN1(type 98)器件中，函数信息为“OUT＝4*TIMEX”(分闸过程)；在ACS:MULTK器件中，设置k值为7500000。

隔离开关和RCT以外的电力设备和辅助设备均取IEEE(或GB)的推荐值。

隔离开关与线路、其他电力设备、辅助设备之间存在直接的电气连接，共同构成一次侧的模型。

空心线圈电流互感器与一次电路之间是由基于TACS器件的“电气—信息—电气”系统实现等效连接的，其中TACS：DEVICE59(type 98)器件的参数设置为：Gain＝4.0547E-8；TACS：DEVICE58(type 98)器件的参数设置为Gain＝8224.487。

将三个次级模型整合，得到完整的仿真模型见图6。图中虚线表示从TACSEMTP_OUT(type 90)到TACSSOUR(Voltage)器件组合的电气信息流动，虚线框A、B、C分别表示空心线圈分布参数次级仿真模型(含数字积分器)、隔离开关次级仿真模型和一次线路次级仿真模型。

对于220kV线路而言，设置电压源参数为频率50Hz、有效值127kV。

在一次线路上设置电流探针，在负载电阻两端设置电压探针，在末端TACSSOUR(Voltage)器件的输出端设置电压探针，实现对一次电流、空心线圈输出和电流互感器输出变化情况的监测。

设置仿真时间为0.1s，仿真步长为(1E-8)s，储能元件均初始化为零状态。

执行模型求解，得到计算结果，保存关键线路和节点的电流、电压信息，用于支撑VFTO对空心线圈电流互感器影响的分析和研究，并为暂态抑制措施的研究提供仿真模拟的基础。

上述方法可以更加准确地反映空心线圈在VFTO高频暂态过程中传变特性的变化情况和线圈内部的局部谐振，可实现VFTO对空心线圈电子式互感器影响水平的计算，有利于优化电子式互感器设计，从而提高空心线圈电子式互感器运行的可靠性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。