本發(fā)明屬于電氣工程領(lǐng)域中過電壓分析與建模技術(shù)，尤其涉及一種GIS變電站VFTO分析的電壓互感器電磁暫態(tài)建模方法。

背景技術(shù)：

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear，GIS)具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地省、易于維護等優(yōu)點，在110kV及以上電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用，高壓交流輸電系統(tǒng)也越來越多地采用了GIS設(shè)備。GIS變電站中，斷路器、隔離開關(guān)和接地開關(guān)操作以及發(fā)生單相接地短路故障都會產(chǎn)生特快速瞬態(tài)過電壓(very fast transient overvoltage，VFTO)，其中隔離開關(guān)操作是其產(chǎn)生的主要原因。VFTO具有幅值高、波前陡、頻率高和多次連續(xù)脈沖的特點，對GIS及其連接的繞組類設(shè)備(如變壓器)絕緣有重要影響；同時，它也會在GIS外殼與外部引線連接處產(chǎn)生瞬態(tài)殼體電位(transient enclosure voltage，TEV)，引起二次設(shè)備絕緣和人身安全問題，并對測量控制設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾，造成二次設(shè)備的誤動作。因此，VFTO已成為國內(nèi)外研究人員關(guān)注的焦點。

針對GIS的產(chǎn)品設(shè)計，20世紀80年代開始國外一些廠商對超高壓系統(tǒng)中隔離開關(guān)操作產(chǎn)生的VFTO現(xiàn)象進行了大量研究，設(shè)計了VFTO測量系統(tǒng)，采用模擬試驗和數(shù)字仿真方法分析VFTO的特性、對設(shè)備絕緣的影響和對二次設(shè)備的電磁干擾等，提出了隔離開關(guān)加裝阻尼電阻抑制VFTO的措施。近年來，國內(nèi)外對于VFTO研究的受損對象主要是變壓器等一次電氣設(shè)備及其絕緣水平評價問題，相關(guān)研究成果的主要貢獻集中在適用于快速暫態(tài)過電壓的元件模型(如避雷器、隔離開關(guān)電弧模型、電壓互感器模型等)、快速暫態(tài)過電壓計算等方面。最近，文獻開展了GIS電壓互感器的傳遞過電壓試驗研究，通過一套集B類沖擊波的產(chǎn)生、控制及測量為一體的試驗裝置，得出了GIS電壓互感器的傳遞過電壓具有線性傳遞特性的結(jié)論，但是國內(nèi)外對于電壓互感器(Potential Transformer,PT)二次側(cè)高頻過電壓危害的研究較少以及缺少相應(yīng)仿真模型缺失等問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明要解決的技術(shù)問題：提供一種GIS變電站VFTO分析的電壓互感器電磁暫態(tài)建模分析方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)GIS變電站對于電壓互感器(Potential Transformer,PT)二次側(cè)高頻過電壓危害的研究較少以及缺少相應(yīng)仿真模型缺失等問題。

本發(fā)明技術(shù)方案：

一種GIS變電站VFTO分析的電壓互感器電磁暫態(tài)建模分析方法，它包括：

步驟1、利用PSCAD/EMTDC軟件自定義功能，完成母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型構(gòu)建；

步驟2、將母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型利用單相變壓器T型等效電路轉(zhuǎn)換為Γ型等效電路的原理，構(gòu)建了一個互感器傳遞函數(shù)；實現(xiàn)當(dāng)一次側(cè)通入兆赫茲級的高頻信號耦合到二次側(cè)電纜芯線上；

步驟3、該母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型通過一個電流電壓特性曲線表，模擬互感器飽和特性。

步驟1所述母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型由3個單相3繞組變壓器模型UMEC構(gòu)成。

步驟2所述的構(gòu)建一個互感器傳遞函數(shù)的表達式為：

式中：R、L、C_PS分別為電壓互感器的電阻、電感、電容，C_P和C_S分別為一次側(cè)和二次側(cè)的對地電容，R_h和L_h分別為鐵磁損耗電阻和激勵電感，則V_s＝kV’_s，k為互感器變比；R＝R_p+kR_s；R＝R_p+kR_s；C_s＝kC’_s。

步驟3所述特性曲線表實現(xiàn)10個離散點的線性函數(shù)模擬電壓互感器的非線性飽和特性。

所述單相3繞組變壓器模型UMEC的變壓器一次側(cè)分別接入GIS變電站高壓側(cè)A、B、C三相母線，二次側(cè)依據(jù)電壓互感器接線方式有兩種連接方式：常規(guī)開口三角形的PT二次側(cè)接法和特殊的PT二次側(cè)接法，所述常規(guī)開口三角形的PT二次側(cè)接法中A、B、C三相等效互感器模型一次側(cè)1#繞組串接有一個0.01歐姆的等效接地電阻，二次側(cè)2#繞組引出A相相電壓端口，二次側(cè)A相3#繞組、B相3#繞組、C相3#繞組串接，形成零序電壓測量端口，形成Y/Y/△的電壓互感器繞組接法；所述特殊的PT二次側(cè)接法與常規(guī)開口三角形的PT二次側(cè)接法有相同的第二繞組接法和不同的第三繞組接法；所述第三繞組接法為：A相同名端和C相異名端連接，B相同名端接地，B相異名端與A相同名端連接，由A相同名端和C相異名端形成AC線電壓測量端口。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過構(gòu)建母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型，將母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型利用單相變壓器T型等效電路轉(zhuǎn)換為Γ型等效電路的原理，構(gòu)建了一個互感器傳遞函數(shù)，呈現(xiàn)了當(dāng)一次側(cè)通入兆赫茲級的高頻信號，能夠耦合到二次側(cè)電纜芯線上，并將該模型通過一個電流電壓特性曲線表，模擬互感器飽和特性，解決了現(xiàn)有技術(shù)GIS變電站對于電壓互感器(Potential Transformer,PT)二次側(cè)高頻過電壓危害的研究較少以及缺少相應(yīng)仿真模型缺失等問題。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明電壓互感器電磁暫態(tài)模型等效電路示意圖；

圖2為實施例電壓互感器常規(guī)開口三角形的二次側(cè)接線示意圖；

圖3為實施例電壓互感器特殊的PT二次側(cè)接線示意圖；

圖4為本發(fā)明PT模型中UMEC的飽和特性曲線參數(shù)設(shè)定界面示意圖；

圖5為本發(fā)明超高壓GIS變電站VFTO分析的母線電壓互感器電磁暫態(tài)建模分析方法；

圖6實施例具體案例操作方式1情形下52YH一次側(cè)VFTO波形a)a相、b)b相示意圖

圖7實施例具體案例操作方式1情形下52YH二次側(cè)VFTO波形a)a相；b)b相示意圖；

圖8實施例具體案例操作方式1情形下52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中B相之間過電壓波形示意圖

圖9實施例具體案例操作方式2情形下52YH一次側(cè)VFTO波形(b相)示意圖

圖10施例具體案例操作方式2情形下52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中B相之間過電壓波形示意圖。

具體實施方式：

一種GIS變電站VFTO分析的電壓互感器電磁暫態(tài)建模分析方法，它包括：

步驟1、利用PSCAD/EMTDC軟件自定義功能，完成母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型構(gòu)建；步驟1所述母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型由3個單相3繞組變壓器模型UMEC構(gòu)成。這3個單相3繞組變壓器一次側(cè)分別接入GIS變電站高壓側(cè)A、B、C三相母線，其二次側(cè)可依據(jù)電壓互感器接線方式可依據(jù)實際應(yīng)用需要做相應(yīng)調(diào)整，其中有兩種主要的連接關(guān)系：一類常規(guī)開口三角形的PT二次側(cè)接法和一類特殊的PT二次側(cè)接法，分別如圖2和圖3所示。具體來說，常規(guī)開口三角形的PT二次側(cè)接法中A、B、C三相等效互感器模型一次側(cè)1#繞組串接有一個0.01歐姆的等效接地電阻，二次側(cè)2#繞組引出A相相電壓端口，而二次側(cè)A相3#繞組、B相3#繞組、C相3#繞組串接，形成零序電壓測量端口。這樣，形成Y/Y/△的電壓互感器繞組接法。而特殊的PT二次側(cè)接法與前述常規(guī)開口三角形的PT二次側(cè)接法有相同的第二繞組接法和不同的第三繞組接法，其第三繞組接法為：A相同名端和C相異名端連接，B相同名端接地，B相異名端與A相同名端連接，由A相同名端和C相異名端形成AC線電壓測量端口。

步驟2、將母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型利用單相變壓器T型等效電路轉(zhuǎn)換為Γ型等效電路的原理，構(gòu)建了一個互感器傳遞函數(shù)；呈現(xiàn)了當(dāng)一次側(cè)通入兆赫茲級的高頻信號，能夠耦合到二次側(cè)電纜芯線上；

步驟2所述的構(gòu)建一個互感器傳遞函數(shù)的表達式為：

式中：s為傳遞函數(shù)中復(fù)數(shù)符號，V_p和V_s分別為電壓互感器一次側(cè)和二次側(cè)電壓，對地電容,R、L、C_PS分別為電壓互感器的電阻、電感、電容，C_P和C_S分別為一次側(cè)和二次側(cè)的對地電容，R_h和L_h分別為鐵磁損耗電阻和激勵電感，則V_s＝kV’_s，k為互感器變比；R＝R_p+kR_s；R＝R_p+kR_s；C_s＝kC’_s。其中，V’s是變壓器二次側(cè)歸算前的電壓，C’s是二次側(cè)歸算前的對地電容，Rs是二次側(cè)歸算前的電阻。

當(dāng)通入高頻信號，尤其是頻率達到兆赫茲級時，此時式(1)中s很大，可只考慮s次數(shù)最高的一項。式(1)可簡化為

從傳遞函數(shù)中可以看出，在高頻信號階段，電壓互感器的傳遞函數(shù)只與一次側(cè)和二次側(cè)的電容參數(shù)有關(guān)，當(dāng)VFTO在線路上傳播遇到電壓互感器時，高頻物理特性會通過一次側(cè)和二次側(cè)的分布電容，而容性地耦合到二次電纜芯線上，以傳導(dǎo)的方式對二次設(shè)備造成干擾。

步驟3、該母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型通過一個電流電壓特性曲線表，模擬互感器飽和特性。

步驟3所述特性曲線表要實現(xiàn)10個離散點的線性函數(shù)模擬電壓互感器的非線性飽和特性。

本發(fā)明通過具體案例對本發(fā)明技術(shù)方案進行進一步說明：

驗證案例1：天二廠500kV GIS開關(guān)站

基于天二廠500kV GIS開關(guān)站的電氣數(shù)據(jù)參數(shù)以及GIS結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)參數(shù)，從短時間暫態(tài)角度出發(fā)，建立操作過電壓模型。根據(jù)計算和實測結(jié)果表明：VFTO的幅值主要取決于GIS裝置的結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)支路越多，VFTO幅值隨之下降，一般都采用單機、單變、單回線供電方式進行研究。因此，利用PSCAD/EMTDC X4.5，首先構(gòu)建了一個天二廠500kV GIS開關(guān)站單回支路數(shù)據(jù)操作過電壓模型

天二廠500kV GIS開關(guān)站單回支路模型是由變壓器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、斷路器、電流互感器(略)、母線等組成的以SF6為絕緣介質(zhì)的封閉結(jié)構(gòu)。

本VFTO仿真建模中，采用對地電容模型變壓器采用等值入口電容模型，斷路器合閘狀態(tài)等效為傳輸導(dǎo)線模型，分閘狀態(tài)等效為斷口電容和對地電容的組合的分布參數(shù)模型，隔離開關(guān)閉合時等效為母線的一部分和對地電容，在斷開時等效成對地集中電容，大部分等效參數(shù)結(jié)合課題組對GIS各元件等效參數(shù)的計算得到。

主要元件模型和參數(shù)的選取如表1所示。

表1 主要元件的模型和參數(shù)

運行操作方式

鑒于500kV#2M母線52YH二次保險熔斷檢查報告，結(jié)合運行檢修人員意見，下面針對以下運行和操作方式，如表2所示，分別進行了VFTO模型操作過電壓仿真分析。

表2 天二廠500kV GIS開關(guān)站待分析運行操作方式表

仿真基本參數(shù)設(shè)置：

仿真時間取20μs，計算步長取50ns(即5×10^-8s)。圖中仿真持續(xù)時間單位為s，步長的單位為us。

PT模型及飽和特性參數(shù)設(shè)置：

本實施例所使用的PT模型如圖3所示，飽和特性參數(shù)設(shè)置如圖4所示。

刀閘操作方式一(5013開關(guān)由熱備用轉(zhuǎn)冷備用)

針對刀閘操作方式一(5013開關(guān)由熱備用轉(zhuǎn)冷備用過程中拉開50132刀閘，開關(guān)狀態(tài)情況：5012開關(guān)、5013開關(guān)、50122刀閘、50121刀閘、50132刀閘、50131刀閘在分位；其余開關(guān)及刀閘在合位。)，開展VFTO仿真，獲取GIS母線端部52YH電壓互感器的一次側(cè)和二次側(cè)(含星型接線繞組和三角形接法繞組)各相暫態(tài)電壓情況如下：

一次側(cè)部分，52YH一次側(cè)VFTO波形(a相)如圖6a所示，52YH一次側(cè)VFTO波形(b相)如如圖6b所示。

二次側(cè)部分，52YH二次側(cè)VFTO波形(a相)如圖7a所示，52YH二次側(cè)VFTO波形(b相)如如圖7b所示。

52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中B相之間過電壓波形如圖7所示。

由圖6a和圖6b可見，刀閘操作方式一(5013開關(guān)由熱備用轉(zhuǎn)冷備用過程中拉開50132刀閘)情況下，52YH電壓互感器一次側(cè)端部(位于500kV二母端部)各相VFTO過電壓峰值可達1168～1172kV(約2.60～2.61p.u.)。

此外，由圖7a和圖7b可見，在采用典型PT飽和特性的電壓互感器的情況下，52YH電壓互感器二次側(cè)電壓峰值可達215V。由圖7可見，52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中B相之間過電壓峰值可達585V左右，達到PT二次側(cè)第一繞組(星型接法)額定電壓57.7V的1013％左右，超出了9倍以上。依據(jù)氣體介質(zhì)擊穿的分析結(jié)論，若考慮二次接線端子頭間的空氣發(fā)電弧道中存在的雜質(zhì)情況，52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中B相連接處過電壓峰值(最惡劣情況)已接近或滿足空氣擊穿沖擊過電壓條件。

刀閘操作方式二(5013開關(guān)由冷備用轉(zhuǎn)熱備用)

針對刀閘操作方式二(5013開關(guān)由冷備用轉(zhuǎn)熱備用過程中合上50132刀閘，開關(guān)狀態(tài)情況：5011開關(guān)、5012開關(guān)、5013開關(guān)、50132刀閘、50111刀閘、50112刀閘在分位；其余開關(guān)及刀閘在合位。)，開展VFTO仿真，獲取GIS母線端部52YH電壓互感器的一次側(cè)和二次側(cè)(含星型接線繞組和三角形接法繞組)各相暫態(tài)電壓情況如下：

由圖9可見，刀閘操作方式二(5013開關(guān)由冷備用轉(zhuǎn)熱備用過程中合上50132刀閘)情況下，52YH電壓互感器一次側(cè)端部(位于500kV二母端部)B相VFTO過電壓峰值可達1120～1125kV(約2.50～2.51p.u.)。

此外，由圖10可見，52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中B相之間過電壓峰值可達555V左右，達到PT二次側(cè)第一繞組(星型接法)額定電壓57.7V的962％左右，超出了8倍以上。依據(jù)氣體介質(zhì)擊穿的分析結(jié)論，若考慮二次接線端子頭間的空氣發(fā)電弧道中存在的雜質(zhì)情況，52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中B相連接處過電壓峰值(最惡劣情況)已接近空氣擊穿沖擊過電壓條件。

匯總分析與結(jié)論

表3 天二廠500kV GIS開關(guān)站VFTO仿真結(jié)果過電壓統(tǒng)計表

借助PSCAD/EMTDC，對天二廠500kV GIS開關(guān)站的快速暫態(tài)過電壓(VFTO)進行了六種刀閘或開關(guān)的操作過電壓分析，如表3所示。仿真結(jié)果顯示：在最惡劣的運行條件(刀閘雙側(cè)電源電壓為正負極性的反向電壓波)下，50132操作時，電壓互感器一次側(cè)端部VFTO過電壓值峰值可達1159～1182kV(2.59～2.63p.u)，頻率范圍可達幾十kHz甚至MHz。在考慮典型PT飽和特性情況下，52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中A、B相連接處之間過電壓峰值可達820V左右，達到PT二次側(cè)第一繞組(星型接法)額定電壓57.7kV的1420％左右，超出了13倍以上。依據(jù)氣體介質(zhì)擊穿的分析結(jié)論，若考慮二次接線端子頭間的空氣發(fā)電弧道中存在的雜質(zhì)情況，52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中B相連接處過電壓峰值已接近或滿足空氣擊穿沖擊過電壓條件?？梢哉f，“GIS中超高頻暫時過電壓(VFTO)的出現(xiàn)”以及“52YH第一繞組B相與第三繞組開口三角中A、B相連接處間隙過近”應(yīng)該是造成天二廠500kV PT二次側(cè)沖擊過電壓值過高，導(dǎo)致PT二次保險熔斷的主要原因。

綜上所述，適用于超高壓GIS變電站VFTO分析的母線電壓互感器電磁暫態(tài)模型在天生橋第二電廠的應(yīng)用仿真結(jié)果和分析結(jié)論，驗證了該建模方法對于超高壓GIS變電站VFTO分析中的有效性和適用性。