基于Lax-Wendroff算法的变压器绕组高频模型的时域分析

特快速暂态过电压(VFTO)作用下变压器绕组的过电压分布计算对于其绝缘设计是非常重要的。为研究VFTO对大型电力变压器绕组绝缘的影响,笔者首先不考虑频变阻抗的影响,针对容易损坏的前几匝线圈,每匝线圈为一单元构造模型,其余线圈以两饼线匝为一单元,建立变压器绕组的多导体传输线模型,利用三阶精度的Lax-Wendroff差分法计算暂态电压分布;然后采用矢量匹配法处理频变参数,推导基于Lax-Wendroff差分法的暂态计算公式。计算结果与电磁暂态程序EMTP仿真结果一致,验证了该方法的可行性和有效性。     

三峡电站GIS快速暂态过电压现场试验及分析

特快速暂态过电压(VFTO)是危及全封闭气体绝缘组合电器(GIS)及变压器绝缘的一种电磁暂态现象。为了获取三峡电站的VFTO的幅值和频率等特性参数,考验VFTO是否超过变压器的绝缘水平,介绍了三峡电站GIS通过隔离开关操作产生并测量VFTO的波形现场试验方法、试验接线及操作步骤。试验采用电容耦合式传感器获取变压器的VFTO波形,分析了3种典型运行方式下的VFTO幅值差异,提出了减小VFTO对变压器绝缘影响的措施。试验结果的VFTO最高电压达1127kV,小于500kV变压器的雷电冲击耐受电压,表明VFTO不会造成三峡电站变压器绝缘损坏。     

500kV GIS隔离开关操作产生VFTO的研究

针对气体绝缘封闭式开关设备(GIS)中快速暂态过电压(VFTO)产生的原因、出现的种类、对GIS本身以及对外部设备的危害等问题,对某水电站500 kV GIS建立了系统的仿真模型,利用电磁暂态仿真软件ATP-EMTP,计算分析了隔离开关在3种典型操作方式时在主变压器线圈上引起的VFTO,并提出了防止VFTO的运行操作要求。     

特高压GIS变电站中VFTO特性及影响因素研究

随着超高压和特高压输电技术的发展,气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)得到了广泛的应用。气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中的隔离开关在操作过程中会产生幅值较大、频率极高、波前时间很短的特快速暂态过电压(VFTO),容易引起电气绝缘击穿和电磁干扰等一系列的问题,对GIS本体、变压器及相邻电气设备的绝缘安全造成很大危害。主要研究特快速暂态过电压产生的机理以及特快速暂态过电压的幅值、陡度和频率等特性,利用ATP-EMTP电磁暂态程序仿真特快速暂态过电压产生的波形,仿真在各种影响因素下的特快速暂态过电压波形,对几组波形进行分析研究,分析残余电荷、变压器入口电容等因素对特快速暂态过电压的影响。     

GIS中金属氧化物避雷器对特快速暂态过电压的影响

气体绝缘变电站(gas insulated substation,GIS)内部隔离开关切合空载短母线时产生的特快速暂态过电压(very fast transient over-voltage,VFTO)对电气设备构成严重的威胁。金属氧化物避雷器(metal oxide arrester,MOA)作为GIS中重要的保护设备之一,目前在VFTO计算中普遍采用对地电容模型或者非线性电阻模型,这忽略了VFTO暂态特性对MOA晶界层极化过程的影响。为此,结合MOA阀片的微观结构,通过分析交变电场下电介质的极化特性及其电流响应,提出了MOA暂态电路模型。以国内某550kV变电站为背景,采用EMTP软件对GIS中的VFTO进行了计算,分析了不同MOA模型下VFTO的差异,研究了MOA对VFTO波形、幅值和波前陡度的影响。结果表明,MOA暂态模型能很好地反映MOA在VFTO作用下的极化现象;MOA对VFTO有一定的抑制作用,它能使VFTO波形衰减,在一定程度上降低VFTO的幅值,并减缓VFTO的波前陡度。     

基于时域有限元的VFTO全过程仿真新方法

数值仿真是获得特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)波形及研究其特性的重要方法。针对VFTO多次脉冲的全过程,提出了一种基于时域有限元(time domain finite element method,TDFEM)的VFTO仿真计算方法。构建了计及残余电荷电压的传输母线与集中参数元件的时域有限元模型,并通过与国际上认可的电磁暂态计算程序EMTP的计算结果进行对比,验证了该方法的有效性。与EMTP的计算方法相比,该方法可以对VFTO全过程进行仿真计算,可以充分考虑母线残余电荷电压的分布特性,以及可以获得传输线沿线所有点的电压和电流离散值。     

断路器结构参数对GIS中特快速暂态过电压波形的影响

550 kV及以上电压等级的气体绝缘变电站(GIS)系统中一般采用双断口断路器,并装有均压电容.本文着重分析断路器均压电容、空载母线、接地开关状态等对GIS系统中特快速暂态过电压(VFTO)波形的影响.首先建立了考虑断路器结构的简化GIS分析模型,推导了系统中节点电压的频域解析解答,然后分析了断路器结构参数和接地开关状态对VFTO的影响.结果表明,随着断路器均压电容、对地电容变大以及断路器到隔离开关母线长度的增加,系统中VFTO主要频率变小,但各频率分量的幅值在不同节点处有不同的变化规律;空载母线末端VFTO幅值呈减小趋势,上升沿变平缓,变压器线圈处幅值变化比较小,上升沿陡度变化不大,但上升时间增大;接地开关断开时,断路器断口间电压较小,但断口对地可能产生过电压;接地开关闭合时,断口间和断口对地可能出现谐振过电压,在设计时应予以避免.     

VFTO作用下电子式电流互感器二次端口电磁特性仿真分析

电子式电流互感器凭借绝缘简单、体积小、重量轻、动态范围宽、无磁饱和等优良特性在变电站中得到了广泛应用。随着变电站电压等级的不断提高,开关操作过电压,尤其是隔离开关特快速暂态过电压(VFTO)对变电站电子式互感器的电磁干扰问题得到了越来越多的关注。分析了高压变电站VFTO产生和传播的物理过程,建立了电子式电流互感器罗氏线圈的高频暂态模型,得到了VFTO作用下罗氏线圈端口的信号波形。通过对比集中参数、分布参数以及实测的信号波形,证明分布参数模型可更好地反映罗氏线圈在VFTO作用下的高频特性。     

特高压GIS变电站中快速暂态过电压仿真及其特性分析

在计算快速暂态过电压(VFTO)时,建立准确的全封闭气体绝缘变电站(GIS)暂态电路模型是影响VF-TO的关键。为此,将GIS内部暂态模型和GIS外壳传输特性模型相结合,建立了VFTO整体仿真模型。在GIS内部元件建模时,根据电弧的动态物理过程,建立隔离开关分段式动态电弧模型;结合交变电场下电介质极化原理,建立金属氧化物避雷器(MOA)暂态电路模型;并从GIS本体结构出发,通过三维电场分析,获得较准确的GIS元件暂态模型及参数;结合传输线理论和相模变换,获得GIS外壳暂态模型,并建立了考虑接地体间互感作用的暂态地网模型。最后结合国内某1 100kV气体绝缘变电站,进行VFTO详细仿真。仿真结果表明,分段式动态电弧模型下VFTO幅值标幺值高达1.270(基准值取898kV),较指数时变电弧模型下的VFTO幅值标幺值增加了17.59%,当考虑了MOA的非线性特性时,VFTO的振荡幅值有不断减小的趋势,在仿真时间将近20μs时,VFTO标幺值振荡幅度至0.8。最后将仿真结果与实测波形进行对比分析,VFTO幅值标幺值相差0.2～0.4,证明了所建立的VFTO仿真整体模型的实用性。     

550 kV GIS隔离开关操作引起特快速瞬态过电压仿真研究

为计算分析洪屏抽水蓄能电站550 k V GIS变电站在电机以发电机和电动机运行方式下投切主变压器、母线、出线操作时的VFTO(特快速瞬态过电压)以及影响因素,采用EMTP-ATP电磁暂态程序建立了电路仿真模型。分析结果可知,主变压器处VFTO幅值并不大,但是在高频振荡分量作用下有可能激起局部共振过电压,对主变压器匝间绝缘有危害。同时,连接地上地下部分的长电缆加速暂态过程的衰减。最后选取较严重VFTO下的操作方式进行了主变压器VFTO抑制措施的研究,结果表明,在GIS母线与主变压器之间连接一条3 m长的架空线即可限制VFTO波前陡度对主变压器纵绝缘的危害。     

VFTO作用下变压器绕组的谐振分析

为了研究气体绝缘变电站中陡波前过电压对变压器的影响,以多导体传输线理论为基础、以匝为单元建立了变压器绕组的单输入多输出端口模型,并详细推导了该模型中传递函数的求解。通过对变压器绕组的幅频特性分析,研究了绕组中的谐振情况并对谐振可能发生的位置进行了定位。仿真结果与试验结果相符,说明了该方法的可行性和正确性。     

High‐frequency voltage oscillation in transformer windings and electrical breakdown properties of interturn insulation immersed in oil at VFT voltage

Switching operations in gas insulated switchgear (GIS) can generate very fast transient overvoltages (VFTO) which propagate in the GIS with little attenuation. When a transformer is directly connected to the GIS through a gas/oil bushing, the VFTO can enter the transformer and excite the voltage oscillation in the windings. In the paper, we firstly show a resonance phenomenon due to the superposition of the traveling waves which was found in the experiments using the coil windings of a 500 kV transformer. The fundamental resonance frequency ranged at about 2 MHz, and its voltage at the interturn (turn‐to‐turn) of the coil could reach 0.25 times of the applied voltage in the worst case. Secondly, the electrical breakdown properties of interturn insulation in oil were studied, applying the unipolar and bipolar voltages with 2 MHz oscillatory frequency. The breakdown voltages at the unipolar and bipolar VFT oscillatory stresses were about 1.25 and 1.40 times higher than that at the standard lighting impulse, respectively. We discuss the experimental breakdown stresses with the ones estimated from the analysis of VFTO in the transformer windings and also show the methods to cope with the VFTO. © 2000 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 132(4): 45–52, 2000     

A Modeling Method for Transformer Windings Under VFTO Based on S-parameters

To study the Very Fast Transient Over-voltage (VFTO) distribution in transformer windings in gas insulated substation (GIS), a systematic methodology based on S-parameters is presented for establishing high-frequency model of transformer windings. Firstly, voltage transfer functions are derived from S-parameters which are calculated or measured from transformer windings. Secondly, voltage transfer functions are fitted with rational functions by the vector fitting method and then the rational transfer functions are order-reduced by optimal Pade-approximation algorithm. Lastly, the resultant voltage transfer functions are synthesized by network technology. Computational results are consistent with simulation results of Electromagnetic Transient Program (EMTP) and confirm the feasibility and validity of proposed methodology.     

750 kV变电站GIS设备VFTO特性研究

目前针对特快速暂态过电压（very fast transient overvoltage,VFTO）特性的研究多集中在微观领域,利用已有成果从变电站运行方式等宏观方面对VFTO进行研究具有重要意义。以宁夏沙湖750 kV变电站为例,利用ATP-EMTP仿真软件建立动态电弧模型,详细分析和对比了运行方式及倒闸顺序对VFTO的影响,并对并联电阻抑制VFTO效果进行了校验,仿真结果表明：VFTO幅值不仅与运行方式有关,还与倒闸顺序相关;若仅从幅值角度考虑,VFTO对GIS内部和变压器绕组绝缘并无较大威胁。为750 kV GIS设备研制和变电站运行提供了有益的参考和依据。     

变压器绕组的特快速暂态建模

为了研究陡波前过电压对变压器的影响,从短路导纳参数出发,提出了一种建立变压器绕组高频集中电路模型的方法.该方法首先由短路导纳参数计算绕组各匝的电压传递函数,并利用矢量匹配法对得到的电压传递函数进行有理函数逼近;其次,对得到的有理函数形式的传递函数利用多点Pade逼近进行阶数缩减,得到变压器绕组电压传递函数的降阶模型;最后,运用网络综合技术建立变压器绕组的高频电路模型.该电路模型仅由R、L、C和理想变压器构成,其模型参数可以根据电压传递函数的极点和留数非常方便地得出.通过对电路模型的仿真结果与实际测量结果进行比较,验证了本文方法的正确性.     

550 kV GIS变电站中VFTO仿真计算及抑制措施

在气体绝缘变电站GIS(gas insulated substation)中,隔离开关进行分合母线时引起的特快速暂态过电压VFTO(very fast transient overvoltage)威胁站内设备安全,深入认识VFTO的特点并提出适当的抑制措施对于保障GIS变电站的安全具有重要意义.选取深圳某550 kV ...     

特快速暂态过电压作用下变压器绕组内置MOV动态保护特性

特快速暂态过电压(VFTO)是由气体绝缘变电站开关操作产生的一种陡波前过电压,它的直接入侵会对变压器绕组的纵绝缘造成极大危害.本文通过理论分析、数值计算和实际测量研究了VFTO作用下变压器绕组并联MOV的保护特性.本文首先建立了变压器绕组的多导体传输线模型(MTLs),推导了基于时域有限差分法(FDTD)的求解迭代公式,通过应用矢量匹配法逼近传输线频变阻抗,解决了时域有限差分法难以处理参数频变效应的问题.然后,建立了变压器绕组并联MOV的多导体传输线模型,并推导了基于FDTD求解该模型的迭代公式.最后,研究了一个连续式变压器绕组模型,测量并计算了该模型在VFTO作用下并联MOV前后的电位分布.对测量结果与计算结果的分析和比较不仅验证了所采用的计算模型和计算方法的正确性,同时也证明了在VFTO作用下用MOV保护变压器绕组的可行性.     

高频下变压器绕组的仿真建模

为了研究气体绝缘变电站(GIS)中陡波前过电压(VFTO)对变压器的影响,提出了对绕组分段建模的思想:靠近绕组进线端部分线匝采用多导体传输线建模,远离进线端部分线匝采用单导建模,并考虑到两部分模型之间的耦合,建立了变压器绕组的简化模型;为进一步减少计算量,以等效阻抗代替绕组末端部分线匝,建立了变压器绕组的综合模型。分析表明,提出的模型不仅可以准确计算变压器等带绕组电力设备内绕组进线端部分线匝的暂态响应,而且能有效地减小计算量。     

VFTO对GIS中电子式互感器的电磁干扰研究

针对气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）中特快速暂态过电压（VFTO）引起的电子式互感器电磁兼容问题,首先建立了基于逻辑判断的VFTO电磁骚扰源系统模型,对互感器端过电压信号的幅频特性进行了仿真分析,通过对比实验数据验证了系统模型的正确性;然后建立了GIS管道和电容分压型电子式电压互感器的三维模型,对VFTO产生的辐射干扰进行了仿真分析,辐射电磁场计算结果与已有文献报道的误差为8.3%。此外,通过优化互感器的物理结构进一步研究了VFTO辐射干扰的抑制措施,仿真结果表明所提措施的抑制率达到了72.4%。     

江苏抽水蓄能电站特快速暂态过电压分析

采用PSCAD/EMTDC软件计算分析了江苏抽水蓄能电站500 kV GIS变电站在主变、出线操作时的特快速暂态过电压(VFTO),并以1台典型的500 kV主变为例,分析多种操作情况下特快速暂态过电压对主变的影响.结果表明,由于连接各台主变与GIS之间的电缆比较长(至少200 m),传递到各台主变上的VFTO幅值和陡度并不高,对其主绝缘影响不大,也不会直接造成变压器匝间绝缘的击穿.