特高压气体绝缘开关设备特快速瞬态过电压的试验回路研究

为研究特高压气体绝缘开关设备（gas insulatedswitchgear,GIS）中的特快速瞬态过电压（very fast transientovervoltage,VFTO）规律,需要建立全尺寸的真型模拟试验回路。计算了1000kV GIS变电站和模拟试验回路在不同接线方式下的VFTO,指出1000kV GIS的VFTO模拟试验回路宜带有分支母线,比国家标准和IEC标准规定的无分支母线的简单试验回路更严格,从而提出新的VFTO试验回路,并推荐了测点布置方案和试验隔离开关型式。对所建成的VFTO试验回路进行试验,结果表明：无论是从VFTO实测波形还是从统计规律上看,试验回路均达到了设计的预期,对研究VFTO的特性发挥了重要作用。     

隔离开关操作速度对特快速瞬态过电压的影响

气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear,GIS）内的隔离开关在操作空载短母线时会发生多次击穿,并产生特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltage,VFTO）,严重时可能造成变压器和其他电气设备的损坏。隔离开关的操作速度是影响VFTO的重要因素之一,对此国内外有不同看法。在仿真研究中考虑了隔离开关操作过程中的多次重击穿、间隙击穿电压的极性特性、概率特性及其随操作速度变化的特性,采用统计分析方法研究了隔离开关的速度对VFTO的影响,并与实测结果进行了对比。研究结果表明,在一定范围内当隔离开关速度较慢时,分闸后负载侧残压较低,合闸、分闸操作过程中产生的VFTO幅值也较低。     

特高压气体绝缘开关设备中电磁式电压互感器耐受特快速暂态过电压的特性分析

为满足系统同期合环的要求,特高压气体绝缘开关设备(GIS)中安装有电磁式电压互感器(IVT)。GIS内部隔离开关操作会产生特快速暂态过电压(VFTO),可能引起IVT绕组出现电压分布不均的问题。为掌握特高压工程用GIS IVT在VFTO下的耐受特性,采用仿真和实测相结合的方法对其绕组在VFTO下的电压分布进行了研究。建立了IVT的端口模型和绕组电压分布计算模型计算其端口VFTO和绕组电压分布,并通过陡前沿冲击电压下绕组电压分布试验予以验证。通过仿真计算,获得了特高压变电站IVT端口的典型VFTO波形及其作用下的绕组电压分布特性。计算表明电压沿绕组分布整体比较均匀,绕组端部匝间、层间开口位置电压分布相对集中,试验结果初步也验证了仿真结果。根据仿真和试验结果,校核了绕组电压分布集中位置的绝缘耐受能力。进一步说明在实际特高压工程中,IVT绝缘耐受VFTO具有足够的裕度;在产品的优化设计中须加强绕组首端匝间和层间绝缘,以进一步提高其VFTO耐受能力。     

气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压研究的新进展

气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear,GIS）中的隔离开关操作空载短母线会产生陡波前、高幅值的特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltage,VFTO）、瞬态壳体电位和电磁干扰,对GIS及其连接的具有绕组的设备、与壳体连接的二次设备绝缘产生危害,干扰二次设备工作,严重影响设备的安全运行。对2009年前国内外在VFTO测量方法、特性试验、数字仿真和对绝缘影响以及外部VFTO方面的研究状况进行了综述。概要总结了国家电网公司在特高压GIS中VFTO实测及仿真研究方面取得的新进展,提出了特高压GIS中VFTO需要深化研究的内容,即重点关注VFTO的传播特性与仿真建模,VFTO下的绝缘特性和机制研究,以期全面掌握特高压GIS中VFTO特性,对特高压输变电设备的研制、工程设计和运行提供依据和有益的参考。     

特高压气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压特性的试验研究

气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear,GIS）中隔离开关操作产生的特快速瞬态过电压（very fast transientovervoltage,VFTO）会影响电气设备的安全运行,随着系统电压等级的提高,该影响会越来越严重,在特高压系统中尤为突出。为掌握特高压GIS的VFTO特性,在特高压GIS设备的VFTO试验回路进行了大规模GIS隔离开关操作试验,并对VFTO测量结果进行了统计分析。研究得到了VFTO全过程波形的波形特征、击穿次数、频率成份和残余电压分布,单次击穿波形的波形特征和振荡系数分布,及预充/不预充直流电压下的VFTO幅值特性,揭示了隔离开关加装阻尼电阻对VFTO的抑制作用。所获得的特高压GIS中的VFTO特性为进一步研究VFTO仿真和绝缘配合等提供了依据。     

特高压GIS变电站VFTO仿真计算研究

气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear, GIS）中的隔离开关投切空载短母线时会产生陡波前、高幅值的特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltage, VFTO）,对GIS及其连接的设备产生危害,严重影响设备的安全运行。通过电磁暂态程序（electro-magnetic transient program, EMTP）,针对我国“皖电东送”工程某特高压变电站开展了仿真研究,并对影响VFTO的几种因素进行分析。结果表明,母线拓扑结构和残余电荷电压对VFTO影响较大,通过合理设计隔离开关可减小残余电荷电压水平,从而显著降低变电站VFTO水平。     

特高压气体绝缘开关设备瞬态外壳电压特性的试验研究

特高压(ultra high voltage,UHV)气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)中隔离开关操作产生的瞬态外壳电压(transient enclosure voltage,TEV)具有的高幅值、陡波形、宽频带等瞬态特性影响变得越来越突出,可能危害到接触GIS设备的运行人员安全及GIS设备监控系统的正常运行。依托国网武汉1 000 kV交流UHV试验基地的2个UHV GIS设备试验回路,文中开展了TEV特性的试验研究。试验工况包括隔离开关速度为快速和慢速、回路负载侧是否预充直流电压、分支母线改变长度、隔离开关调换接线方向等接线方式,共开展了2 940次隔离开关合、分闸操作试验以及多测量点的TEV同步测量。通过对大量TEV测量结果的统计分析,获得了1 000 kV UHV GIS设备TEV的波形特征,包括TEV全过程波形特征、脉冲个数、波形总持续时间、单脉冲波形特征、频率成分、单脉冲持续时间、幅值上升时间以及预充/不预充直流电压、不同分支母线长度、调换隔离开关接线方向对TEV幅值特性的影响。并进一步统计分析了击穿电压、VFTO与TEV之间的相关性。通过一系列的试验研究,获得了特高压GIS设备的TEV波形特性,为进一步研究TEV建模仿真、标准制定以及安全防护等提供了依据。     

气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压的全过程测量方法

特快速瞬态过电压（very fast transient overvoltages,VFTO）是超/特高压气体绝缘开关设备（gas insulatedswitchgear,GIS）设计和运行中十分关心的问题,试验研究VFTO的特性是非常必要的。VFTO包含特快速瞬态分量、工频分量和准直流分量（空载母线残余电荷电压）,其中VFTO的瞬态分量在GIS中以电压波的形式传播,致使不同位置的VFTO波形具有显著差异。因此,试验研究VFTO的关键是对VFTO时间过程和空间分布的全过程测量。研究了VFTO测量方法,采用手孔式电容传感器与阻抗变换器相结合的方法实现了全过程测量,研制出测量频带为0.003 Hz~100 MHz和波形记录时间为200 ms的测量系统;采用多个测量系统,并基于隔离开关触头间隙击穿时的电磁波辐射信号,研制出了同步触发装置,实现了对GIS上不同位置的VFTO空间分布的测量。     

特高压气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压测量用电容传感器的标定

为保证特高压气体绝缘开关设备（gas insulatedswitchgear,GIS）中特快速瞬态过电压（very fast transientovervoltage,VFTO）测量用手孔式电容传感器的准确性,必须对其进行标定。研制了用于电容传感器的标定系统,它由3种不同幅值及波形的脉冲源及相应测量系统组成。其中：低电压陡脉冲源用于校验电容传感器的高频特性;高电压陡脉冲源用于校验传感器在高压下的稳定性;低电压长波尾电源用于校验传感器的低频特性。水电阻分压器及金属膜电阻分压器用于测量3种脉冲源的输出波形,在标定电容分压器前,对电阻分压器的频率特性及线性度特性进行了试验。电容传感器的标定试验结果表明,华北电力大学和清华大学研制的电容传感器均具有良好的频率特性、线性度和稳定性,可以满足特高压GIS设备VFTO测量工作的需要。     

气体绝缘开关设备的瞬态外壳电压测量方法研究

在分析瞬态外壳电压的定义、特征基础上,归纳了研制瞬态外壳电压测量装置的要点。采用阻抗分压器、蓄电池供电系统、屏蔽箱、高性能录波仪设计了一款安全性高、可靠性高的测量装置。结果表明：该装置测量的时间误差、电压幅值误差均在允许范围内。     

采用投切电阻抑制特高压GIS中特快速暂态过电压

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中隔离开关的操作会产生特快速暂态过电压(VFTO),可能导致GIS本体及其相连的设备(如变压器)绝缘损坏,并可能产生电磁干扰,影响二次设备。国家电网公司正在建设的中国1000kV交流特高压试验示范工程中,晋东南变电站采用GIS。计算表明,在不采取VFTO限制措施的情况下,晋东南变电站GIS本体承受的VFTO较高。为限制VFTO,建议在晋东南GIS隔离开关装设投切电阻。若采用500Ω投切电阻,VFTO峰值可由2.6p.u.下降到1.4p.u.。分析装设投切电阻对VFTO频率特性、陡度、陡波上升/下降幅度的影响,仿真隔离开关操作过程中多次重燃现象,并确定多次重燃过程中隔离开关投切电阻吸收的能耗。     

特高压半封闭气体绝缘组合电器的暂态电压仿真分析

特高压系统的电压等级高、容量大,暂态电压现象严重。为了提高特高压系统暂态电压计算的准确率,结合我国某特高压开关站建立半封闭气体绝缘组合电器(HGIS)系统整体模型。根据多导体传输线理论和相模变换方法,建立了HGIS外壳传输特性模型。除此之外,采用π型等效电路表示接地体单元,并结合HGIS内部暂态模型,详细计算了隔离开关操作时产生的特快速瞬态过电压(VFTO)和暂态壳体电压(TEV),分析了HGIS内部关键设备处VFTO和相应壳体上TEV的最大值和频谱特性,进一步分析了不同壳体接地方式和接地网对VFTO和TEV的影响。研究结果表明:在考虑接地网的情况下,VFTO的最大值为1 296kV,TEV的最大值为83kV,都要比不考虑接地网时的最大值小,且良好的接地方式是降低特高压HGIS系统暂态电压的有效方法。研究结果可供HGIS设计和相关电气设备绝缘结构设计参考。     

252kV GIS隔离开关特快速暂态过电压试验中触头间隙重复击穿过程研究

为深入研究气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)中隔离开关分合空载短母线产生的触头间隙重复击穿现象,实现隔离开关操作全过程特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage,VFTO)的准确仿真,建立了252 kV GIS试验平台,对GIS隔离开关分合产生的间隙重复击穿过程及影响因素进行了试验研究。通过同步测量触头间隙电压及长度,获得了隔离开关分合操作中触头间隙击穿电压与间隙长度的统计关系。统计结果表明,操作过程中间隙击穿电压与间隙长度的关系与工频电压下各长度的击穿电压基本吻合,且具有极性效应。每次间隙放电产生的空间电荷促进了后续击穿的发生,且首次放电越剧烈,这种趋势越明显。负载侧残余电压衰减时间常数约为160 min,仿真时可不计重复击穿间歇残余电压的衰减。相同的触头间隙恢复电压下,接地腔体对间隙电场分布影响不大。基于上述研究结果建立了隔离开关操作全过程VFTO仿真模型,仿真结果与实测结果基本吻合。     

气体绝缘开关设备的隔离开关分合空载短母线时特快速暂态过电压及特快速暂态电流测量

为深入研究气体绝缘开关设备(GIS)的隔离开关分合空载短母线产生的特快速暂态过电压(VFTO),建立了252kV GIS试验回路并研制了VFTO、特快速暂态电流(VFTC)和开距测量系统。该系统采用手孔式电容分压器测量、Rogowski线圈及光纤传输系统、位置传感器分别测量VFTO、VFTC、开关开距。对上述测量系统进行了标定:VFTO测量系统低频截止频率<20Hz,高频截止频率>80MHz;VFTC测量系统带宽达到70MHz;开距测量系统误差<1.5%。结果表明各系统满足测量要求。试验结果表明:在试验回路上实现了隔离开关分合闸时VFTO、VFTC及开距的同时测量,获得了VFTO和VFTC的典型波形、隔离开关间隙的击穿电压特性和燃弧规律。该试验回路产生的VFTO幅值最大值为447.02kV,上升时间约为13ns;VFTC的幅值最大值为2.61kA,上升时间约为7ns。VFTO和VFTC的主要频率均为4.4、23.3、44.2MHz,主要取决于回路的电感、电容及暂态行波的折反射。间隙的击穿电压没有明显的极性效应。燃弧时间<2μs。     

特高压GIS隔离开关操作时其壳体电压暂态特性仿真分析

特高压(UHV)系统电压等级高、容量大,电磁暂态问题相当严重。为研究特高压气体绝缘变电站(GIS)在隔离开关操作时壳体电压的暂态特性,从而对今后特高压变电站的建设及绝缘配合问题提供参考建议,结合我国某1 100kV特高压气体绝缘变电站的具体情况,分析了特高压下GIS暂态壳体电压(TEV)的计算原理,利用多导体传输线模型计算了壳体各处的TEV,并对其进行了频谱处理。最后,分析了隔离开关的操作方式、操作相别、接地方式等对暂态壳体电压的影响。仿真结果表明:隔离开关操作方式不同时,暂态壳体电压最大值出现的位置不同;在GIS出线段,由于布置的对称性使得暂态壳体电压幅值也具有对称性。     

550kV GIS隔离开关调速电机操动机构的研制

为改进550 k V气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)内的隔离开关,计算分析了隔离开关与电机操动机构的运动及动力配合特性,得到触头运动过程与摆角电机转角的对应关系。隔离开关触头运动速度主要取决于电机操动机构的转动速度,根据隔离开关触头运动过程可控化的要求,利用有限元数值方法,建立了摆角电机电、磁、机械耦合场数学模型,计算分析其动态特性,研制了速度可控的摆角电机及其调速控制系统样机。通过对多传感器输出信号的实时采集,利用自适应比例积分微分控制策略对动触头的运动速度进行实时调节。进行了550 k V GIS隔离开关电机操动机构的常规分合闸操作,分合闸速度分别达到1.1 m/s和1.2 m/s,满足隔离开关的性能要求。在此基础上,开展了隔离开关合闸调速实验,通过调节电机绕组电流,实现了触头速度0.9~1.2 m/s的变化。操动机构具有良好的可控性,为通过调节触头运动速度以减小击穿次数并抑制快速暂态过电压(VFTO)的幅值奠定了基础。