断路器暂态模型及参数对VFTO影响的仿真分析.docx

断路器暂态模型及参数对影响的仿真分析*孔杰，何柏娜，宁家兴，王珍珍，王乐淼，颉雅迪(山东理工大学电气与电子工程学院，山东淄博)摘要：气体绝缘变电站( , )设备模型的选取是快速暂态过电压( ，)仿真计算的关键，断路器作为主要的电气设备，其模型及参数的选取必然会影响的仿真结果。为此文中利用软件对变电站进行建模，建立了考虑断路器结构的暂态仿真模型，分析断路器结构参数对的影响。结果表明，合闸电阻对的幅值具有明显的抑制作用；随着断路器并联电容的增大系统中幅值呈减小趋势，主要频率和频率幅值减小；断路器对地电容变化对不同节点处的影响程度不同；空载母线变化对母线端部和断路器处的影响最大。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖賃軔。关键词：快速暂态过电压；隔离开关；变电站；断路器中图分类号： 文献标识码： 文章编号：()聞創沟燴鐺險爱氇谴净祸測。 残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟婭骒。 , , , 酽锕极額閉镇桧猪訣锥顧荭。( , , , , , )彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑诒尔。 () () , , , , .謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔點鉍。 , , , 厦礴恳蹒骈時盡继價骚卺癩。9 / 9 引言快速暂态过电压( ，)主要是由变电站( )中隔离开关操作产生的，会对变电站中的电气设备和与它相连的电力变压器的绝缘安全造成严重威胁。随着电压等级的提高，变电站的绝缘水平与系统电压的比值逐渐减小，因此对及以上变电站电气设备威胁大。茕桢广鳓鯡选块网羈泪镀齐。基金项目：山东省高等学校科技计划项目()。由于受到测量条件、手段及方法的制约，通过测量来获得受到了限制。文献通过对现场实测结果和仿真计算结果的比较，验证了数值仿真方法的可行性和正确性。因此仿真计算成为研究特性的一个重要手段。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴縈诘。元器件的暂态模型与参数的选取是计算结果准确与否的关键。对于双断口断路器的暂态模型，在以往的仿真计算时，往往忽略其复杂的内部结构，基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；江苏省自然科学基金资助项目（）；广东省科技厅科技项目（）文献在对进行仿真计算时，将断路器等效为串联断口电容。文献计算了在断路器内部的分布，分析了对断路器中并联电容的危害，文献比较了断路器集中参数模型和分布参数模型对的影响。虽然文献都对断路器模型进行了一定的研究，但并没有深入研究断路器内部的结构及其各种参数变化对仿真结果的影响。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨槠挞。文中利用对某特高压变电站进行仿真，建立考虑断路器内部结构的电路模型，通过计算隔离开关操作引起的，研究断路器合闸电阻、并联电容、对地等效电容和空载母线对的影响。该研究对于变电站电气设备的绝缘设计具有重要意义。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴買闥。 设备的暂态模型某 变电站电气主接线为双母线分段接线，其中有六回特高压输电线路、四组变压器。电气主接线图见图。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦鋇絨。图 某 变电站电气主接线图 该变电站设备采用三相分体式，每一相分别处于单独的金属外壳中，相与相之间没有耦合，因此仿真时用单相电路进行模拟即可。采用入口电容来等效变压器。采用无损均匀传输线模型等效母线。内同轴母线导体的波阻抗由式（）给出：铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡缝勵。Z=60Lnba（）式中为中母线的外径；为中母线筒的内半径。计算得到母线的波阻抗为，波速取。隔离开关模型隔离开关断开时等效为断口对地电容和断口间电容，闭合时等效为对地电容和等长母线。燃弧时的隔离开关，端口两侧等效为对地电容，采用指数函数电弧电阻：擁締凤袜备訊顎轮烂蔷報赢。Rat=Ra+R0e-t/（）式中为时间常数，；Ra为静态的电弧电阻，Ra；R0为隔离开关在起弧前的电阻。断路器模型为研究断路器结构和参数对中波形和频率的影响，对断路器模型进行细化。断路器内部结构和开断状态下的仿真模型示意图见图和图。在等效模型中和为断路器灭弧室的等效对地电容，为并联电容，为断路器主断口等效电容，为断路器辅助断口等效电容，为断路器的合闸电阻。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷鯛汉。图 断路器内部图 坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚跻馱。图 断路器内部图 进出线套管和电压互感器用集中参数对地电容表示。各设备等效电容参数见表。表不同设备等效电容 蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘籜葦。设备名称等效电容断路器(开断状态)隔离开关(开断状态)隔离开关(闭合状态)进出线套管变压器入口电容电压互感器 计算结果及分析为验证考虑断路器内部结构的电路模型是否与实际情况相符，文中根据文献中的试验回路建立了考虑断路器内部结构的仿真电路，比较了设备主要节点的的仿真结果和试验统计结果，如表所示，表中表示变压器入口处，表示动作隔离开关处，表示断路器处，表示母线端部。试验回路相关数据参见文献。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄届嬌。表 仿真结果和试验结果对比 设备(.)(.)(.)(.)试验值仿真值由表结果可以看出，考虑断路器内部结构的断路器模型的仿真结果与模拟试验测量的误差在允许范围之内，验证了仿真模型的可行性。綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴飙钪。根据实测结果、理论分析和大量计算可知，对于结构一定的变电站，单机、单变供电方式下产生的最为严重。故文中主要研究单机、单变供电方式下四种典型的操作方式产生的；考虑最严重的情形，即电源侧电压为.，母线残余电荷电压为. 。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦諑琼。操作方式为合闸变压器侧的隔离开关，投运号变压器，其他开关均断开，的折返路径短，泄露通道少，产生的较为严重。操作方式下站内关键设备处的幅值(单位：.)计算结果见表。操作隔离开关处的波形见图。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑献鵬。表各设备上幅值 设备幅值图操作隔离开关处的波形 由表分析可知，操作方式下，操作隔离开关处幅值最大，最大达到。根据过电压与绝缘配合，一般认为对于设备，可与进行比较。 变电站的为，考虑的安全裕度，幅值不宜超过。此方式下隔离开关上的最大值虽然小于 系统的雷电耐压，但是已非常接近的安全裕度，需要引起重视。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔嗚訝。操作方式、为号变压器运行分别直接给线路、和供电，计算母线侧隔离开关合闸时，关键设备处的波形和幅值。操作方式、下的幅值(单位：.)见表。操作方式下母线端部的波形和频率分析图见图和图。構氽頑黉碩饨荠龈话骛門戲。表各设备上幅值 设备方式方式方式图母线端部的波形 图 母线端部的频谱图 由表结果可以看出，操作母线侧隔离开关时，母线端部的幅值最大，且远远高于其他部位。其中，操作方式下母线端部的幅值最大，达到了，已经超过了，这是因为波在短线末端发生了全反射，因此母线端部的幅值相对其他点要高。所以在的绝缘设计时应该考虑母线端部的影响。輒峄陽檉簖疖網儂號泶蛴镧。操作母线侧隔离开关时，靠近隔离开关处断路器并联电容的幅值大于操作隔离开关处的的幅值，且非常接近，所以中此种操作方式对断路器并联电容的影响较大，应该给予关注。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅瀝纰。对电压频谱进行分析，波形频率含量丰富，主要包括个主要频率分量：小于的基本频率，到 的主要频率和大于的特高频分量。其中到高频分量幅值大，所以在此种操作方式下对设备的绝缘威胁更大，需要引起注意。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒侬减。变电站设备模型的选取是仿真计算的关键，断路器作为主要的电气设备，其模型及参数的选取必然会影响的仿真结果，因此，研究断路器模型及参数对仿真结果的影响规律，对实际情况下评估的水平具有重要意义。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴铍賄。 断路器结构参数对的影响文中建立了考虑断路器内部结构的电路模型，在此基础上，分析断路器有关参数对的影响。分别研究断路器中的合闸电阻、均压电容、对地电容和隔离开关与断路器间母线长度对波形、幅值和频率的影响规律。操作方式下合闸操作产生的的最为严重，故在此方式下分析断路器参数对的影响。恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦聰櫻。 断路器并联电阻对的影响研究断路器中合闸电阻的值对中关键设备处的影响，详见表。表各设备上幅值 设备表表明，断路器中的合闸电阻对内各设备上的的幅值具有明显的抑制作用：越靠近操作隔离开关，其抑制作用越明显；当时，各个设备上幅值明显降低，而随着合闸电阻的增大，幅值略有增加。因此合闸电阻的阻值选取应考虑多方面因素。鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫摇饬。 断路器并联电容对的影响为了探究断路器并联电容大小对关键设备处的影响，仿真计算时，其他仿真参数不变，只改变断路器并联电容的值，得到的计算结果(单位：.)如表所示。硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹鸶胶。表各设备上幅值 并联电容 由表分析可知，操作隔离开关处、断路器端部和空载母线末端的的极值随着电容值的增加呈现递减趋势。而在变压器入口电容处的极值略有减少但不单调，说明并联电容对操作隔离开关、断路器端部和空载母线末端的极值影响较大。阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖輛埙。图为断路器端部的频谱图，现研究并联电容值大小对主要频率分量的影响。经过大量计算，结果表明断路器并联电容值对小于的频率分量影响较大；对于大于的频率分量几乎无影响。因此主要研究频率分量中小于的部分。氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩纷釓。图断路器端部的频谱图 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘慶獷。表和图分别表示并联电容不同时断路器端部主要频率分量和幅值的大小。由表可得，并联电容的增大，使得的主要频率分量向低频方向移动。由图可得，主要频率分量的幅值随着并联电容的增大而整体呈减小趋势。怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉馴鸨。表 的主要频率分量 并联电容图 并联电容值对的主要频率分量幅值的影响 谚辞調担鈧谄动禪泻類谨觋。 断路器对地电容对的影响分析断路器对地电容值对关键设备处极值的影响(此时断路器并联电容值取)，计算结果如图所示。嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩癱恳。图 对地电容值对各设备上幅值的影响 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库圆鍰。由图分析可知，变压器、套管和变压器侧隔离开关处的极值随着电容值的增加呈现递增趋势，而断路器端部的极值呈现递减趋势。对地电容值对套管处的极值影响较为严重，的极值增加了.。随着断路器对地电容的增大，断路器端部的主要频率分量向低频方向移动。鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞阕簣。图对地电容值对的主要频率分量幅值的影响 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛覲僨。图可以看出随着对地电容的增大，左右的频率分量的幅值波动明显，但总体上呈增大趋势。其他主要频率分量的幅值逐渐增大。颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷涨负。隔离开关与断路器间母线长度对的影响图为隔离开关与断路器间母线长度不同下关键设备处的极值。由图可以看出，母线长度变化对内不同节点过电压的影响程度不同。母线端部和断路器端部对母线长度的变化敏感但不单调，有时母线长度略有改变，便可引起节点电压的巨大变化。濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻減栖。图 母线长度对各设备上幅值的影响 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼鏗穎。 结束语文中以某特高压变电站为例，采用数值仿真方法对由操作隔离开关引起的做了详细研究，并建立了考虑断路器内部结构的电路模型，分析了断路器模型及参数对的影响，这对及连接其电气设备的绝缘设计具有重要意义。主要结论如下：挤貼綬电麥结鈺贖哓类芈罷。（）关键设备处幅值随断路器并联电容值的增加呈现递减趋势。随着断路器并联电容和对地电容的增加，各节点的主要频率分量向低频方向移动。但并联电容和对地电容对主要频率分量的幅值变化影响不同；赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈極嚕。（）隔离开关和断路器间母线长度不同对内不同节点的过电压影响程度不同，对母线端部和断路器处的影响最大。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫麩适。参考文献 , . . , (), .裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺递灿。 , , . . . 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