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GIS变电站中特快速暂态现象的抑制方法比较
摘要
本文首先介绍了气体绝缘变电站(GIS)中的第一次瞬态波,并介绍了抑制非常快速瞬变(VFTS)的方法。 为了抑制VFT,提出了四种方法,包括抑制通过端子部件,电容部件,采用电阻器安装的隔离器和铁磁环。 最后,这些方法相互比较。这些方法可以分为两组。第一组包含方法(如作为终端组件和重新配置),以后可以使用安装GIS和在GIS运行期间。第二组包含在安装之前和GIS设计期间必须作为额外限制的方法(如电阻器安装的隔离开关和铁磁环)。 第一组的优点是简单和低成本的实现以及在安装的GIS中产生最小的变化。 第二组的主要优点是在设计GIS期间估计所有因素。最后,基于瞬态波的标准和可行性来选择用于抑制VFT的最佳方法。
关键词:气体绝缘变电站(GIS),超快速瞬变电压(VFT),开关,VFT。
1介绍
由于工业技术与人口的快速增长,能源需求也增加了。环境约束与系统的可靠性要求是气体绝缘变电站(GIS)产生的主要原因。
GIS是充满了SF6气体的可以用来绝缘灭弧的SF6气体的装置,由于它的结构紧凑,可以防止污染,可以减少维护并且可靠性高,最近几十年已经被广泛运用于电力系统。
尽管有这些优点,GIS有其自己独特的问题。这些问题包括从不同连接反射的瞬态波引起的过电压的增加,低浪涌阻抗,以及导体在这些中减小的长度的变电站。考虑到这些问题,这些传播的沿着导体的波将比常规变电站增加。
在切换期间产生非常快速的瞬变(VFT)断路器(CB)和隔离开关(DS)的操作在GIS内。这些瞬变具有非常短的上升时间,范围为4-100ns,并且通常跟随有振荡在100kHz到50MHz的范围内的频率[5],[6]。VFT波在绝缘体和外部设备(例如电力变压器)上引起应力,由于GIS中的开关操作,产生非常快的瞬态过压(VFTO)和相关的非常快的瞬态电流(VFTC)辐射电磁(EM)场。非常快速的瞬态过压 - 年龄(VFTO)是由于GIS中的切换操作而产生的和相关的非常快的瞬态电流(VFTC)辐射。电磁(EM),通过不连续性泄漏到外部环境中并且变得耦合到控制设备或数据电缆存在于GIS 。
事实上,氧化锌(ZnO)浪涌的响应行为对这种VFT的恢复器没有很好地表征和开启,ZnO避雷器的时间可能比上升时间长得多。因此,传统的ZnO避雷器因为避雷器不能抑制波陡度足够快地起作用以防止具有陡峭的开关瞬变正面。
关于抑制GIS的VFT的少量出版物已经提出了,铁磁环可以安装在连接器上,导管从两侧连接到隔离开关,以便有效地抑制VFT的陡峭度和振幅[9]。通过铁磁抑制VFTs环已被探索,然而,在这两个参考文献中,模拟和测试在低电压上进行(400 V),仅适用于3.5 m的母线。 在[14]中,VFT已经受限于在隔离开关中使用电阻器。使用的方法是经由电阻器抑制由VFT产生的应力。 这个方法已经用于1100 kV的可以用来提供足够的用于安装在隔离开关中的电阻器的空间的GIS。
此外,这些方法可以在变电站和变电站设计期间安装之前做出适当的安排。
本文提出了可行的缓解方法,即过电压幅度以及通过端子和电容部件抑制电力变压器处的谐振频率幅度。为了抑制VFT,提出了四种方法:由端子部件抑制VFT,电容部件,采用电阻器配合隔离器和铁磁圈。最后,这些方法拿来被比较。
2 GIS组件的建模
由于暂态性质,建模的GIS利用由等效电路组成的等效电路,分布参数。浪涌阻抗和行波时间被用于定义分布参数模型的内部系统,高压总线管道和封装的内表面,被线段截取,被建模为分布参数传输线[12]
其中和分别是电容C和电感L是GIS母线;a是GIS母线的外径;b是GIS母线的内径。 最后,Z0是的浪涌阻抗。
VFT问题是上述电压电平最关心的问题245 kV,其中通常使用隔离相母线。因此,选择了具有245kV的标称电压的系统研究和模拟。图1显示了单线图的245 kV GIS [8]。
表1显示了GIS建模所需的信息组件,弯头,间隔件和球形屏蔽件。通过集总电容15pF,浪涌避雷器在模拟VFT时由200pF的电容表示,得自DS [8] - [13]。选择了不同的型号用于开关的断开和闭合状态,打开开关是关联作为与电容器串联的两条传输线之间,而在关闭状态。上述电容通过传输来替换参数的在快速运行中发生的最重要的条件是电压崩溃2 p.u. (源侧为1 p.u.负载侧为1 p.u.)[12] - [14],这在目前已经模拟研究,这个电路模型由一个固定电阻和一个增长指数构成。
计算机模拟已经使用瞬态程序(ATP),一个广泛使用的版本电磁瞬变程序(EMTP)模拟不可预测的减少抵抗瞬态模拟控制系统(TACS)和模拟ATP /EMTP。使用快速傅立叶变换(FFT)技术从时域电流产生频谱波形,模拟时间步长设置为0.1 ns。
3 VFTs的升级
由于VFTO,几个因素可能导致变压器故障,包括:
- 峰值幅度过压;
- 非线性电压分布沿着绕组,可导致匝之间的高电压(HV)
- 谐振或部分绕组谐振,如果这些与激发频率一致。
根据前面提到的因素,主要目的本文是根据下面的VFTO的缓解标准:
- 减少t峰值电压;
- 降低最大电压变化
- 降低过电压的最大上升速率;
- 降低主要频率的振幅。
瞬态电磁场反过来又泄漏出来外部环境通过的不连续性,适用于GIS中存在的控制设备或数据电缆。有必要估计幅度和波形的VFTC及其频谱。此外,将需要VFTC特性的知识,电场耦合以及屏蔽的理论研究现代GIS中使用的敏感二级设备。表征VFTC的参数是更重要的,使用标准[7]来减轻VFTO:
- 振幅VFTC;
- VFTC的主要频率分量;
- VFTC的振幅随时间的衰减。
3.1端子组件抑制VFT
VFT的峰值幅度和频率内容取决于在连接到GIS的终端组件上。终点站部件可以是电缆或气体绝缘线路(GIL)。VFT随时间的衰减取决于连接到GIS的开关配置和终端组件[8]。因此,VFT可以通过替换终端,简单,低成本的实施,以及作为安装的GIS(目前的最小变化)的最小变化在操作是这种方法的主要优点。提出的方法的详细程序可以解释为如下:
- 模拟所选择的变电站并获得VFT从最近的开关到电源变压器操作;
- 提取谐振频率周围的VFT频谱;
- 选择高风险频率;
- 改变终端的长度和类型以减少高风险频率;
- 选择最合适的终端
这个过程是一个广义的方法,不同的部件特性,可应用于各种变电站。对于本案例研究,GIL和电缆端子具有不同长度(即,3,10和30mu;m)。在开关的源极侧的VFT的衰减取决于这两个源端和负载决定。这也是真的负载侧VFT的衰减[8]。这个问题会的将在以下部分详细解释。
图2示出了针对电力变压器处的不同端子的VFTO的幅度波形。图 3代表VFTO的峰值幅度相对于长度的变化,用于电力变压器的各种端子。 研究数字表明,峰值幅度的减小用于长电缆终端的VFTO。
如果GIS从低终止,如30米电缆,衰减幅度取决高阻抗分量和长度。另一方面,如果GIS的衰减幅度以高浪涌阻抗元件(例如30m)终止GIL。如果GIRL终止长的GIL,衰减VFTO的时间将更长。作为例子,最长沉降时间属于可以看到的GIL-30m图2。
图4示出了不同的VFTO的频谱端子为电力变压器。在915kHz的频率下,30m GIL端子的电压幅度为(53kV),比3米电缆(27 kV)的振幅更高。同样,对于频率为1.83 MHz,30 m GIL的电压幅值端子为50kV。这种类型的终端的VFT幅度与10米电缆终端相比明显较低,其为80kV。
假设功率互感器中的谐振频率,形成器约为6 MHz [15],频谱为VFTO从4.2到6.4 MHz,不同终端的功率变压器已经被模拟和显示在图 5。另外,图 5显示了5.1的频率幅度在10 m GIL端子上的MHz最小化,并在3 m电缆端子最大化。 另一方面,对于3米电缆,5.4 MHz的频率幅度是最低的,相对于其他终端组件。在30 m电缆侧的5.7 MHz的频率幅度具有最大值但30米GIL具有最小值,这表明谐振频率振幅可以通过替换来缓解合适的终端。
应当注意,改变终端组件可以减小特定频率的幅度,并且同时,增加另一个频率的幅度。 因此,一个可以断定没有特定的终端存在,无限减小所有频率的幅度。因此,GIS电力变压器的谐振频率应该已经确定选择足够的终端组件。参考上述问题,30-m电缆总线 (负载和源极)的最低电压终端。此外,30米电缆终端与其他终端相比具有最低的频率幅度。作为本案例研究的结论,30米电缆将产生最低电压源端子和负载端子组件。此外,利用该端子减小频率合成在不同终端中的最低值。通过在负载侧使用30m电缆,频率分量的幅度将进一步降低源端。
3.2通过电容器元件抑制VFT
额外的电容分量可以衰减变压器端子处的VFT波形前部,并改善沿变压器绕组的VFT分布。 这也是对吸收了VFT的尖锐尖峰有帮助的,因为避雷器不能足够快地作用以防止陡峭的前面的开关瞬变。 因此,在该处安装额外的浪涌电容器变压器HV端子非常有助于减轻VFT的影响。但是,浪涌电容器与浪涌电压并联避雷器可用作波动修正器[16]。
图6描述了高电容组件对VFTO和VFTC的影响。明显地,已经由DS再触发引起的VFTO通过逐渐增加电容,将进一步降低,而VFTC的峰值幅度将增加。
此外,高电容组件也可以减轻VFTO的频谱的振幅。这个如图1所示。它演示了频率光谱的不同电容的VFTO功率变压器。 作为示例,在610kHz的频率中,幅度分别为22kV和50kV,对于C等于0.1和5nF,而对于915kHz的频率,幅度对于相同的电容值为80kV。
应当注意,谐振的频率在变压器内发生过电压的放大可以显著变化,这取决于特定的变压器。此外,对于特定的电力变压器,常常可以发现在许多其他频率不同的电容产生谐振。使用C=5 nF,4.57 MHz的频率幅度相比其他终端组件最低。在频率幅度为5.18MHz,C=5nF最小化,C=0.1nF时最大化。 谐振频率在此具体功率变换器6MHz [15]的VFTO从4.2到6.4 MHz不同的电容在电力变压器如图1所示。
通过增加电容,瞬态由于DS和CB再起弧将进一步减少。 图7提供了解决方案,选择电容分量的最佳值是两条曲线的汇合点。在现实中,采用这个在HV中容量困难。然而,
可以使用变电站中可用设备的特性代替。作为例子,添加额外的电涌放电器,其具有大约0.2nF的电容,可以有助于实现这个案例研究的最佳点。图9显示了高电容组件对VFTC的频率含量的影响。从图中可以看出,电容的增量不受任何高频分量影响。
在研究案例中,为了降低VFT变压器功率,由于空间限制和成本,如果选择合适的电容值,浪涌电容器的应用是可行的替代。由于在HV系统中添加电容的不切实际性,使用CCVT而不是PT.A的一个替代解决方案,可以安装额外的浪涌放电器靠近开关端子。
3.3通过采用电阻器安装的VFT抑制隔离开关
电阻器安装的隔离开关设计用于在连接的情况下,将电阻器与电路串联连接,没有机械触点连接电阻,只有一个可动电极[7]。 装有电阻器的隔离开关降低VFTO和VFTC的幅度。已知该解决方案在实践中用于解决VFT问题,而不是一些仍然在的实验阶段方法。然而,这种解决方案存在空间限制和成本的问题。此外,由于最大变化和成本,它不适合安装GIS(目前正在运行)。
3.4用铁磁材料抑制VFT
为了研究潮湿对VFTO的抑制效应,考虑LV仿真测试。 图10示出了电路模拟试验。 使用3.5m的两个同轴导体以模拟GIS母线及其外壳。模拟直径母线为14 mm,模拟内径外壳为46 mm。 使用水银开关GIS断路器, 源电压为400 V。水银开关打开,将产生VFTO仿真[8],[9],用于抑制VFT所选的铁磁材料具有高磁饱和特性(470 mT,25℃)[9]。在前述的LV仿真测试(图10)中,铁磁环的并联等效电路具有的等效电阻和电感(mu;)分别为70和0.02 mH,与GIS的浪涌阻抗(Z)串联连接母线[9] - [17]。
这些图显示了母线末端的测量值模拟结果的与实验结果的比较。其中铁磁环路不存在,VFTO幅度为800(V)(两倍的源电压)。 当添加铁磁环时,VFTO为400 V(接近电源电压)。
4 通过不同的抑制方法获得的电力变压器的VFTO波形
根据12-16,可以得到以下结果:
比较不同抑制VFTO的波形方法,标准,如峰值电压,最大变化的电压,最大电压上升速率和占优势频率单独进行调查。
- VFTO的峰值电压处于正常状态,铁氧体,在源侧为30m电缆,在负载侧为30m的电缆,电阻器50和5nF的电容减小。(参见图12)
- 正常状态下VFTO的最大变化,铁氧体,在负载侧为30m电缆,在源侧为30m电缆,电阻器50和5nF的电容分别减小。(参见图12)
- VFTO在正常状态下的最大上升速率,负载侧为30 m电缆,电源侧为30 m电缆,50Ώ电阻,铁氧体和5nF电容分别减小。(参见图13和14)
- VFTO的频谱取决于电源变压器的谐振频率。但是,在源端使用50Ώ电阻和30m电缆时侧,频率分量的振幅较低。
比较抑制VFTO不同的波形方法,标准,例如峰值振幅,时变峰值衰减和频率分量。
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