CN102998556A - 金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置及其方法，该仿真装置采用限压器芯体电阻R(i)模拟限压器芯体的等效电阻随电流变化的特性，限压器芯体电阻R(i)与限压器芯体电容C1并联构成RC回路模拟限压器芯体的高频响应特性，电容C1取决于限压器阀片的高频电容和限压器芯体结构；由限压器内部连接导体的高频电感构成限压器连接电感L，RC回路与电感L串联构成RLC回路，与限压器对地电容C2并联，由此形成限压器的特快速暂态过电压仿真方法，实现特快速暂态过电压下的限压器特性仿真计算，分析限压器对特快速暂态过电压的抑制作用及其适用范围。

Description

金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置及其方法
技术领域
本发明属于电力系统过电压领域，具体涉及了一种金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置及其方法。
背景技术
试验研究表明，气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)隔离开关操作会产生幅值高、陡度大的特快速暂态过电压（以下简称VFTO），对GIS及其连接设备绝缘、外壳连接的二次设备运行有重要影响。目前，普遍采用东芝公司提出的GIS隔离开关带阻尼电阻的方法抑制VFTO，在实际中得到了较好的应用，我国特高压交流试验示范工程的长治站和南阳站均采用了该方案。清华大学尝试在GIS高压导杆上安装高频磁环来抑制VFTO，进行了大量的实验室研究，还需通过现场应用验证该措施的有效性。近年来，随着金属氧化物限压器(以下简称限压器)性能提升，其对VFTO的抑制作用逐渐成为了研究关注的热点。
电力系统中安装的限压器主要用于限制雷电和操作过电压，因VFTO波头时间较短，可达数ns，产生的特快速暂态电流的波头时间与VFTO波头时间接近，振荡频率可能达到100MHz以上，限压器阀片的高频响应性能有限，甚少考虑用限压器抑制VFTO。上世纪八十年代起，为了研制性能优异的限压器，国内外对限压器在陡冲击波下的响应特性进行了探索。BBC公司建立了方波电流源对不同结构的限压器阀片进行了试验研究，中国电力科学研究院研制了陡冲击电流波装置，试验研究了阀片结构和物性等对限压器响应特性的影响。在试验研究基础上，国外提出了一些限压器高频模型，如BBC公司提出的暂态电压下的限压器模型，IEEE工作组推荐的限压器电气模型，Pinceti提出了简化的IEEE模型，IkmoKim建议采用非线性电感模型，东芝提出了考虑能量影响的动态伏安特性模型等。这些限压器仿真模型适用频率范围较宽，可适用于0.5μs及以上波头时间的雷电和操作波计算，均未达到VFTO的计算频率，且模型结构和计算过程较复杂，获取模型参数的难度较大，实用性不足。
为了研究限压器对VFTO的抑制效果，有必要建立限压器在小于0.1μs波头时间的VFTO下的专用仿真模型，提出限压器的VFTO仿真方法，计算限压器对VFTO的抑制作用及其特性，得到限压器抑制VFTO的效果及其适用范围等。
发明内容
为弥补现有限压器高频仿真模型计算VFTO存在的不足，本发明的目的之一在于提出一种准确性更高的金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置，所述金属氧化物限压器包括限压器壳体以及置于其内部的单柱芯体和连接导体，所述连接导体与限压器外壳高压端相连，各单柱芯体之间进行并联，每个单柱芯体中均设有相互串联的若干阀片，该仿真装置包括限压器芯体电阻、限压器芯体电容、限压器连接电感和限压器对地电容，所述限压器芯体电阻与限压器芯体电容并联构成RC回路，所述限压器连接电感与RC回路串联构成RLC回路，所述限压器对地电容与RLC回路相并联。
其中，所述限压器芯体电阻是根据各单体芯体中所有阀片在波头时间小于100ns的冲击电流下得到的电压与电流的比值进行确定；所述限压器芯体电阻为所有单柱芯体电阻并联的等效电阻，单柱芯体电阻为该芯体中所有阀片的电阻之和。
其中，所述冲击电流的幅值范围为500A~30kA。
其中，根据单柱芯体的数量以及各单柱芯体中阀片的数量确定出各单柱芯体的电场分布，从而得到限压器芯体电容；所述限压器芯体电容为所有单柱芯体电容之和，单柱芯体电容为该芯体中所有阀片的电容串联的等效电容。
其中，所述限压器连接电感为连接导体总长度与单位长度导体的高频等效电感的乘积；基于毕奥－萨伐尔定律计算出连接导体所处空间的磁场，从而得到限压器连接电感。
其中，所述限压器对地电容是根据金属氧化物限压器的安装方式、通过电磁场数值方法计算得到限压器对地的集中杂散电容，所述金属氧化物限压器采用立式或卧式的安装方式。
限压器对地电容为限压器对地的空间杂散电容，根据限压器安装布置方式不同，对限压器对地电容C2的影响较大，应结合限压器在现场的安装布置方式，并采用电磁场数值方法计算得到限压器对地的集中杂散电容。
本发明的另一目的在于提出一种金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真方法，包括以下步骤：
1）设置金属氧化物限压器的持续运行电压Uc，并计算时间步长Δt；
2）计算特快速暂态过电压回路中金属氧化物限压器安装位置的特快速暂态过电压峰值U0；
3）设置金属氧化物限压器内各单柱芯体的阀片数；
4）构建金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置，并将其接入特快速暂态过电压回路中，采用四阶龙格库塔法，仿真计算限压器两端的电压峰值Ur和电流峰值IA；
5）判断是否满足下述条件：
IA≥0且Uc≤Ur≤U0；
若满足，则进行步骤6）；否则，跳转至步骤3）；
6）输出金属氧化物限压器内各单柱芯体的阀片数及金属氧化物限压器两端的电压峰值Ur。
其中，所述构建金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置的具体步骤包括：
根据各单柱芯体中所有阀片在波头时间小于100ns的冲击电流下得到的电压与电流比值，采用分段线性化方法，计算得出限压器芯体电阻；
根据单柱芯体的数量以及各单柱芯体中阀片的数量确定出各单柱芯体的电场分布，从而得到限压器芯体电容；
根据连接导体的总长度与单位长度导体的高频等效电感的乘积，基于毕奥－萨伐尔定律计算出连接导体所处空间的磁场，从而得到限压器连接电感；
根据金属氧化物限压器的安装方式、通过电磁场数值方法计算得出限压器对地电容，所述金属氧化物限压器采用立式或卧式的安装方式；
所述限压器芯体电阻与限压器芯体电容并联构成RC回路模拟限压器芯体的高频响应特性；所述限压器连接电感与RC回路串联构成RLC回路，所述限压器对地电容与RLC回路相并联，仿真计算金属氧化物限压器对特快速暂态过电压回路的抑制特性。
其中，所述限压器芯体电阻为所有单柱芯体电阻并联的等效电阻，单柱芯体电阻为该芯体中所有阀片的电阻之和；所述限压器芯体电容为所有单柱芯体电容之和，单柱芯体电容为该芯体中所有阀片的电容串联的等效电容。
与现有技术相比，本发明带来了如下有益效果：
1）该限压装置和方法中的限压器芯体电阻R(i)考虑了频率对限压器阀片残压的影响，因限压器阀片在陡波下的残压可能升高20%左右，与限压器常规模型采用雷电和操作过电压下的平均伏安特性不同，直接用阀片的高频伏安特性模拟VFTO下的限压器特性，计算结果的准确性较高；
2）该限压装置和方法中采用电容C1和电容C2分别模拟限压器芯体电容与限压器对地电容，取代限压器单个入口电容的模拟方法，充分考虑了限压器芯体阀片电容对高频电压波形及其幅值的作用，真实反映了限压器在VFTO下的动作限压特性。
3）该限压装置和方法中采用常用元件搭建限压器的高频仿真模拟装置，易于得到各元件参数，兼容性强，可直接嵌入常用电磁暂态仿真计算程序或软件，实现对电力系统中安装限压器抑制VFTO的作用及适用范围等进行仿真计算。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明金属氧化物限压器的VFTO仿真装置的结构示意图；
图2是VFTO回路的结构示意图；
图3是隔离开关电源侧的电压波形；
图4隔离开关操作短母线末端的电压波形
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，将详细阐述本发明提出的金属氧化物限压器的VFTO仿真装置及其方法的实施方式，其中相同或相似的附图标号表示相同或相似的器件。
如图1所示，本例中的金属氧化物限压器的VFTO仿真装置采用限压器芯体电阻R(i)（即：非线性电阻）模拟限压器芯体的等效电阻随电流变化的特性，限压器芯体电阻R(i)用限压器阀片的高频伏安特性表征，限压器芯体电阻R(i)与限压器芯体电容C1并联构成RC回路模拟限压器芯体的高频响应特性，电容C1取决于限压器阀片的高频电容和限压器芯体结构；由限压器内部连接导体的高频电感构成限压器连接电感L，该电感L的一端与RC回路连接、另一端连接限压器外壳高压端P构成RLC回路；RLC回路与限压器对地电容C2并联，限压器对地电容C2的一端连接限压器外壳高压端P、另一端接地，用以仿真模拟限压器的高频限压特性。
本例中的金属氧化物限压器的VFTO仿真方法，包括如下步骤：
1）设置金属氧化物限压器的持续运行电压Uc，并计算时间步长Δt；
2）计算VFTO回路（如图2所示）中金属氧化物限压器安装位置的VFTO峰值U0；
3）设置位于金属氧化物限压器内部的各单柱芯体中的阀片数；
4）构建金属氧化物限压器的VFTO仿真装置，并将其接入VFTO回路中，采用四阶龙格库塔法，仿真计算金属氧化物限压器两端的电压峰值Ur和电流峰值IA；
5）判断是否满足下述条件：
IA≥0且Uc≤Ur≤U0；
若满足，则进行步骤6）；否则，跳转至步骤3），减少设置各单柱芯体中的阀片数；
6）输出各单柱芯体的阀片数及金属氧化物限压器两端的电压峰值Ur。
如图2所示，VFTO回路包括交流电源U1，耦合电容C，直流电源U2，操作隔离开关DT和辅助隔离开关DA，其中，交流电源U1，耦合电容C和直流电源U2由左至右依次并联，耦合电容C和直流电源U2之间由左向右依次串联有操作隔离开关DT和辅助隔离开关DA。当金属氧化物限压器的VFTO仿真装置M构建好后，将其接入VFTO回路中，与交流电源U1，耦合电容C和直流电源U2相并联，并且限压器外壳高压端P接入到VFTO回路的操作隔离开关DT与辅助隔离开关DA之间。
下面以对252kVGIS回路安装限压器抑制VFTO的作用进行仿真计算为例进行详细说明：
选用252kV GIS罐式限压器的主要参数：额定电压为216kV，持续运行电压为168.5kV，直流1mA参考电压不小于314kV，8/20μs雷电冲击电流10kA残压不大于536kV。由此，限压器芯体设计为单柱芯体结构，由30片RB401阀片构成，外套为金属罐体，高度为1.24m，直径为0.446m。
根据RB401阀片在波头时间小于100ns、幅值为793A~5447A的冲击电流下的高频伏安特性，得到限压器芯体电阻R(i)特性，其参数列于表1。
表1限压器芯体电阻R(i)参数
  电流幅值(A)   793   1330   2383   3802   5447
  阀片电压(kV)   429.6   465   473.1   490.2   501
单个RB401阀片在100MHz下的介质电容为550pF，得到限压器芯体电容C1=550/30=18.33pF；限压器内部连接导体长24cm，导体高频等效电感约为1μH/m，则限压器连接电感L=0.24μH；限压器采用卧式安装，用电磁场数值方法计算限压器对地电容C2=3pF，按照图1所示构成252kV罐式限压器的VFTO仿真模型。
在252kVGIS试验回路中安装限压器，利用252kV罐式限压器的VFTO仿真模型和方法进行仿真计算，通过比较回路关键位置处有/无限压器的电压波形，分析限压器抑制VFTO的作用。计算得到的隔离开关电源侧电压波形见图3，无限压器时的电压峰值为391kV，安装限压器后的电压峰值降为347kV，降低了11%。
隔离开关所操作短母线末端的电压波形如图4所示，安装限压器后的电压峰值为402kV，与无限压器时的电压峰值519kV相比，降低了23%。分析表明，限压器已动作，降低了VFTO幅值和频率，表明限压器可用于限制252kVGIS产生的VFTO。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置，所述金属氧化物限压器包括限压器壳体以及置于其内部的单柱芯体和连接导体，所述连接导体与限压器外壳高压端相连，各单柱芯体之间进行并联，每个单柱芯体中均设有相互串联的若干阀片，其特征在于：该仿真装置包括限压器芯体电阻、限压器芯体电容、限压器连接电感和限压器对地电容，所述限压器芯体电阻与限压器芯体电容并联构成RC回路，所述限压器连接电感与RC回路串联构成RLC回路，所述限压器对地电容与RLC回路相并联。
2.根据权利要求1所述的仿真装置，其特征在于：
所述限压器芯体电阻是根据各单体芯体中所有阀片在波头时间小于100ns的冲击电流下得到的电压与电流的比值进行确定；所述限压器芯体电阻为所有单柱芯体电阻并联的等效电阻，单柱芯体电阻为该芯体中所有阀片的电阻之和。
3.根据权利要求2所述的仿真装置，其特征在于：
所述冲击电流的幅值范围为500A~30kA。
4.根据权利要求1所述的仿真装置，其特征在于，
根据单柱芯体的数量以及各单柱芯体中阀片的数量确定出各单柱芯体的电场分布，从而得到限压器芯体电容；所述限压器芯体电容为所有单柱芯体电容之和，单柱芯体电容为该芯体中所有阀片的电容串联的等效电容。
5.根据权利要求1所述的仿真装置，其特征在于：
所述限压器连接电感为连接导体总长度与单位长度导体的高频等效电感的乘积。
6.根据权利要求1所述的仿真装置，其特征在于：
所述限压器对地电容是根据金属氧化物限压器的安装方式、通过电磁场数值方法计算得到限压器对地的集中杂散电容，所述金属氧化物限压器采用立式或卧式的安装方式。
7.一种金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）设置金属氧化物限压器的持续运行电压Uc，并计算时间步长Δt；
2）计算特快速暂态过电压回路中金属氧化物限压器安装位置的特快速暂态过电压峰值U0；
3）设置金属氧化物限压器内各单柱芯体的阀片数；
4）构建金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置，并将其接入特快速暂态过电压回路中，采用四阶龙格库塔法，仿真计算限压器两端的电压峰值Ur和电流峰值IA；
5）判断是否满足下述条件：
IA≥0且Uc≤Ur≤U0；
若满足，则进行步骤6）；否则，跳转至步骤3）；
6）输出金属氧化物限压器内各单柱芯体的阀片数及金属氧化物限压器两端的电压峰值Ur。
8.如权利要求7所述的仿真方法，其特征在于，所述构建金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置的具体步骤包括：
根据各单柱芯体中所有阀片在波头时间小于100ns的冲击电流下得到的电压与电流比值，采用分段线性化方法，计算得出限压器芯体电阻；
根据单柱芯体的数量以及各单柱芯体中阀片的数量确定出各单柱芯体的电场分布，从而得到限压器芯体电容；
根据连接导体的总长度与单位长度导体的高频等效电感的乘积，基于毕奥－萨伐尔定律计算出连接导体所处空间的磁场，从而得到限压器连接电感；
根据金属氧化物限压器的安装方式、通过电磁场数值方法计算得出限压器对地电容，所述金属氧化物限压器采用立式或卧式的安装方式；
所述限压器芯体电阻与限压器芯体电容并联构成RC回路模拟限压器芯体的高频响应特性；所述限压器连接电感与RC回路串联构成RLC回路，所述限压器对地电容与RLC回路相并联，仿真计算金属氧化物限压器对特快速暂态过电压回路的抑制特性。
9.如权利要求8所述的仿真方法，其特征在于：
所述限压器芯体电阻为所有单柱芯体电阻并联的等效电阻，单柱芯体电阻为该芯体中所有阀片的电阻之和；
所述限压器芯体电容为所有单柱芯体电容之和，单柱芯体电容为该芯体中所有阀片的电容串联的等效电容。
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