CN103558527B - 超高压gis标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，包括步骤：依据实际变电站GIS设备的结构尺寸与电气接线，计算各元件的等值阻抗，并依据各元件的几何尺寸计算仿真模型中断路器、隔离开关与母线的波阻抗参数和波速参数；依据各元件的几何尺寸与模型参数，利用ATP‑EMTP软件建立仿真模型；确定仿真模型的接线方式和标准雷电冲击电压波形参数；采用不同波头的标准雷电冲击电压波对同一接线方式进行冲击模拟；依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数。该仿真模拟方法，可以克服现有技术中可靠性低、安全性差和经济损失大等缺陷，以实现可靠性高、安全性好和经济损失小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及高压电仿真技术领域，具体地，涉及超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法。
背景技术
气体绝缘开关设备（Gas lnsulated Switchgear，简称GIS）是特高压电网中的重要组成设备之一，它将一座变电站中的断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器、隔离开关、接地开关、母线、电缆终端、进出线套管等优化设计后分别装在各自密封间中最后集中组装在一个充以SF6作为绝缘介质的整体外壳中。自上世纪60年代末问世以来，在输变电系统中得到了迅速发展，并占据着十分重要的地位。
GIS变电站一般为枢纽站，在电力系统中占有极其重要的地位。一旦遭受雷击损坏，将会带来大面积的停电事故，造成重大的经济损失。变电站的雷害事故来自两个方面：一是雷直击于变电站，二是雷击输电线路产生的雷电波沿线路侵入变电站。
依据目前GIS现场冲击耐压试验中出现的一些问题，人们对大型超高压GIS设备冲击耐压试验采用标准雷电冲击电压波时GIS内部各节点的作用电压和电压分布情况以及试验波形下的耐压考核等价性等问题提出了质疑。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在可靠性低、安全性差和经济损失大等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述问题，提出超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，以实现可靠性高、安全性好和经济损失小的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：依据实际变电站GIS设备的结构尺寸与电气接线，计算各元件的等值阻抗；并依据各元件的几何尺寸计算仿真模型中断路器、隔离开关与母线的波阻抗参数和波速参数；
步骤2：依据各元件的几何尺寸与模型参数，利用ATP-EMTP软件建立仿真模型；
步骤3：确定仿真模型的接线方式和标准雷电冲击电压波形参数；
步骤4：采用不同波头的标准雷电冲击电压波对同一接线方式进行冲击模拟；
步骤5：依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数。
进一步地，在步骤2中，所述仿真模型具体包括：
750kV GIS，采用3/2接线，包括母线I、母线II、出线1、出线2、出线3、出线4、出线5、和出线6，其中母线Ⅰ、母线Ⅱ长度均为260m，每30m一个独立气室，气室两端设有支撑盆式绝缘子，气室中间设有支柱绝缘子。
进一步地，所述750kV GIS中各设备节点、隔离开关、断路器两端及绝缘子均为计算节点。
进一步地，在步骤3中，所述接线方式包括：
方式1：出线1加压，带I母、II母，模拟出线1、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式2 出线1加压，带I母、II母、出线3-6，模拟出线1、出线3、出线4、出线5、出线6、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式3 出线1加压，带I母、II母、出线3-4，模拟出线1、出线3、出线4、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式4 出线3加压，带I母、II母，模拟出线3、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式5 出线3加压，带I母、II母、出线1-2，模拟出线1、出线2、出线3、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式6 出线3加压，带I母、II母、出线1-2、5-6，模拟出线1、出线2、出线3、出线5、出线6、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式7 出线5加压，带I母、II母，模拟出线5、I母、II母运行，其它设备停电；
方式8 出线5加压，带I母、II母、出线1-2，模拟出线1、出线2、出线5、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式9 出线5加压，带I母、II母、出线1-4，模拟出线1、出线2、出线3、出线4、出线5、I母、II母设备运行，其它设备停电。
进一步地，在步骤3中，所述标准雷电冲击电压的波头分别为1.2、3.75、8，峰值为1680kV的正极性标准雷电冲击电压。
进一步地，在步骤4中，所述采用不同波头的标准雷电冲击电压波对同一接线方式进行冲击模拟的操作，具体包括：
分别采用波头为1.2、3.75、8、10、20，峰值为1680kV的正极性标准雷电冲击电压，分别对接线方式1和接线方式6进行雷电冲击电压耐压试验仿真模拟，记录最大试验电压峰值和峰值出现的位置。
进一步地，在步骤5中，所述依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数的操作，具体包括：
依据对设备现场雷电冲击耐压试验的要求，通过对典型的750kV GIS设备在不同波头、不同施加电压点和不同接线方式下设备各节点出现的最大试验电压值和分布进行仿真计算分析，确定实际GIS设备标准雷电冲击电压耐压试验参数。
进一步地，在步骤5中，所述确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数的操作，具体包括：
确定波头时间、和GIS设备安全尺寸；所述波头时间大于等于8，所述设备尺寸小于等于60m。
进一步地，所述波头时间为12~15。
本发明各实施例的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，由于包括步骤：依据实际变电站GIS设备的结构尺寸与电气接线，计算各元件的等值阻抗，并依据各元件的几何尺寸计算仿真模型中断路器、隔离开关与母线的波阻抗参数和波速参数；依据各元件的几何尺寸与模型参数，利用ATP-EMTP软件建立仿真模型；确定仿真模型的接线方式和标准雷电冲击电压波形参数；采用不同波头的标准雷电冲击电压波对同一接线方式进行冲击模拟；依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数；可以利用数值仿真软件ATP-EMTP，模拟现场试验对某750kV电站的GIS设备分别施加标准雷电冲击电压波，计算分析准雷电冲击电压波下GIS设备中波的传播情况和各节点可能出现的最大电压值，并对电压波作用下的节点电压情况进行比对分析；从而可以克服现有技术中可靠性低、安全性差和经济损失大的缺陷，以实现可靠性高、安全性好和经济损失小的优点。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中750kV GIS电站接线图；
图2为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中标准雷电冲击电压波形图；
图3为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中方式1电气接线图；
图4为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中方式4电气接线图；
图5为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中方式2电气接线图；
图6为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中方式3电气接线图；
图7为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中方式7电气接线图；
图8为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中方式6电气接线图；
图9为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中方式5电气接线图；
图10为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中方式8电气接线图；
图11为本发明超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法中方式9电气接线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术中存在的问题，根据本发明实施例，如图1-图11所示，提供了超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法。该超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，利用数值仿真软件ATP-EMTP，模拟现场试验对某750kV电站的GIS设备分别施加标准雷电冲击电压波，计算分析准雷电冲击电压波下GIS设备中波的传播情况和各节点可能出现的最大电压值，并对电压波作用下的节点电压情况进行比对分析。
本实施例的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，包括以下步骤：
步骤1：依据实际变电站GIS设备的结构尺寸与电气接线，计算各元件的等值阻抗，并依据各元件的几何尺寸计算仿真模型中断路器、隔离开关与母线的波阻抗参数和波速参数；
在步骤1中，依据所提供的750kV GIS设备的结构尺寸与电气接线图（如图1所示），计算各元件的等值阻抗，并依据几何尺寸计算模型中断路器、隔离开关与母线等设备的波阻抗、波速和参数参见表1和表2。
表1：GIS中各设备的模型参数
。
表2：分布参数元件等效模型参数
。
步骤2：依据各元件的几何尺寸与模型参数，利用ATP-EMTP软件建立仿真模型；
在步骤2中，仿真模型具体包括：750kV GIS，采用3/2接线，包括母线I、母线II、出线1、出线2、出线3、出线4、出线5、和出线6，其中母线Ⅰ、母线Ⅱ长度均为260m，每30m一个独立气室，气室两端设有支撑盆式绝缘子，气室中间设有支柱绝缘子；GIS中各设备节点、隔离开关、断路器两端及绝缘子均为计算节点。
步骤3：确定仿真模型的接线方式和标准雷电冲击电压波形参数；
在步骤3中，接线方式包括：
方式1：出线1加压，带I母、II母，模拟出线1、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式2 出线1加压，带I母、II母、出线3-6，模拟出线1、出线3、出线4、出线5、出线6、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式3 出线1加压，带I母、II母、出线3-4，模拟出线1、出线3、出线4、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式4 出线3加压，带I母、II母，模拟出线3、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式5 出线3加压，带I母、II母、出线1-2，模拟出线1、出线2、出线3、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式6 出线3加压，带I母、II母、出线1-2、5-6，模拟出线1、出线2、出线3、出线5、出线6、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式7 出线5加压，带I母、II母，模拟出线5、I母、II母运行，其它设备停电；
方式8 出线5加压，带I母、II母、出线1-2，模拟出线1、出线2、出线5、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式9 出线5加压，带I母、II母、出线1-4，模拟出线1、出线2、出线3、出线4、出线5、I母、II母设备运行，其它设备停电；
在步骤3中，标准雷电冲击电压的波头分别为1.2、3.75、8，峰值为1680kV的正极性标准雷电冲击电压；
在步骤3中，依据750kV GIS结构和运行时可能出现的接线方式，排列组合了9种典型接线方式参见表3，各接线方式如图3-11所示。
表3：试验接线方式
。
为了计算分析标准雷电冲击电压波现场试验时750kV GIS中各设备节点承受的试验电压的等价性，对波头分别为1.2、3.75、8、10、20，峰值为1680kV的正极性标准雷电冲击电压试验时GIS设备各节点承受的试验电压值进行仿真计算。经计算在正极性和负极性振荡电压作用下，各支路节点出现的最大过电压值和电压分布基本相同，为了偏严考核和分析比较仿真计算中标准雷电冲击电源均取正极性计算。标准雷电冲击电压波波形如图2所示，振荡电源产生的振荡冲击波峰值为1680kV，允许试验电压峰值偏差3%，试验中波形峰值附近出现的振荡或过冲不超过5%；允许波头≤15。计算拟合了振荡试验回路和回路中各元件参数。在实际试验用标准雷电冲击电压波下，也对GIS设备各节点承受的试验电压值进行了计算。
步骤4：采用不同波头的标准雷电冲击电压波对同一接线方式进行冲击模拟；
在步骤4中，采用不同波头的标准雷电冲击电压波对同一接线方式进行冲击模拟的操作，具体包括：
分别采用波头为1.2、3.75、8、10、20，峰值为1680kV的正极性标准雷电冲击电压，分别对接线方式1和接线方式6进行雷电冲击电压耐压试验仿真模拟，记录最大试验电压峰值和峰值出现的位置；
在步骤4中，对于正常或带有固有绝缘缺陷的GIS绝缘设备，在采用的标准雷电冲击进行绝缘耐压考核试验时，由于GIS的结构特点，击穿主要发生在波头，因此对设备雷电冲击绝缘耐受特性的考核主要取决于波头陡度和峰值。对于750kVGIS设备，交流耐压试验值为1680kV。由于振荡冲击的击穿特性主要由波头决定，分别选择波前时间为1.2、3.75、8、10、20，电压峰值为1680kV的标准雷电冲击电压波。
由于GIS的接线、运行方式对GIS中各设备节点电压值和分布有影响，依据所研究的750kVGIS结构和可能的运行方式，偏严考虑，选取了不同施加电压点时出现电压峰值较大的方式1和方式6进行试验电压波作用时的等价性分析，各最大试验电压峰值和峰值出现的位置如表4、5所示。
表4：接线方式1
。
表5：接线方式6
。
步骤5：依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数；
在步骤5中，确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数，包括：确定波头时间、和GIS设备安全尺寸；所述波头时间大于等于8，优选12~15，所述设备尺寸小于等于60m。
在步骤5中，依据对设备现场雷电冲击耐压试验的要求，通过对典型的750kV GIS设备在不同波头、不同施加电压点和不同接线方式下设备各节点出现的最大试验电压值和分布进行仿真计算分析，确定实际GIS设备标准雷电冲击电压耐压试验参数。
在步骤5中，采用波头8、峰值1680kV的标准雷电冲击电压对GIS设备进行现场雷电冲击电压耐压试验，设备多处节点出现的最大试验峰值为1889kV，高于现场耐压试验电压12.44%，不满足耐压试验要求。但低于设备型式试验耐受电压2100kV，对设备绝缘不会构成威胁。若加长试验电压波头时间至20，一些设备节点处的试验电压值仍高出试验要求，因此采用雷电冲击电压耐受试验对大型的GIS设备进行现场考核时，应依据设备结构、尺寸选择不同的试验电压波或限制试验设备尺寸。
在步骤5中，采用波头≤8的标准雷电冲击电压对GIS设备进行现场雷电冲击耐受电压考核时，GIS中多个设备节点上的电压会高于DL/T555-2004要求的耐压试验电压值5%，且随着试验电压波头减小、GIS长度的增加，波动过程越强烈，节点出现的最大电压峰值随之增大。多数节点试验电压将大于设备允许的现场雷电冲击耐受电压，威胁设备绝缘，不符合耐压试验考核要求；
在步骤5中，若采用雷电冲击电压波进行雷电冲击耐压试验考核时，应对大型GIS设备进行拆分。取雷电冲击电压波的波头时间为8，当GIS设备长度不超过60m时，各设备节点的最大电压峰值均满足不超过设备预期的现场雷电冲击耐受电压1680kV 5%的要求。若采用振荡型雷电冲击电压波对GIS设备进行雷电冲击耐受电压考核时，应采用波头时间为12~15的振荡型雷电冲击电压波。
综上所述，本发明上述各实施例的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，包括步骤：依据实际变电站GIS设备的结构尺寸与电气接线，计算各元件的等值阻抗，并依据各元件的几何尺寸计算仿真模型中断路器、隔离开关与母线的波阻抗参数和波速参数；依据各元件的几何尺寸与模型参数，利用ATP-EMTP软件建立仿真模型；确定仿真模型的接线方式和标准雷电冲击电压波形参数；采用不同波头的标准雷电冲击电压波对同一接线方式进行冲击模拟；依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数。
综上所述，本发明上述各实施例的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，至少可以达到的有益效果包括：依据冲击波耐压现场试验方法和冲击波参数，确定冲击试验波参数，拟合、建立冲击波电源模型；确定影响设备节点最大电压值和电压分布的敏感参数，对敏感参数对设备节点电压计算结果的影响进行分析。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：依据实际变电站GIS设备的结构尺寸与电气接线，计算各元件的等值阻抗；并依据各元件的几何尺寸计算仿真模型中断路器、隔离开关与母线的波阻抗参数和波速参数；
步骤2：依据各元件的几何尺寸与模型参数，利用ATP-EMTP软件建立仿真模型；
步骤3：确定仿真模型的接线方式和标准雷电冲击电压波形参数；
步骤4：采用不同波头的标准雷电冲击电压波对同一接线方式进行冲击模拟；
步骤5：依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数；在步骤5中，所述确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数的操作，具体包括：
确定波头时间、和GIS设备安全尺寸；所述波头时间大于等于8μs，所述设备尺寸小于等于60m。
2.根据权利要求1所述的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，其特征在于，在步骤2中，所述仿真模型具体包括：
750kV GIS，采用3/2接线，包括母线I、母线II、出线1、出线2、出线3、出线4、出线5、和出线6，其中母线Ⅰ、母线Ⅱ长度均为260m，每30m一个独立气室，气室两端设有支撑盆式绝缘子，气室中间设有支柱绝缘子。
3.根据权利要求2所述的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，其特征在于，所述750kV GIS中各设备节点、隔离开关、断路器两端及绝缘子均为计算节点。
4.根据权利要求1所述的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，其特征在于，在步骤3中，所述接线方式包括：
方式1：出线1加压，带I母、II母，模拟出线1、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式2出线1加压，带I母、II母、出线3-6，模拟出线1、出线3、出线4、出线5、出线6、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式3出线1加压，带I母、II母、出线3-4，模拟出线1、出线3、出线4、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式4出线3加压，带I母、II母，模拟出线3、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式5出线3加压，带I母、II母、出线1-2，模拟出线1、出线2、出线3、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式6出线3加压，带I母、II母、出线1-2、5-6，模拟出线1、出线2、出线3、出线5、出线6、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式7出线5加压，带I母、II母，模拟出线5、I母、II母运行，其它设备停电；
方式8出线5加压，带I母、II母、出线1-2，模拟出线1、出线2、出线5、I母、II母设备运行，其它设备停电；
方式9出线5加压，带I母、II母、出线1-4，模拟出线1、出线2、出线3、出线4、出线5、I母、II母设备运行，其它设备停电。
5.根据权利要求4所述的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，其特征在于，在步骤3中，所述标准雷电冲击电压的波头分别为1.2μs、3.75μs、8μs，峰值为1680kV的正极性标准雷电冲击电压。
6.根据权利要求5所述的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，其特征在于，在步骤4中，所述采用不同波头的标准雷电冲击电压波对同一接线方式进行冲击模拟的操作，具体包括：
分别采用波头为1.2μs、3.75μs、8μs、10μs、20μs，峰值为1680kV的正极性标准雷电冲击电压，分别对接线方式1和接线方式6进行雷电冲击电压耐压试验仿真模拟，记录最大试验电压峰值和峰值出现的位置。
7.根据权利要求1所述的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，其特征在于，在步骤5中，所述依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压安全耐压试验参数的操作，具体包括：
依据对设备现场雷电冲击耐压试验的要求，通过对典型的750kV GIS设备在不同波头、不同施加电压点和不同接线方式下设备各节点出现的最大试验电压值和分布进行仿真计算分析，确定实际GIS设备标准雷电冲击电压耐压试验参数。
8.根据权利要求1所述的超高压GIS标准雷电冲击电压耐压试验仿真模拟方法，其特征在于，所述波头时间为12μs～15μs。
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