CN103559406B - 一种超高压gis耐压试验仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高压GIS耐压试验仿真系统及方法，该系统包括初始参数接收模块、分立元件模型构建模块、计算模型构建模块和分析模块，初始参数接收模块，用于接收对仿真系统中各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数；分立元件模型构建模块，用于输入初始参数接收模块中所接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型；计算模型构建模块，用于利用分立元件模型构建模块所构建的各分立元件模型，构建计算模型；分析模块，用于依据仿真结果确定实际GIS设备耐压试验参数。该系统及方法，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

一种超高压GIS耐压试验仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及高压电试验技术领域，具体地，涉及一种超高压GIS耐压试验仿真系统及方法。

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，提出一种超高压GIS耐压试验仿真系统，以实现可靠性高、安全性好和经济损失小的优点。

本发明的第二目的在于，提出一种超高压GIS耐压试验仿真方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种超高压GIS耐压试验仿真系统，包括初始参数接收模块、分立元件模型构建模块、计算模型构建模块和分析模块，其中：

所述初始参数接收模块，用于接收对仿真系统中各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数；

所述分立元件模型构建模块，用于输入初始参数接收模块中所接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型；

所述计算模型构建模块，用于利用分立元件模型构建模块所构建的各分立元件模型，构建计算模型；

所述分析模块，用于依据仿真结果确定实际GIS设备耐压试验参数。

进一步地，所述接收对仿真系统中各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数的操作，具体包括：

接收实际 GIS设备的结构尺寸与电气接线图，获得各分立元件的等值阻抗，根据各分立元件的几何尺寸计算得到断路器模型、隔离开关模型与母线模型的波阻抗和波速参数。

进一步地，所述输入初始参数接收模块中所接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型的操作，包括：

利用集总电容模型，建立断路器暂态计算模型、隔离开关暂态计算模型；利用分布参数输电线路模型，建立母线暂态计算模型。

进一步地，在所述利用分立元件模型构建模块所构建的各分立元件模型，构建计算模型的操作中，所述计算模型具体包括：

电源模型与母线I模型相连，母线I模型与断路器模型相连，断路器模型与母线II模型、母线III模型相连，母线II模型与隔离开关模型相连，隔离开关模型与母线VI模型相连。

进一步地，所述依据仿真结果确定实际GIS设备耐压试验参数的操作，具体包括：

对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电压分布进行仿真计算分析，确定实际GIS设备的耐压试验参数。

同时，本发明采用的另一技术方案是：一种与以上所述的超高压GIS耐压试验仿真系统相匹配的超高压GIS耐压试验仿真方法，包括以下步骤：

接收仿真过程中所用到的各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数；

根据接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型；

利用所构建的各分立元件模型，构建计算模型；

依据仿真结果确定实际GIS设备耐压试验参数。

进一步地，所述接收仿真过程中所用到的各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数的操作，具体包括：

接收实际 GIS设备的结构尺寸与电气接线图，获得各分立元件的等值阻抗，根据各分立元件的几何尺寸计算得到断路器模型、隔离开关模型与母线模型的波阻抗和波速参数。

进一步地，所述根据接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型的操作，包括：

利用集总电容模型，建立断路器暂态计算模型、隔离开关暂态计算模型；利用分布参数输电线路模型，建立母线暂态计算模型。

进一步地，在所述利用所构建的各分立元件模型，构建计算模型的操作中，所述计算模型具体包括：

电源模型与母线I模型相连，母线I模型与断路器模型相连，断路器模型与母线II模型、母线III模型相连，母线II模型与隔离开关模型相连，隔离开关模型与母线VI模型相连。

进一步地，所述依据仿真结果确定实际GIS设备耐压试验参数的操作，具体包括：

对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电压分布进行仿真计算分析，确定实际GIS设备的耐压试验参数。

本发明各实施例的超高压GIS耐压试验仿真系统及方法，由于该系统包括初始参数接收模块、分立元件模型构建模块、计算模型构建模块和分析模块，初始参数接收模块，用于接收对仿真系统中各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数；分立元件模型构建模块，用于输入初始参数接收模块中所接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型；计算模型构建模块，用于利用分立元件模型构建模块所构建的各分立元件模型，构建计算模型；分析模块，用于依据仿真结果确定实际GIS设备耐压试验参数；可以通过对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电压分布的仿真计算分析，确定实际GIS设备的耐压试验参数；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耐压试验仿真系统的工作原理示意图；

图2为本发明超高压GIS耐压试验仿真系统中实际GIS设备电气接线图；

图3为本发明超高压GIS耐压试验仿真系统中计算模型结构图；

图4为本发明超高压GIS耐压试验仿真方法的流程图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-初始参数接收模块；2-分立元件模型构建模块；3-计算模型构建模块；4-分析模块。

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，如图1-图4所示，根据本发明实施例，提供了一种超高压GIS耐压试验仿真系统及方法。

系统实施例

如图1-图3所示，本实施例的超高压GIS耐压试验仿真系统，包括初始参数接收模块1、分立元件模型构建模块2、计算模型构建模块3和分析模块4。

其中，初始参数接收模块1，用于接收对仿真系统中各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数。初始参数接收模块1，接收实际 GIS设备的结构尺寸与电气接线图，获得各分立元件的等值阻抗，根据各分立元件的几何尺寸计算得到断路器模型、隔离开关模型与母线模型的波阻抗和波速参数。

这里，初始参数接收模块1，接收各分立元件的初始参数，用于对仿真系统中所用到的各分立元器件进行初始参数设置。仿真系统基于电磁暂态程序（EMTP），其数学模型包括：集总参数电阻R、电感L和电容C；多相PI等值电路；多相分布参数输电线路；非线性电阻，v-i特性曲线是单值的；非线性电感器，既可模拟常规的单值特性曲线，也可包括剩磁和磁滞；时变电阻；开关，用来模拟断路器、火花间隙及其它网络联接的改变，二极管和晶闸管也包括在内；电压和电流源，除了标准的数学函数波形外，用户还可用FORTRAN或TACS来定义波形；动态旋转电机，除了模拟最常用的三相同步电机外，还可模拟单相、二相和三相感应电机和直流电机。它与TACS控制系统模型相联接，从而可模拟电压调节器和调速器等的动态特性。

初始参数，根据实际GIS设备的参数获得。本实施例依据实际750kV GIS设备的结构尺寸与电气接线图（如图2所示），得到各分立元件的等值阻抗如表1所示，依据各分立元件的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、波速和参数如表2所示。

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

。

根据典型的标准雷电冲击电压波/振荡型雷电冲击电压波的参数，电源模型初始参数，输入电源模型初始参数得到的电源模型，电源模型初始参数设置为：①1.2/50µs雷电冲击电压波电源、②3.75/50µs雷电冲击电压波电源、③8/50µs的雷电冲击电压波电源、④振荡型雷电冲击电压波电源。

分立元件模型构建模块2，用于输入初始参数接收模块中所接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型。分立元件模型构建模块2，利用集总电容模型，建立断路器暂态计算模型、隔离开关暂态计算模型，利用分布参数输电线路模型，建立母线暂态计算模型。

这里，分立元件模型构建模块2，输入初始参数接收模块中所接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型，包括①利用集总电容模型，输入实测数据建立的断路器、隔离开关暂态计算模型；②利用分布参数输电线路模型，输入实测数据建立的母线暂态计算模型。根据典型的标准雷电冲击电压波/振荡型雷电冲击电压波的参数，电源模型初始参数，输入电源模型初始参数得到的电源模型，所述电源模型初始参数设置为：①1.2/50µs雷电冲击电压波电源、②3.75/50µs雷电冲击电压波电源、 ③8/50µs的雷电冲击电压波电源、④振荡型雷电冲击电压波电源。

电源模型，选用固有的数学模型，输入标准参数得到的电源模型；断路器暂态计算模型，利用集总电容模型，输入实测电容量参数；隔离开关暂态计算模型，利用集总电容模型，输入实测电容量参数；母线模型，根据实测各母线长度，输入母线模型参数得到不同长度的母线模型；母线暂态计算模型，利用分布参数输电线路模型，输入实测电容量参数。

计算模型构建模块3，用于利用所构建的各分立元件模型，构建计算模型。计算模型为，电源模型与母线I模型相连，母线I模型与断路器模型相连，断路器模型与母线II模型、母线III模型相连，母线II模型与隔离开关模型相连，隔离开关模型与母线VI模型相连。

这里，计算模型构建模块3，利用所构建的各分立元件模型，构建计算模型，在计算模型中，电源模型首先与段母线I模型相连，母线I模型与断路器模型相连、断路器模型与母线II模型、母线III模型相连，母线II模型与隔离开关模型相连，隔离开关模型与母线VI模型相连。

母线I、II、III、VI模型，因母线长度不同因而参数不同，用以模拟电磁暂态状态下的GIS母线；电源模型，为整个回路的电源来源，提供4中不同参数的电压波；断路器模型，模拟电磁暂态状态下的断路器；隔离开关模型，模拟电磁暂态状态下的隔离开关。

分析模块4，用于依据仿真结果确定实际GIS设备耐压试验参数。分析模块4，对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电压分布进行仿真计算分析，确定实际GIS设备的耐压试验参数。

这里，分析模块4，依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压耐压试验参数。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。

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。

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。

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。

方法实施例

如图4所示，本实施例的超高压GIS耐压试验仿真方法，包括以下步骤：

步骤101：接收初始参数，即接收用于对仿真过程中所用到的各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数；

在步骤101中，接收初始参数的操作，具体包括：接收实际 GIS设备的结构尺寸与电气接线图，获得各分立元件的等值阻抗，根据各分立元件的几何尺寸计算得到断路器模型、隔离开关模型与母线模型的波阻抗、和波速参数；

在步骤101中，接收初始参数的操作，具体包括：接收各分立元件的初始参数，用于对仿真系统中所用到的各分立元器件进行初始参数设置。仿真系统基于电磁暂态程序（EMTP），其数学模型包括：集总参数电阻R、电感L和电容C；多相PI等值电路；多相分布参数输电线路；非线性电阻，v-i特性曲线是单值的；非线性电感器，既可模拟常规的单值特性曲线，也可包括剩磁和磁滞；时变电阻；开关，用来模拟断路器、火花间隙及其它网络联接的改变，二极管和晶闸管也包括在内；电压和电流源，除了标准的数学函数波形外，用户还可用FORTRAN或TACS来定义波形；动态旋转电机，除了模拟最常用的三相同步电机外，还可模拟单相、二相和三相感应电机和直流电机。它与TACS控制系统模型相联接，从而可模拟电压调节器和调速器等的动态特性。

上述初始参数，根据实际GIS设备的参数获得。本实施例依据实际750kV GIS设备的结构尺寸与电气接线图（如图2所示），得到各分立元件的等值阻抗如上述表1所示，依据各分立元件的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、波速和参数如上述表2所示。

根据典型的标准雷电冲击电压波/振荡型雷电冲击电压波的参数，电源模型初始参数，输入电源模型初始参数得到的电源模型，电源模型初始参数设置为：①1.2/50µs雷电冲击电压波电源、②3.75/50µs雷电冲击电压波电源、 ③8/50µs的雷电冲击电压波电源、④振荡型雷电冲击电压波电源。

步骤102：分立元件模型构建，即根据接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型；

在步骤102中，分立元件模型构建的操作，具体包括：利用集总电容模型，建立断路器暂态计算模型、隔离开关暂态计算模型，利用分布参数输电线路模型，建立母线暂态计算模型；

在步骤102中，分立元件模型构建，输入初始参数接收模块中所接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型，包括①利用集总电容模型，输入实测数据建立的断路器、隔离开关暂态计算模型；②利用分布参数输电线路模型，输入实测数据建立的母线暂态计算模型。根据典型的标准雷电冲击电压波/振荡型雷电冲击电压波的参数，电源模型初始参数，输入电源模型初始参数得到的电源模型，所述电源模型初始参数设置为：①1.2/50µs雷电冲击电压波电源、②3.75/50µs雷电冲击电压波电源、 ③8/50µs的雷电冲击电压波电源、④振荡型雷电冲击电压波电源。

电源模型，选用固有的数学模型，输入标准参数得到的电源模型；断路器暂态计算模型，利用集总电容模型，输入实测电容量参数；隔离开关暂态计算模型，利用集总电容模型，输入实测电容量参数；母线模型，根据实测各母线长度，输入母线模型参数得到不同长度的母线模型；母线暂态计算模型，利用分布参数输电线路模型，输入实测电容量参数。

步骤103：计算模型构建，即利用所构建的各分立元件模型，构建计算模型；

在步骤103中，计算模型构建的操作，具体包括：电源模型与母线I模型相连，母线I模型与断路器模型相连，断路器模型与母线II模型、母线III模型相连，母线II模型与隔离开关模型相连，隔离开关模型与母线VI模型相连；

在步骤103中，计算模型构建，利用所构建的各分立元件模型，构建计算模型，在计算模型中，电源模型首先与段母线I模型相连，母线I模型与断路器模型相连、断路器模型与母线II模型、母线III模型相连，母线II模型与隔离开关模型相连，隔离开关模型与母线VI模型相连。

母线I、II、III、VI模型，因母线长度不同因而参数不同，用以模拟电磁暂态状态下的GIS母线；电源模型，为整个回路的电源来源，提供4中不同参数的电压波；断路器模型，模拟电磁暂态状态下的断路器；隔离开关模型，模拟电磁暂态状态下的隔离开关。

步骤104：仿真分析，即依据仿真结果确定实际GIS设备耐压试验参数。

在步骤104中，仿真分析操作，具体包括：对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电压分布进行仿真计算分析，确定实际GIS设备的耐压试验参数。

在步骤104中，分析模块，依据仿真结果确定实际GIS设备标准雷电冲击电压耐压试验参数。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。

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；

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。

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耐压试验仿真系统及方法，至少可以达到的有益效果包括：通过对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电压分布的仿真计算分析，确定实际GIS设备的耐压试验参数。

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 (2)

1.一种超高压GIS 耐压试验仿真系统，其特征在于，包括初始参数接收模块、分立元件模型构建模块、计算模型构建模块和分析模块，其中：

所述初始参数接收模块，用于接收对仿真系统中各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数；

所述分立元件模型构建模块，用于输入初始参数接收模块中所接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型；

所述计算模型构建模块，用于利用分立元件模型构建模块所构建的各分立元件模型，构建计算模型；

所述分析模块，用于依据仿真结果确定实际750kV GIS 设备耐压试验参数；

在所述利用分立元件模型构建模块所构建的各分立元件模型，构建计算模型的操作中，所述计算模型具体包括：

电源模型与母线I 模型相连，母线I 模型与断路器模型相连，断路器模型与母线II 模型、母线III 模型相连，母线II 模型与隔离开关模型相连，隔离开关模型与母线VI 模型相连；

母线I、II、III、VI 模型，因母线长度不同因而参数不同，用以模拟电磁暂态状态下的GIS母线；

分立元件模型构建模块，利用集总电容模型，建立断路器暂态计算模型、隔离开关暂态计算模型，利用分布参数输电线路模型，建立母线暂态计算模型；

分析模块，依据对设备现场雷电冲击耐压试验的要求，通过对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750kV GIS 设备标准雷电冲击电压耐压试验参数。

2.一种与权利要求1 所述的超高压GIS 耐压试验仿真系统相匹配的超高压GIS 耐压试验仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收仿真过程中所用到的各分立元件进行初始参数设置的各分立元件的初始参数；

根据接收到的各分立元件的初始参数构建各分立元件模型；分立元件模型构建的操作，具体包括：利用集总电容模型，建立断路器暂态计算模型、隔离开关暂态计算模型，利用分布参数输电线路模型，建立母线暂态计算模型；

利用所构建的各分立元件模型，构建计算模型，所述计算模型具体包括：

电源模型与母线I 模型相连，母线I 模型与断路器模型相连，断路器模型与母线II 模型、母线III 模型相连，母线II 模型与隔离开关模型相连，隔离开关模型与母线VI 模型相连；

母线I、II、III、VI 模型，因母线长度不同因而参数不同，用以模拟电磁暂态状态下的GIS母线；

依据仿真结果确定实际750kV GIS 设备耐压试验参数：对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电压分布进行仿真计算分析，确定实际750kV GIS 设备的耐压试验参数。