CN113471947A - 一种gis特快速暂态过电压的有源抑制方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电力的发电、变电或配电领域，涉及一种GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法和系统。包括：采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波；对VFTO行波进行傅里叶分解，得到频率不同的正弦波序列；在隔离开关处，通过波形发生装置发出与VFTO行波的前N次周期性正弦波幅值相等且相位相差180°的正弦波，与VFTO同方向传播；VFTO行波与波形发生装置产生的波发生叠加，相互抵消，起到抑制VFTO的作用。本发明是一种主动降低VFTO行波的方法和系统，具有抑制效果显著、抑制过程和抑制效果可控的优点，可彻底解决GIS特快速暂态过电压(VFTO)问题，使用范围广，具有明显的经济和社会效益。

Description

一种GIS特快速暂态过电压的有源抑制方法和系统
技术领域
本发明属于电力的发电、变电或配电领域，涉及一种GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法和系统。
背景技术
电力系统存在波头很陡、频率很高的操作过电压，这种过电压经常出现在气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中。
GIS中隔离开关分合操作时，由于触头运动速度慢，开关本身的灭弧性能差，故触头间隙会发生多次击穿和熄灭，可能造成频率非常高的过电压，其起始前沿一般在3～200ns之间，称之为特快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage，VFTO)。虽然特快速暂态过电压幅值并不高，一般不超过2.5p.u.，但它的频率远高于雷电过电压，而电力系统常用的金属氧化物避雷器(MOA)无法限制这种过电压，在超高压及特高压系统中造成的事故率超过了雷电冲击和操作冲击下的事故率。特快速暂态过电压可能威胁到GIS及其相邻设备的安全，特别是变压器匝间绝缘的安全，也可能引起变压器内部的高频振荡。
《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合设计规范》(GB/T 50064-2014)中第4.3.1款规定，范围ⅡGIS和HGIS变电站应预测隔离开关开合管线产生的VFTO。当VFTO会损坏绝缘时，宜避免引起危险的操作方式或在隔离开关加装阻尼电阻；新版《导体和电器选择设计技术规定》(送审稿)中第6.0.8款中规定，变压器的330kV及以上电压等级出线端采用油/SF6气体套管与GIS配电装置连接时，宜经仿真计算，校核GIS隔离开关操作产生的特快速暂态过电压(简称VFTO)对变压器绕组绝缘可能造成的影响。必要时，应采取隔离开关加装阻尼电阻等限制VFTO的措施或提高变压器绕组耐压水平。
VFTO的主要危害体现在以下三方面：
(1)致使绝缘老化
电气设备多次受到较高幅值特快速暂态过电压的冲击，长此以往，经过长时间的作用会给设备的绝缘性带来潜在的危害。
(2)对变压器及套管的影响
当GIS内部产生VFTO在母线上以行波的形式传播到套管上时，一些行波将会耦合到外面的GIS管道母线、高压电缆或架空线上并传播到外接设备，其中以与GIS直接相连的主变压器受到的影响最严重。我国某500kV GIS发电站曾发生过因VFTO对变压器的作用而导致绝缘严重损坏的事故。VFTO的陡度有时极高，通常波头呈指数上升，因此变压器首端对此过电压的绝缘要求高。由于GIS管道母线、高压电缆或架空线连接着变压器与GIS设备，故VFTO的谐波分量会传输到变压器绕组匝间、层间形成很不均匀的分布且可能引起绕组的共振，这可能引发高频率的谐振过电压，加上数次的累积效应可能会使变压器绝缘击穿。
(3)对二次设备的影响
VFTO的行波可以以电流互感器和电压互感器里面的杂散电容为媒介而传进相邻的二次电缆中，从而影响二次设备。不仅如此，它也可以从接地网传入二次电缆的屏蔽层，然后进入二次电缆芯，这样与之相连的各种二次设备将受到严重干扰甚至被损坏。
一般在工程中采用在隔离开关中加装阻尼电阻的方式抑制VFTO，也有采用在母线上加装铁氧体磁环的方式抑制VFTO，目前的抑制措施均属无源抑制的范畴。
发明内容
为了降低隔离开关中VFTO水平，本发明提供一种GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法和系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明第一方面，提供一种GIS特快速暂态过电压的有源抑制方法，包括以下步骤：
S1，采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波；
S2，对VFTO行波进行傅里叶分解，得到频率不同的正弦波序列；
S3，在隔离开关处，发出多次正弦波，多次正弦波满足：
与正弦波序列中前N次周期性正弦波的幅值相等且相位相差180°的正弦波，且与VFTO行波同方向传播。
作为本发明进一步改进，对VFTO行波进行傅里叶分解具体步骤包括：
VFTO行波用u(t，x)表示，进行傅里叶分解后，用如下表达式表示：
Figure BDA0003183098300000031
其中，
Figure BDA0003183098300000032
a0、an、bn为实数，通过数值方法求得；x表示距隔离开关处的距离，x＝0表示操作隔离开关处。
作为本发明进一步改进，多次正弦波用如下表达式表示：
Figure BDA0003183098300000033
其中，
Figure BDA0003183098300000034
a0、an、bn为实数，通过数值方法求得；x表示距隔离开关处的距离，x＝0表示操作隔离开关处。
作为本发明进一步改进，还包括：
S4，再次采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波，判断VFTO行波是否在容许范围内：
如在容许范围外，则重复S2～S3；如在容许范围内，则结束。
作为本发明进一步改进，再次采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波用如下表达式表示：
Figure BDA0003183098300000041
本发明第二方面，提供一种GIS特快速暂态过电压的有源抑制系统，包括：
VFTO行波采集装置，用于采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波，
控制装置，用于对采集装置采集到的VFTO行波进行傅里叶分解，并基于傅里叶分解结果向波形发生装置发出产生相应正弦波的指令；
以及波形发生装置，用于根据控制装置发出的指令，产生相应正弦波。
作为本发明进一步改进，所述控制装置还用于判断VFTO行波是否在容许范围内，对于是否在容许范围内，分别给出处理方案。
作为本发明进一步改进，所述VFTO行波采集装置安装在VFTO波形发生处的GIS外壳上。
作为本发明进一步改进，还包括电源模块，用于为控制装置和波形发生装置供电。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法，通过波形发生装置发出的正弦波与VFTO行波进行叠加来起到降低VFTO的作用，具体是在隔离开关处，通过波形发生装置发出与VFTO行波的前N次周期性正弦波(N可通过程序设定)幅值相等且相位相差180°的正弦波，与VFTO同方向传播；VFTO行波与波形发生装置产生的波发生叠加，相互抵消，起到抑制VFTO的作用；是一种主动降低VFTO行波的方法。尤其是VFTO行波进行傅里叶分解，得到频率不同的正弦波序列，使得复杂多样性的VFTO行波变为可以进行抵消处理的正弦波，再通过发出相适应的正弦波进行有效的抵消。与常规采用阻尼电阻和磁环型阻尼等抑制VFTO的方法相比，本发明具有抑制效果显著、抑制过程和抑制效果可控的优点，可彻底解决GIS特快速暂态过电压(VFTO)问题，具有明显的经济和社会效益。
附图说明
图1为本发明一种GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法原理图；
图2为本发明一种GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制系统框图；
图3为本发明实施例的初始VFTO波形图；
图4为本发明实施例实施后最终的VFTO波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明及其实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1和图2，本发明一个实施例中，提供一种GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法，包括以下步骤：
S1：采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波；
S2：对VFTO行波进行傅里叶分解，得到频率不同的正弦波序列；
假设VFTO行波用u(t，x)表示，进行傅里叶分解后，可用如下表达式表示：
Figure BDA0003183098300000061
其中，
Figure BDA0003183098300000062
a0、an、bn为实数，可通过数值方法求得。x表示距隔离开关处的距离，x＝0表示操作隔离开关处；
S3：在隔离开关处，通过波形发生装置发出多次正弦波，假设波形发生装置发出与S2得到的前N次周期性正弦波(N可通过程序设定)幅值相等且相位相差180°的正弦波，与VFTO同方向传播。则波形发生装置发出的波可用如下表达式表示：
Figure BDA0003183098300000063
其中，ω、a0、an、bn与式(1)相同；
S4：VFTO行波与波形发生装置产生的波发生叠加，相互抵消，起到抑制VFTO的作用。叠加后，VFTO大大减弱，剩余VFTO可用如下表达式表示：
Figure BDA0003183098300000064
S5：再次采集VFTO行波，判断是否在容许范围内，如在容许范围外，则返回S2；如在容许范围内，则结束。
本发明GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法，原理为：
通过波形发生装置发出的正弦波与VFTO行波进行叠加来起到降低VFTO的作用，是一种主动降低VFTO行波的方法。与常规采用阻尼电阻和磁环型阻尼等抑制VFTO的方法相比，本发明具有抑制效果显著、抑制过程和抑制效果可控的优点，可彻底解决GIS特快速暂态过电压(VFTO)问题，具有明显的经济和社会效益。
本发明在一个实施例中，提供一种GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法的第一种实际应用场景，以某工程1000kV联合单元接线GIS中特快速暂态过电压(VFTO)为例进行说明。
实施例
某工程1000kV联合单元接线GIS中特快速暂态过电压(VFTO)初始波形如图3所示。设定VFTO行波的容许范围为最大幅值(标么值)不大于1.3p.u.。
按照本发明公开的GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法，进行如下步骤：
S1：采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波，如图3所示；
S2：对图3所示VFTO行波进行傅里叶分解，得到频率不同的正弦波序列；
假设VFTO行波用u(t，x)表示，进行傅里叶分解后，可用如下表达式表示：
Figure BDA0003183098300000071
其中，
Figure BDA0003183098300000072
a0、an、bn为实数，可通过数值方法求得。x表示距隔离开关处的距离，x＝0表示操作隔离开关处。求取a0、an、bn的方法为常规方法，这里不做详述。
S3：在隔离开关处，通过波形发生装置发出多次正弦波，本实施例设定波形发生装置发出与S2得到的前10次周期性正弦波幅值相等且相位相差180°的正弦波，与VFTO同方向传播。则波形发生装置发出的波可用如下表达式表示：
Figure BDA0003183098300000073
其中，ω、a0、an、bn与式(1)相同；
S4：VFTO行波与波形发生装置产生的波发生叠加，相互抵消，起到抑制VFTO的作用。叠加后，VFTO大大减弱，剩余VFTO可用如下表达式表示：
Figure BDA0003183098300000081
S5：再次采集VFTO行波，采集到的VFTO波形如图4所示，其最大幅值为1.28p.u.，由于1.28p.u.＜1.3p.u.，因此，在容许范围内，则结束。
至此，本实施例结束，由此可见，本发明的方法有效抑制了VFTO。
如图2所示，本发明在一个实施例中，提供一种GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制系统，能够用于实施上述GIS特快速暂态过电压(VFTO)的有源抑制方法，该系统包括VFTO行波采集装置2、控制装置3、波形发生装置4以及电源模块5。
其中，VFTO行波采集装置2，用于采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波，一般安装在VFTO波形发生处GIS外壳上。
控制装置3，主要有3个基本功能：1.对采集装置采集到的VFTO行波进行傅里叶分解；2.向波形发生装置发出产生相应正弦波的指令；3.判断VFTO行波是否在容许范围内，对于是否在容许范围内，分别给出相应的处理方案。
波形发生装置4，根据控制装置发出的指令，产生相应正弦波。
电源模块5，为控制装置3和波形发生装置4提供所需电源。
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保护范围之内。

Claims (9)

1.一种GIS特快速暂态过电压的有源抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波；
S2，对VFTO行波进行傅里叶分解，得到频率不同的正弦波序列；
S3，在隔离开关处，发出多次正弦波，多次正弦波满足：
与正弦波序列中前N次周期性正弦波的幅值相等且相位相差180°的正弦波，且与VFTO行波同方向传播。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
对VFTO行波进行傅里叶分解具体步骤包括：
VFTO行波用u(t,x)表示，进行傅里叶分解后，用如下表达式表示：
Figure FDA0003183098290000011
其中，
Figure FDA0003183098290000012
a0、an、bn为实数，通过数值方法求得；x表示距隔离开关处的距离，x＝0表示操作隔离开关处。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
多次正弦波用如下表达式表示：
Figure FDA0003183098290000013
其中，
Figure FDA0003183098290000014
a0、an、bn为实数，通过数值方法求得；x表示距隔离开关处的距离，x＝0表示操作隔离开关处。
4.根据权利要求1至3任一项所述的方法，其特征在于，
还包括：
S4，再次采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波，判断VFTO行波是否在容许范围内：
如在容许范围外，则重复S2～S3；如在容许范围内，则结束。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，
再次采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波用如下表达式表示：
Figure FDA0003183098290000021
6.一种GIS特快速暂态过电压的有源抑制系统，其特征在于，包括：
VFTO行波采集装置，用于采集GIS隔离开关分合操作产生的VFTO行波，
控制装置，用于对采集装置采集到的VFTO行波进行傅里叶分解，并基于傅里叶分解结果向波形发生装置发出产生相应正弦波的指令；
以及波形发生装置，用于根据控制装置发出的指令，产生相应正弦波。
7.根据权利要求6所述的一种GIS特快速暂态过电压的有源抑制系统，其特征在于，
所述控制装置还用于判断VFTO行波是否在容许范围内，对于是否在容许范围内，分别给出处理方案。
8.根据权利要求6所述的一种GIS特快速暂态过电压的有源抑制系统，其特征在于，
所述VFTO行波采集装置安装在VFTO波形发生处的GIS外壳上。
9.根据权利要求6所述的一种GIS特快速暂态过电压的有源抑制系统，其特征在于，
还包括电源模块，用于为控制装置和波形发生装置供电。
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