CN114646285B - 变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法、设备及存储介质 - Google Patents

变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法、设备及存储介质，涉及球隙火花开关领域，是针对现有技术中试验方法浪费人力、物力和时间的问题所提出，通过试验获得某一直径的球隙火花开关最大工作电压范围时的电极间距及工作电压上限、工作电压下限值；通过计算机仿真软件计算得出与不同型号避雷器配合的球隙火花开关的直径以及主间隙距离；建立定量直径D0及主间隙距离H0的球隙火花开关有限元仿真模型；建立变量直径Dn及主间隙为H的球隙火花开关有限元仿真模型；得出该型号避雷器适配球隙火花开关的直径及主间隙距离。通过计算机仿真节约人力、物力和时间。

Description

变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法、 设备及存储介质
技术领域
本发明涉及球隙火花开关领域，特别是涉及一种变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法、设备及存储介质。
背景技术
我国110kV、220kV电力系统中存在变压器中性点部分接地运行方式，与中性点不接地运行方式相比，部分接地运行方式主要有三个优点：零序保护实现可靠简单；单相接地故障电流对断路器的遮断容量限制小；受通讯干扰影响小。但当输电系统发生不对称短路(单相接地故障)、非全相运行或者雷击杆塔与输电线路等故障时，在中性点不接地变压器的中性点上会有很大的过电压，严重威胁变压器中性点绝缘，因此采取相对应的保护措施是十分必要的。对于中性点不接地变压器的中性点绝缘的保护，目前我国实际工程中应用最为普遍的方法是避雷器并联棒-棒间隙组合式保护。过电压幅值大于变压器中性点绝缘击穿及避雷器额定电压，让保护间隙动作。过电压幅值小于变压器中性点绝缘击穿及避雷器额定电压，保护间隙及避雷器都不动作。过电压幅值大于变压器中性点绝缘击穿电压，但作用时间较短，只需避雷器动作，即要求保护间隙在避雷器的残压下不动作。
由于棒-棒间隙冲击系数远远大于1(冲击系数＝冲击击穿电压/工频稳态击穿电压)，故常用避雷器并联棒-棒间隙。理想状态下，通过上述配合，能够保证变压器中性点绝缘性能不被破坏。但在系统实际运行过程中，由于每个系统的复杂性和特殊性、保护间隙击穿电压的分散性，保护间隙与避雷器经常出现配合错误，具体表现为以下两种情况：一是当系统单相接地且系统失地时，棒-棒保护间隙拒动作，导致中性点避雷器发生爆炸或变压器中性点绝缘击穿；二是当线路发生单相接地故障且系统不失地时，棒-棒保护间隙误动作，导致变压器二次侧跳闸，负荷侧失电。氧化锌避雷器(MOA)本身并不存在应用问题，避雷器并联间隙的配合问题是由捧－捧间隙造成的。为克服棒-棒间隙缺陷，相关学者提出了一些解决方案，如采用羊角型间隙替代棒棒间隙；用冲击系数更大的棒-板-棒间隙替代棒-棒间隙；用气水间隙替代棒棒间隙等，但以上方法都存在一定的局限性。
有学者提出的新型可控间隙(球隙火花开关)代替棒-棒间隙的方案有望彻底解决变压器中性点保护难题，其设计方案严格限定保护间隙和避雷器的作用和动作特性，以过电压作用于变压器中性点的时间长短及是否稳定来重新划分过电压的类型，使避雷器仅对雷电过电压、工频暂态过电压和操作过电压等短时过电压起保护作用，而保护间隙仅对故障引发的工频稳态过电压及非全相运行而引发的谐振过电压起保护作用。新型放电间隙的总体方案如图2，由过电压类型识别单元、触发脉冲形成单元及触发放电球隙火花开关组成。过电压类型识别单元检测到中性点出现幅值较高的工频过电压时，触发脉冲单元形成触发脉冲，控制球隙火花开关导通，保护变压中性点绝缘及避雷器；检测到幅值较低的工频过电压及幅值更高但持续时间较短的冲击电压时，触发脉冲形成单元不产生触发脉冲，球隙火花开关不导通。
我国电力系统中，不接地变压器中性点保护用避雷器型号繁多，不同型号避雷器的额定工频电压及雷电冲击电压残压存在较大区别，110kV变压器中性点保护用避雷器包括48/109、60/144、72/186等型号，220kV系统中变压器中性点所使用的避雷器包括100/260、146/320等型号。保证球隙开关在幅值较低的略小于避雷器额定工频电压的电压下触发击穿，在幅值较高的略高于避雷器残压的电压下不自然击穿，是新型可控放电球隙实现预定功能的关键，即要求球隙火花开关的工作电压上限应略大于与其配合的避雷器冲击电压残压，工作电压下限应略小于与其配合的避雷器额定工频电压。为减小球隙开关放电电压的分散性，增大其工作可靠性，应保证球间为稍不均匀场电场。对于确定直径的球隙，电极间距在一定范围内时，电极间为稍不均匀电场，即一定直径的球隙开关存在电极间距上限(存在工作电压上限)。所以，与不同参数避雷器组合构成过电压抑制系统的球隙火花开关的直径不同。可以通过制作多种直径球隙火花开关，开展大量试验的方法确定与不同参数避雷器配合的球隙火花开关的直径。
考虑到试验方法浪费人力、物力和时间，本专利研究一种新的与不同型号避雷器构成变压器中性点过电压抑制系统的球隙火花开关直径的确定方法。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法、设备及存储介质，可以解决现有技术中试验方法浪费人力、物力和时间的问题。
本发明采用的技术方案一在于：
变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法，包括以下步骤：
步骤S1，通过试验获得球隙火花开关最大工作电压范围时的电极间距及工作电压上限、工作电压下限值；
设计球隙火花开关的触发电路、开关本体并搭建整个球隙火花开关实验回路，绘制自然击穿电压随主间隙距离变化曲线，绘制触发放电电压值随主间隙距离变化曲线，将自然击穿电压随主间隙距离变化曲线以及触发放电电压值随主间隙距离变化曲线绘制在同一个坐标系内，求得所述球隙火花开关最大工作电压范围，确定最大工作电压范围对应的主间隙距离H0、工作电压上限Umax0、工作电压下限Umin0的具体数值；
步骤S2，通过计算机仿真软件计算得出与不同型号避雷器配合的球隙火花开关的直径以及主间隙距离；
建立定量直径D0及主间隙距离为H0的球隙火花开关有限元仿真模型；
建立变量直径Dn及主间隙距离为H的球隙火花开关有限元仿真模型；
Hn'最终得出该型号避雷器适配球隙火花开关的直径，以及主间隙距离。
进一步地，所述步骤S1，通过试验获得球隙火花开关最大工作电压范围时的电极间距及工作电压上限、工作电压下限值的实施方法为：
设计直径为125mm的球隙火花开关的触发电路、开关本体并搭建整个球隙火花开关实验回路；
进行直径为125mm的球隙火花开关自然击穿实验，求得不同主间隙距离下击穿电压值，绘制自然击穿电压随主间隙距离变化曲线；
进行直径为125mm的球隙火花开关20％放电概率的触发放电实验，求得不同主间隙距离下触发放电电压值，绘制触发放电电压值随主间隙距离变化曲线；
将两个曲线绘制在同一个坐标系内，所述两个曲线指的是自然击穿电压随主间隙距离变化曲线以及触发放电电压值随主间隙距离变化曲线；求得直径为125mm的球隙火花开关最大工作电压范围，确定最大工作电压范围对应的主间隙距离H0、工作电压上限Umax0、工作电压下限Umin0的具体数值。
进一步地，所述步骤S2，通过计算机仿真软件计算得出与不同型号避雷器配合的球隙火花开关的直径以及主间隙距离的实施方法为：
在计算机有限元仿真软件中，建立定量直径D0及主间隙距离H0的球隙火花开关有限元仿真模型；
赋值接地电极与触发电极0电位，高压电极为Umin0，通过仿真得到该球隙火花开关的最大电场强度，计算平均电场强度，得到不均匀系数f0；
赋值接地电极0电位，触发电压+U0，高压电极为Umin0时，仿真得到最大电场强度Emax0；
建立变量直径Dn及主间隙距离为H的球隙火花开关有限元仿真模型；
接地电极与触发电极都赋值0电位，高压极为某负极性电位；调整主间隙距离H的数值，仿真得到该球隙火花开关的最大电场强度，计算平均电场强度，得到不均匀系数fn；
当f0＝fn时，得到此时H＝Hn'，否则重新调整主间隙距离H的数值；
赋值接地电极0电位，触发电极+U0电位，高压电极为最低工作电压
Uminn'＝Umin0×Hn'÷H0，微调主间隙H的数值，仿真得到该球隙火花开关的最大电场强度Emaxn，当Emaxn＝Emax0时，得到H＝Hn，工作电压上限Umaxn、工作电压下限Uminn；当Emaxn≠Emax0时，重新调整主间隙距离H的数值；
梳理避雷器型号及参数，确定避雷器的冲击电压残压与额定工频电压，Dn为该型号避雷器适配球隙火花开关变量直径，并且主间隙距离为Hn；
选择变量直径为Dn的球隙火花开关，使它满足Umaxn>避雷器雷电冲击残压，Uminn<避雷器额定工频电压；最终得出Dn为该型号避雷器适配球隙火花开关的变量直径，并且主间隙距离为Hn。
本发明采用的技术方案二在于：
一种电子设备，包括处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，
其中，所述处理器用于运行所述计算机程序时，执行方案一所述变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法的步骤。
本发明采用的技术方案三在于：
一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现方案一所述变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法的步骤。
本发明的有益效果是：
1.通过计算机仿真软件计算得出与不同型号避雷器配合的球隙火花开关的直径数值，相对于通过大量试验确定球隙火花开关直径数值的方法，更加节约人力、物力和时间。
2.通过计算机仿真软件，可以更优的保证计算结果的准确性。
3.通过计算机仿真软件，可以不断优化计算的规则和方式，对于工作效果更优。
附图说明
图1是本申请变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法的实验流程图；
图2为背景技术中放电间隙技术方案；
图3为本申请方法的球隙火花开关结构示意图；
图4为本申请方法的第一仿真流程图；
图5为本申请方法的第二仿真流程图。
具体实施方式
具体实施方式一：
本申请具体实施方式一提出一种变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法，该方法首先通过少量试验获取原始数据，然后借助于计算机仿真软件求解球隙火花开关的最佳直径及主间隙距离。
如图3所示，本发明解决其技术问题所依据的基本原理是：参照变压中性点保护用某型号避雷器额定工频电压及雷电冲击残压值，设计并制作某一直径的球隙火花开关。
文献调研结果表明，“负主电极+正触发电压”极性组合条件下，球隙火花开关可达最佳工作状态，因此试验中触发电极为正极性、高压电极为负极性。球隙火花开关的自然击穿过程为：主间隙内的外施电场达到电极间空气的击穿场强时就发生放电。触发放电过程为：主间隙内的外施电场并没有达到电极间空气的击穿场强，当触发电极被施加触发脉冲后，使主电场发生了畸变并诱发主间隙放电，二者随球间距的变化规律不完全一致。
调整球隙开关的主间隙距离H使其在0-2倍定量直径D0范围内变化，测量其自然击穿电压(工作电压上限)及20％放电概率的触发放电电压(工作电压下限)，得到该直径球隙火花开关工作电压范围随主间隙距离H的变化规律，确定最大工作电压范围对应的主间隙距离H0、工作电压上限Umax0、工作电压下限Umin0的具体数值。
按照该球隙火花开关结构尺寸建立有限元仿真模型，仿真得到接地电极与触发电极都为0电位时球隙主电极间的电场均匀程度(用电场均匀系数f表示)随主间隙距离H的变化规律，并进一步确定最大工作电压范围对应的电场不均匀系数f0。之后仿真得到高压极施加电压Umin0、触发电极施加+U0电压时，该直径球隙火花开关主电极间的最大电场强度Emax0值。由于球隙开关主电极间是否击穿取决于电场分布及场强数值，因此如果通过仿真得到变量直径为Dn的球隙火花开关在主间隙距离为Hn′时与定量直径为D0的球隙火花开关在主间隙距离为H0时具有相同的电场分布。同时考虑到，一般情况下不同直径球隙火花开关的触发电压相同，都为+U0。由于对于不同直径、不同间距的球隙火花开关，在触发电极施加+U0时对电场的畸变倍数存在差异，因此需要在仿真中调整Hn′至Hn，高压极施加电压(Umin0×Hn÷H0)、触发电极施加+U0电压时，使主电极间的最大电场强度值为Emax0。那么可以认为变量直径为Dn的球隙火花开关在主间隙距离为Hn时工作电压范围最大，由于稍不均匀电场中气体的击穿电压与距离成正比，所以变量直径为Dn的球隙火花开关工作电压上限Umaxn、球隙火花开关工作电压下限Uminn计算公式为：
Figure BDA0003543302540000051
式(1)中，Umaxn为球隙火花开关工作电压上限，Uminn为球隙火花开关工作电压下限，梳理我国110kV、220kV电力系统中不接地变压器中性点保护常用的避雷器型号及参数，确定每种型号避雷器冲击电压残压与额定工频电压的数值，根据球隙火花开关工作电压上限略大于避雷器冲击电压残压、工作电压下限略小于避雷器额定公平电压的原则，即可估算与某具体型号避雷器相配合的球隙火花开关直径及主电极间隙数值。
如图1所示，该方法的具体实施方式如下：
参照已被发表的研究成果，与某110kV变压器中性点过电压所用60/144型号避雷器配合构成过电压抑制系统时，直径125mm球隙火花开关效果最佳。
步骤S1，通过试验获得某一直径的球隙火花开关最大工作电压范围时的电极间距及工作电压上限、工作电压下限值；
设计直径为125mm的球隙火花开关的触发电路、开关本体并搭建整个球隙火花开关实验回路。
进行直径为125mm的球隙火花开关自然击穿实验，求得不同主间隙距离下击穿电压值，绘制自然击穿电压随主间隙距离变化曲线。
进行直径为125mm的球隙火花开关20％放电概率的触发放电实验，求得不同主间隙距离下触发放电电压值，绘制触发放电电压值随主间隙距离变化曲线。
将两个曲线绘制在同一个坐标系内，所述两个曲线指的是自然击穿电压随主间隙距离变化曲线以及触发放电电压值随主间隙距离变化曲线；求得直径为125mm的球隙火花开关最大工作电压范围，确定最大工作电压范围对应的主间隙距离H0、工作电压上限Umax0、工作电压下限Umin0的具体数值。
步骤S2，通过计算机仿真软件计算得出与不同型号避雷器配合的球隙火花开关的直径以及主间隙距离；
如图4、图5所示，先执行图4中内容，在计算机有限元仿真软件中，建立定量直径D0及主间隙距离H0的球隙火花开关有限元仿真模型；
赋值接地电极与触发电极0电位，高压电极为Umin0，通过仿真得到该球隙火花开关的最大电场强度，计算平均电场强度，得到不均匀系数f0。
赋值接地电极0电位，触发电压+U0，高压电极为Umin0时，仿真得到最大电场强度Emax0。
建立变量直径Dn及主间隙距离为H的球隙火花开关有限元仿真模型；
接地电极与触发电极都赋值0电位，高压极为某负极性电位；调整主间隙距离H的数值，仿真得到该球隙火花开关的最大电场强度，计算平均电场强度，得到不均匀系数fn；
当f0＝fn时，得到此时H＝Hn'，否则重新调整主间隙距离H的数值；
赋值接地电极0电位，触发电极+U0电位，高压电极为最低工作电压
Uminn'＝Umin0×Hn'÷H0，微调主间隙距离H的数值，仿真得到该球隙火花开关的最大电场强度Emaxn，当Emaxn＝Emax0时，得到H＝Hn，工作电压上限Umaxn、工作电压下限Uminn；当Emaxn≠Emax0时，重新调整主间隙距离H的数值；
梳理避雷器型号及参数，确定避雷器的冲击电压残压与额定工频电压，Dn为该型号避雷器适配球隙火花开关变量直径，并且主间隙距离为Hn；
选择变量直径为Dn的球隙火花开关，使它满足Umaxn>避雷器雷电冲击残压，Uminn<避雷器额定工频电压；最终得出Dn为该型号避雷器适配球隙火花开关的变量直径，并且主间隙距离为Hn。
具体实施例二：
本实施例与具体实施例一不同的点在于：球隙火花开关的直径为150mm，放电概率为20％-30％。
具体实施例三：
本实施例与具体实施例一不同的点在于：球隙火花开关的直径为175-250mm，放电概率为20％-30％。
具体实施例四：
本申请实施例一-三提供一种电子设备，电子设备以通用计算设备的形式表现。电子设备的组件可以包括但不限于：一个或者多个处理器或者处理单元，用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，连接不同系统组件(包括存储器、一个或者多个处理器或者处理单元)的总线。
其中，所述一个或者多个处理器或者处理单元用于运行所述计算机程序时，执行实施例一所述方法的步骤。所述处理器所用类型包括中央处理器、通用处理器、数字信号处理器、专用集成电路、现场可编程门阵列或者其他可编程逻辑器件、晶体管逻辑器件、硬件部件或者其任意组合。
其中，总线表示几类总线结构中的一种或多种，包括存储器总线或者存储器控制器，外围总线，图形加速端口，处理器或者使用多种总线结构中的任意总线结构的局域总线。举例来说，这些体系结构包括但不限于工业标准体系结构(ISA)总线，微通道体系结构(MAC)总线，增强型ISA总线、视频电子标准协会(VESA)局域总线以及外围组件互连(PCI)总线。
具体实施例五：
本申请实施例一-三提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现实施例一所述方法的步骤。
需要说明的是，本申请所示的存储介质可以是计算机可读信号介质或者存储介质或者是上述两者的任意组合。存储介质例如可以是但不限于电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，存储介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。存储介质还可以是存储介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
需要说明的是，在以上实施例中，只要不矛盾的技术方案都能够进行排列组合，本领域技术人员能够根据排列组合的数学知识穷尽所有可能，因此本发明不再对排列组合后的技术方案进行一一说明，但应该理解为排列组合后的技术方案已经被本发明所公开。
本实施方式只是对本专利的示例性说明，并不限定它的保护范围，本领域技术人员还可以对其局部进行改变，只要没有超出本专利的精神实质，都在本专利的保护范围内。

Claims (3)

1.变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，通过试验获得球隙火花开关最大工作电压范围时的电极间距及工作电压上限、工作电压下限值；
设计球隙火花开关的触发电路、开关本体并搭建整个球隙火花开关实验回路，绘制自然击穿电压随主间隙距离变化曲线，绘制触发放电电压值随主间隙距离变化曲线，将自然击穿电压随主间隙距离变化曲线以及触发放电电压值随主间隙距离变化曲线绘制在同一个坐标系内，求得所述球隙火花开关最大工作电压范围，确定最大工作电压范围对应的主间隙距离H0、工作电压上限Umax0、工作电压下限Umin0的具体数值；
步骤S2，通过计算机仿真软件计算得出与不同型号避雷器配合的球隙火花开关的直径以及主间隙距离；
建立定量直径D0及主间隙距离为H0的球隙火花开关有限元仿真模型；
建立变量直径Dn及主间隙距离为H的球隙火花开关有限元仿真模型；
最终得出该型号避雷器适配球隙火花开关的直径，以及主间隙距离；
所述步骤S1，通过试验获得球隙火花开关最大工作电压范围时的电极间距及工作电压上限、工作电压下限值的实施方法为：
设计直径为125mm的球隙火花开关的触发电路、开关本体并搭建整个球隙火花开关实验回路；
进行直径为125mm的球隙火花开关自然击穿实验，求得不同主间隙距离下击穿电压值，绘制自然击穿电压随主间隙距离变化曲线；
进行直径为125mm的球隙火花开关20％放电概率的触发放电实验，求得不同主间隙距离下触发放电电压值，绘制触发放电电压值随主间隙距离变化曲线；
将两个曲线绘制在同一个坐标系内，所述两个曲线指的是自然击穿电压随主间隙距离变化曲线以及触发放电电压值随主间隙距离变化曲线；求得直径为125mm的球隙火花开关最大工作电压范围，确定最大工作电压范围对应的主间隙距离H0、工作电压上限Umax0、工作电压下限Umin0的具体数值；
所述步骤S2，通过计算机仿真软件计算得出与不同型号避雷器配合的球隙火花开关的直径以及主间隙距离的实施方法为：
在计算机有限元仿真软件中，建立定量直径D0及主间隙距离H0的球隙火花开关有限元仿真模型；
赋值接地电极与触发电极0电位，高压电极为Umin0，通过仿真得到该球隙火花开关的最大电场强度，计算平均电场强度，得到不均匀系数f0；
赋值接地电极0电位，触发电压+U0，高压电极为Umin0时，仿真得到最大电场强度Emax0；
建立变量直径Dn及主间隙距离为H的球隙火花开关有限元仿真模型；
接地电极与触发电极都赋值0电位，高压极为某负极性电位；调整主间隙距离H的数值，仿真得到该球隙火花开关的最大电场强度，计算平均电场强度，得到不均匀系数fn；
当f0＝fn时，得到此时H＝Hn'，否则重新调整主间隙距离H的数值；
赋值接地电极0电位，触发电极+U0电位，高压电极为最低工作电压Uminn'＝Umin0×Hn'÷H0，微调主间隙H的数值，仿真得到该球隙火花开关的最大电场强度Emaxn，当Emaxn＝Emax0时，得到H'＝Hn，工作电压上限Umaxn、工作电压下限Uminn；当Emaxn≠Emax0时，重新调整主间隙距离Hn'的数值；
梳理避雷器型号及参数，确定避雷器的冲击电压残压与额定工频电压，Dn为该型号避雷器适配球隙火花开关变量直径，并且主间隙距离为Hn；
选择变量直径为Dn的球隙火花开关，使它满足Umaxn>避雷器雷电冲击残压，Uminn<避雷器额定工频电压；最终得出Dn为该型号避雷器适配球隙火花开关的变量直径，并且主间隙距离为Hn。
2.一种电子设备，其特征在于：包括处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器，
其中，所述处理器用于运行所述计算机程序时，执行权利要求1所述变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法的步骤。
3.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1所述变压器中性点过电压抑制系统球隙火花开关直径确定方法的步骤。
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