CN117374891B - 一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，包括：根据管道内所有二次设备的自然频率集合、耐受电压集合、高频段分压比安全系数和变电站的一次工频最大电压，确定一次信号高能主成分频率限制区；根据管道当前宽度计算高能主成分频率；根据与和的大小关系，判断是否改变管道当前宽度。本发明在不改变变电站电气拓扑的情况下，改变管道宽度，对击穿电弧产生的过电压的高能主成分频率进行调控，从而与二次设备的自然频率错开，避免产生共振过电压。

Description

一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法

技术领域

本发明涉及变电站高频骚扰防护领域，更具体地，涉及一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法。

背景技术

变电站是指电力系统中对电压和电流进行变换，接收电能及分配电能的场所，从而满足不同电压等级的用电需求。变电站采用的气体绝缘金属封闭组合电器（GIS）对于传统的敞开式高压配电装置来说是一次革命，因此在不同电压等级，尤其是超高压领域中得到广泛的应用。

GIS变电站包含的电气设备可分为一次设备和二次设备，其中一次设备包括变压器、高压断路器、隔离开关、母线、避雷器、电容器和电抗器等。GIS隔离开关在切合操作时，会产生电弧重燃，触头间隙两端的电压在几个毫微秒内突然跌落，该电压陡波在GIS中产生行波，引起高频振荡而形成特快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage，VFTO）。这种过电压具有频域宽的特点，极易与GIS管道内的二次设备发生共振，共振带来过电压再增益效应，使得二次设备上的电压不仅没有按照分压比减小，反而会远大于分压后的额定数值，使设备器件承受巨大的电压，对设备的绝缘结构造成很大危害。

目前从变电站结构上开展的高频共振过电压的防护方法多采用如增加铁氧体磁环和控制隔离开关分合闸速度及相角等方法，从而实现对VFTO骚扰源幅值、出现次数及持续时间的抑制。

变电站依据电气设计图纸进行建造，根据地理位置、防护需求和应用需求等具有特定的电气拓扑。当电气拓扑及结构参数确定后，隔离开关进行操作时产生的击穿电弧具有相似的特性，如最大幅值、高能主成分所处频率等，高能主成分频率若与变电站管道线路中的二次设备的自然频率重叠时，将发生共振，产生的共振过电压将对设备造成影响。

在GIS母线中增加铁氧体磁环，可以对VFTO骚扰源的幅值进行抑制，但同时铁氧体材料存在饱和特性限制，且在电动力作用下易断裂、掉渣，影响抑制效果，带来安全隐患。

通过控制隔离开关操作过程，如隔离开关分合闸速度和相角，可以降低VFTO骚扰源的击穿次数和持续时间，但对幅值和陡度的作用不大，且依赖更复杂的操动机构，难以实现隔离开关动作状态的精确控制，且增加的控制设备提高了故障率。

现有的防护方法仍不能实现对过电压共振再增益效应造成的高频共振过电压的抑制。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，包括：

获取管道内每一个二次设备的自然频率和耐受电压值，分别构成自然频率集合和耐受电压集合/>；

根据自然频率集合、耐受电压集合/>、高频段分压比安全系数/>和变电站的一次工频最大电压/>，确定一次信号高能主成分频率限制区/>，其中，/>表示中的最小值，/>表示/>中的最大值；

根据管道当前宽度计算高能主成分频率，若/>，则改变管道当前宽度，使重新计算的新高能主成分频率/>或/>；若/>≤/>或者/>≥/>，不改变管道当前宽度。

本发明提供的一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，在不改变变电站电气拓扑的情况下，改变其管道宽度，从而对击穿电弧产生的过电压的高能主成分频率进行调控，从而与二次设备的自然频率错开，避免产生共振过电压。

附图说明

图1是本发明提供的变电站管道结构示意图；

图2是本发明提供的一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法的流程示意图；

图3是本发明实施例中的测量设备的原理结构图；

图4是本发明实施例中测量设备的幅频特性曲线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。另外，本发明提供的各个实施例或单个实施例中的技术特征可以相互任意结合，以形成可行的技术方案，这种结合不受步骤先后次序和/或结构组成模式的约束，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时，应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

图1为变电站管道结构示意图，变电站管道包括第一端子1、第一套管2、隔离开关3、管道4、母线5、测量设备、第二套管7、第二端子8、盆式绝缘子9、支撑柱10和地面11。

本发明提供的防护方法可考虑全站GIS管道内所有的测量设备，本实施例仅考虑端子1至端子2之间的设备，但该方法不局限于变电站管道内其他部分。

基于上述配置的硬件，本发明提出了一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，基本思路为：针对过电压共振再增益效应造成的高频共振过电压，以测量设备的物理特性为基础，依据变电站管道宽度与分合闸时一次信号高能主成分频率的关系，选择优化后的变电站管道宽度，从而使一次信号高能主成分频率与测量设备的自然频率错开以实现对高频共振过电压的抑制。

参见图2，提供了本发明的一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，包括以下步骤：

步骤S1，获取管道内每一个二次设备的自然频率和耐受电压值，分别构成自然频率集合和耐受电压集合/>。

可理解的是，首先获取变电站管道内的每一个二次设备的幅频特性，根据幅频特性获取每一个二次设备的自然频率和耐受电压值，构成自然频率集合和耐受电压集合。

其中，获取管道内的每一个二次设备的幅频特性包括：通过与厂家沟通或通过二次设备电路结构及器件型号，对设备进行精确建模；或通过仪器测量设备的幅频特性。

假设本发明实施例在图1的6号位置有四台设备，其中设备1已知其电路结构及器件型号，将对其进行精确建模，得到设备的幅频特性曲线；设备2将通过仪器测量其幅频特性曲线。

幅频特性曲线表征设备信号解调侧与设备传感侧电压的比值与频率之间的关系，即输出增益与频率之间的关系，经验公式如下：

；

即根据设备的解调侧回路的阻抗与设备的阻抗/>之比而列出的。

其中，设备1的原理结构如图3所示，幅频特性曲线是根据设备的解调侧回路的阻抗与所述设备的阻抗/>之比而列出的；/>两端的阻抗为设备阻抗/>，/>两端阻抗为设备解调侧阻抗/>。设备2通过采用仪器对设备进行频率特性扫描，获得其输出增益与频率之间的关系。采用阻抗分析仪测量可测量设备2的幅频特性曲线，同样也可以测量设备3和设备4的幅频特性曲线。

得到每一个二次设备的幅频特性曲线后，获取每一个二次设备的自然频率和耐受电压值，构成自然频率集合和耐受电压集合/>。其中，二次设备的自然频率/>是指二次设备的幅频特性曲线/>在目标频带内的极大值点对应的频率的集合；耐受电压值/>是指在自然频率处，根据设备二次电路中电子元器件的耐压值及其在电路中的关系，折算为解调侧上的电压值的集合，其中最小值为耐受电压值的最小值/>。

当设备的器件按照表1内的数值进行选取后，其幅频特性如图4所示，其输出增益的极大值出现在频率处，对应的输出增益幅值为/>。设备2通过利用阻抗分析仪对设备的幅频特性进行测量，测得/>，输出增益幅值为。同理获得设备3和设备4的输出增益极大值所在频率及其幅值分别为和4.42、5.21，则。

设备解调侧的耐受电压值可通过设备铭牌或向厂家咨询获取，。

表1 实施例中的参量给定值，

；

步骤S2，根据自然频率集合、耐受电压集合/>、高频段分压比安全系数/>和变电站的一次工频最大电压/>，确定一次信号高能主成分频率限制区/>，其中，表示/>中的最小值，/>表示/>中的最大值。

具体的，将所述高频段分压比安全系数与变电站的一次工频最大电压/>的乘积作为二次设备的安全电压限制/>；将所述安全电压限制/>与所述耐受电压集合/>中的最小值/>相除，确定二次设备耐受分压比/>；根据二次设备耐受分压比/>与每一个二次设备的幅频特性的关系，确定每一个二次设备的耐受频率区间/>；根据每一个二次设备的耐受频率区间/>，确定所有二次设备的耐受频率的最小值/>和耐受频率的最大值/>，得到一次信号高能主成分频率限制区/>。

可理解的是，根据二次设备结构及器件参数以及管道的原始结构参数及电压等级，确定高能主成分频率限制区。获取隔离开关所处间隔的GIS管道初始设计参数，根据传输线理论，频率越高，能量迁移区域越小，10MHz段高频电磁能量仅在开关附近的母线中迁移和损耗，因此仅需计算隔离开关两侧端子之间管道宽度即可。

其中，管道的宽度、高压母线的宽度/>、隔离开关两端管道的长度/>和用于计算满足一次信号骚扰源主频位于频率限制区/>时的管道宽度/>，管道空间介质的击穿场强/>用于计算管道宽度是否满足绝缘要求。

一次信号骚扰源主频是指一次信号骚扰的高能主成分所在的频率。频率限制区是一个频率范围，若一次信号骚扰源的主频位于该限制区内，将对设备解调侧的器件造成危害。

设备1、设备2、设备3和设备4的自然频率集合，其设备耐受电压值集合。则此时集合/>的最大值/>，最小值，集合/>的最小值/>。

获取变电站一次工频最大电压，设置一次高频信号在高能主成分频率处的最大值/>，优选的，/>，/>，/>。

根据除以/>后的比值，确定设备耐受分压比/>，此时。

其中，对于已知电路结构的二次设备，通过精密建模获取幅频特性表达式；基于所述幅频特性表达式/>，寻找/>的频率/>和频率/>，获得二次设备的耐受频率区间/>。

比如，根据设备耐受分压比的值，计算幅频特性中幅值为/>时的频率点，即/>的解，解得设备1的设备耐受频率区间/>为（18.84MHz，30.16MHz）。

对于无法获得幅频特性表达式的二次设备，根据仪器测量设备获取二次设备的幅频特性曲线；选择距离自然频率最近的离散点/>和/>，使得当/>或/>时，对应幅频特性曲线的幅值/>，获得二次设备耐受频率区间/>。

比如，在设备2的幅频特性曲线中寻找频率点满足当/>或时，对应幅频特性的幅值/>，设备2耐受频率区间/>为（19 MHz，27MHz）。同理可得设备3的设备耐受频率区间/>为（21.12MHz，25.31MHz），设备4的设备耐受频率区间/>为（20.88 MHz，25.01MHz）。其中，一台设备可能会存在多个耐受频率区间，将所有设备的所有的耐受频率区间的边界频率点进行比较，分别选择最小值和最大值作为高能主成分频率限制区的端点/>和/>，从而设定高能主成分频率的限制区/>。因此，比较/>、/>、/>和/>的端点的值，高能主成分频率的限制区取最大范围。

步骤S3，根据管道当前宽度计算高能主成分频率，若/>，则改变管道当前宽度，使重新计算的新高能主成分频率/>或/>；若/>≤/>或者/>≥/>，不改变管道当前宽度。

其中，高能主成分频率与管道宽度的关系式为：

；

其中，为管道宽度，/>为高能主成分频率，/>为导电杆的直径，/>为管道内空间介质的介电常数，/>为隔离开关产生电弧的等效电感，/>为光速，/>为管道内空间介质的磁导率，/>为隔离开关的高压侧母线长度，/>为隔离开关的低压侧母线长度。

随后，根据高能主成分频率与管道宽度的关系，计算满足高能主成分频率或/>下的管道宽度区间/>；

若管道当前宽度在管道宽度区间内，则不改变管道宽度，否则，将管道当前宽度改变到管道宽度区间/>内。

本实施例中，为使或/>，将/>分别设置为和/>，代入高能主成分频率/>与管道宽度的关系式中，/>对结果的影响是单调递增的，因此代入/>，并对/>进行求解。当一次信号高能主成分频率需要满足/>时，/>或/>，即得到安全的管道宽度区间/>。当一次信号高能主成分频率需要满足/>时，无解。

管道新宽度需满足/>或。若原设计管道宽度/>在区间/>内，则保持不动；否则，在管道宽度区间/>内选取合适的管道新规格/>，其应当满足国家标准、电力行业标准以及建站要求。

由于初始设计管道宽度，不属于/>区间内，因此需要对管道宽度进行优化。

本实施例中，管道新宽度需满足/>或，由于/>小于母线直径，因此为无效解。在范围内选择新的管道宽度/>，此时一次信号高能主成分频率/>。

管道内壁与母线的距离需大于国家标准与电力行业标准要求的绝缘要求距离，且满足建站设计要求。本实施例中，建站设计规定管道宽度需小于1.5m，变电站电压等级为1000kV，其额定绝缘水平最大值为3200kV，管道内气体介质的击穿场强为17.88kV/mm，高压母线的直径，则管道内壁与母线外壁的距离/>应满足。当/>取100cm时，母线外壁与管道内壁的距离为，因此/>的数值满足要求。

根据新的管道宽度定制GIS管道，实现对骚扰源主频调控，使一次信号骚扰源高能主成分频率与测量设备的自然频率错开以实现对高频共振过电压的抑制。

本发明提供一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，在不改变变电站电气拓扑的情况下，通过改变管道宽度，从而对击穿电弧产生的过电压的高能主成分频率进行调控，从而与二次设备的自然频率错开，避免产生共振过电压。

需要说明的是，在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，其特征在于，包括：

获取变电站管道内每一个二次设备的自然频率和耐受电压值，分别构成自然频率集合和耐受电压集合/>；

根据自然频率集合、耐受电压集合/>、高频段分压比安全系数/>和变电站的一次工频最大电压/>，确定一次信号高能主成分频率限制区/>，其中，/>表示/>中的最小值，/>表示/>中的最大值；

根据变电站管道当前宽度计算高能主成分频率，若/>，则改变管道当前宽度，使重新计算的新高能主成分频率/>或/>；若/>≤/>或者/>≥/>，不改变管道当前宽度；

所述根据自然频率集合、耐受电压集合/>、高频段分压比安全系数/>和变电站的一次工频最大电压/>，确定一次信号高能主成分频率限制区/>，包括：

获取每一个二次设备的幅频特征；

将所述高频段分压比安全系数与变电站的一次工频最大电压/>的乘积作为二次设备的安全电压限制/>；

将所述安全电压限制与所述耐受电压集合/>中的最小值/>相除，确定二次设备耐受分压比/>；

根据二次设备耐受分压比与每一个二次设备的幅频特性的关系，确定每一个二次设备的耐受频率区间/>；

根据每一个二次设备的耐受频率区间，确定所有二次设备的耐受频率的最小值/>和耐受频率的最大值/>，得到一次信号高能主成分频率限制区/>；

所述根据管道当前宽度计算高能主成分频率，包括：

；

其中，为管道宽度，/>为高能主成分频率，/>为导电杆的直径，/>为管道内空间介质的介电常数，/>为隔离开关产生电弧的等效电感，/>为光速，/>为管道内空间介质的磁导率，/>为隔离开关的高压侧母线长度，/>为隔离开关的低压侧母线长度。

2.根据权利要求1所述的变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，其特征在于，所述获取每一个二次设备的幅频特征，包括：

对于已知电路结构的二次设备，通过精密建模获取幅频特性表达式；

所述根据二次设备耐受分压比与每一个二次设备的幅频特性的关系，确定每一个二次设备的耐受频率区间/>，包括：

基于所述幅频特性表达式，寻找/>的频率/>和频率/>，获得二次设备的耐受频率区间/>。

3.根据权利要求1所述的变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，其特征在于，所述获取每一个二次设备的幅频特征，包括：

对于无法获得幅频特性表达式的二次设备，根据仪器测量设备获取二次设备的幅频特性曲线；

所述根据二次设备耐受分压比与每一个二次设备的幅频特性的关系，确定每一个二次设备的耐受频率区间/>，包括：

选择距离自然频率最近的离散点/>和/>，使得当/>或/>时，对应幅频特性曲线的幅值/>，获得二次设备耐受频率区间/>。

4.根据权利要求1所述的变电站一次侧骚扰源主频调控的共振过电压防护方法，其特征在于，所述根据管道当前宽度计算高能主成分频率，若/>，则改变管道当前宽度，使重新计算的新高能主成分频率/>或/>；若/>≤/>或者/>≥/>，不改变管道当前宽度，包括：

根据高能主成分频率与管道宽度的关系，计算满足高能主成分频率/>或下的管道宽度区间/>；

若管道当前宽度在管道宽度区间内，则不改变管道宽度，否则，将管道当前宽度改变到管道宽度区间/>内。