一种获取GIS装置外壳瞬态电位抬升的仿真电路模型

摘要

本发明公开了一种获取GIS装置外壳瞬态电位抬升的仿真电路模型，包括a个第一电感、a个第二电感、a个第三电感、a+1个第一电容、a+1个第二电容、b条接地线电路、b-1条连接电路，GIS管道的长度为a米；可以通过本发明所述的仿真电路模型可以准确的计算出GIS变电站中外壳电位的抬升情况。

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿真电路模型，具体涉及一种获取GIS装置外壳瞬 态电位抬升的仿真电路模型。

背景技术

SF6气体绝缘全封闭组合电气(GIS)中由于故障或隔离开关、断路 器的操作会产生很陡的行波，引起高频振荡过电压即VFTO，又由于集肤 效应，高频电流会沿GIS母线外表面和外壳内表面传播，在外壳波阻抗 不连续处例如套管处，发生波的折反射，从而耦合到外壳的外表面，产 生瞬态外壳电位抬升。瞬态外壳电位抬升是一种波前极陡、持续时间短、 幅值高、衰减快的暂态现象，这种行波也会使地网电位抬升，可能会危 及人和二次设备安全。

目前国际上普遍公认的分析GIS外壳瞬态电位抬升的模型是三波阻 抗模型，该模型只是一种理论传导模型，不能实现GIS内部结构及操作 电磁暂态过程的模拟，因此无法运用到实际工程里。实际工程中计算GIS 装置在VFTO下外壳瞬态电位抬升的仿真模型多采取VFTO源和GIS外壳 分开分析的模型，用一个理想的VFTO源与GIS外壳模型串联，从而计算 GIS外壳上各点的电位。该种模型受限于VFTO源幅值、陡度、频率的选 取，无法模拟故障或开关操作产生的高频波在沿线的耦合和传播，也不 能考虑高频行波在地网中的传播过程，与实际情况出入较大。因此，上 述模型在计算实际GIS变电站中外壳电位的抬升情况并不是十分准确。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种获取GIS 装置外壳瞬态电位抬升的仿真电路模型，通过该仿真电路可以准确的计 算出GIS变电站中外壳电位的抬升情况。

为达到上述目的，本发明所述的获取GIS装置外壳瞬态电位抬升的 仿真电路模型包括a个第一电感、a个第二电感、a个第三电感、a+1个 第一电容、a+1个第二电容、b条接地线电路、b-1条连接电路，GIS管 道的长度为a米；

a个第一电感串联连接的电路的两端分别与电源及负载相连接，a 个第二电感串联连接的电路与a个第三电感串联连接的电路并联连接；

第一个第一电容的一端与电源及第一个第一电感的一端相连接，第 一个第一电容的另一端与第一个第二电感一端及第一个第三电感的一端 相连接，第i+1个第一电容的一端与第i个第一电感的另一端及第i+1 个第一电感的一端相连接，第i+1个第一电容的另一端与第i个第二电 容的另一端及第i+1个第二电容的一端相连接，第a+1个第一电容的一 端与第a个第一电感的另一端及负载相连接，第a+1个第一电容的另一 端与第a个第二电感的另一端相连接，其中i＝1，2…a-1；

第一个第二电容的一端与第一个第三电感的一端及第一个第二电感 相连接，第一个第二电感的另一端接地表，第k+1个第二电容的一端与 第k个第三电感的另一端及第k+1个第三电感的一端相连接，第k+1个 第二电容的另一端接地表，第a+1个第二电容的一端与第a+1个第三电 感的另一端相连接，第a+1个第二电容的另一端接地表，k＝1，2…a；

b个接地线电路的一端分别与不同的第三电感相连接，第j个接地 线电路与第j+1个接地线电路之间通过第j个连接电路相连接，所述b 个接地线电路的另一端均与接地网相连接，j＝1，2…b-1；

其中，第n个第一电感为GIS管道的第n米段芯线的等效电感值， 第n个第二电感为GIS管道的第n米段外壳内层的等效电感，第n个第 三电感为GIS管道的第n米段外壳外层的等效电感，第n个第一电容为 GIS管道的第n-1米处芯线对外壳的等效电容，第n个第二电容为GIS 管道的第n-1米处外壳对地表的等效电容；

使用时，通过测量所需段中外壳外层对应的第三电感的电压来获得 该段外壳外层的电位在VFTO下瞬态电位抬升情况；

b条接地线电路均由第四电感、第二电阻、第五电感及第三电阻组 成，且第四电感的一端与任意一个第三电感的一端相连接，第四电感的 另一端依次与第二电阻、第五电感及第三电阻后与接地网相连接；

b个连接电路均包括第六电感及第一电阻，第六电感的一端与第一 电阻的一端相连接，第j个连接电路中第六电感的另一端与第j个接电 线中第三电阻的一端相连接，第j个连接电路中第三电阻的另一端与接 地网相连接，第j个连接电路中第一电阻的另一端与第j+1个接地线电 路中第三电阻的一端相连接，第j+1个接地线电路中第三电阻的另一端 与接地网相连接；

其中，第j个第四电感为第j个GIS支撑柱的等效电感，第j个第 二电阻为第j个GIS支撑柱的等效电阻，第j个第五电感为第j个接地 线的等效电感，各第六电感均为接地网中单位长度的等效电感，各第一 电阻均为接地网中单位长度的等效电阻，第三电阻为接地网到无穷远处 的等效电阻。

所述第一电感(Lo)的电感值、第二电感(Ln)的电感值、第三电 感(Lw)的电感值、第一电容(Co)电容值及第二电容(C1)的电容值 分别为：

$\left(\begin{array}{c}{L}_0=\frac{{\mu }_0}{8\pi }+\frac{{\mu }_0}{2\pi }\ln \left(\frac{R_2}{R_1}\right)\\ L_n=\frac{{\mu }_0}{2\pi }[{\left(\frac{{R_3}^2}{{R_3}^2-{R_2}^2}\right)}^2\ln \left(\frac{R_3}{R_2}\right)-\frac{{R_3}^2}{{R_3}^2-{R_2}^2}+\frac{1}{4}\frac{{R_3}^2+{R_2}^2}{{R_3}^2-{R_2}^2}]\\ L_w=\frac{{\mu }_0}{2\pi }\ln \left(\frac{H}{R_3}\right)\end{array}\right),$$\left(\begin{array}{c}{C}_0=\frac{2\mathrm{\pi ϵ}}{\ln \left(\frac{R_2}{R_1}\right)}\\ C_1=\frac{2\mathrm{\pi ϵ}}{\ln \left(\frac{H}{R_3}\right)}\end{array}\right),$R₁为 GIS管道线芯的半径，R₂为GIS管道外壳内层的半径，R₃为GIS管道外 壳外层的半径。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的获取GIS装置外壳瞬态电位抬升的仿真电路模型构建 过程中充分考虑GIS内部的结构、VFTO的产生仅在GIS中的传播和波沿 接地网的传播，通过将整个GIS通道分为若干段，并获取各段GIS通道 中芯线的等效电感、外壳内层的等效电感、外壳外层的等效电感、芯线 对外壳的等效电容及芯线对地表的等效电容来构建该仿真电路，进而通 过测量各第三电感上的电压来得到GIS变电站中外壳电位的抬升情况， 操作简单、方便，准确性极高。

附图说明

图1为GIS管道的结构图；

图2为本发明的电路原理图；

图3为出线套管处外壳电位的波形图；

图4为出线套管处外壳电位的幅频特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1、图2及图3，本发明所述的获取GIS装置外壳瞬态电位抬 升的仿真电路模型包括a个第一电感Lo、a个第二电感Ln、a个第三电 感Lw、a+1个第一电容Co、a+1个第二电容C1、b条接地线电路、b-1 条连接电路，GIS管道的长度为a米；

a个第一电感Lo串联连接的电路的两端分别与电源及负载相连接， a个第二电感Ln串联连接的电路与a个第三电感Lw串联连接的电路并 联连接；

第一个第一电容Co的一端与电源及第一个第一电感Lo的一端相连 接，第一个第一电容Co的另一端与第一个第二电感Ln一端及第一个第 三电感Lw的一端相连接，第i+1个第一电容Co的一端与第i个第一电 感Lo的另一端及第i+1个第一电感Lo的一端相连接，第i+1个第一电 容Co的另一端与第i个第二电容C1的另一端及第i+1个第二电容C1 的一端相连接，第a+1个第一电容Co的一端与第a个第一电感Lo的另 一端及负载相连接，第a+1个第一电容Co的另一端与第a个第二电感 Ln的另一端相连接，其中i＝1，2…a-1；

第一个第二电容C1的一端与第一个第三电感Lw的一端及第一个第 二电感Ln相连接，第一个第二电感Ln的另一端接地表，第k+1个第二 电容C1的一端与第k个第三电感Lw的另一端及第k+1个第三电感Lw 的一端相连接，第k+1个第二电容C1的另一端接地表，第a+1个第二电 容C1的一端与第a+1个第三电感Lw的另一端相连接，第a+1个第二电 容C1的另一端接地表，k＝1，2…a；

b个接地线电路的一端分别与不同的第三电感Lw相连接，第j个接 地线电路与第j+1个接地线电路之间通过第j个连接电路相连接，所述 b个接地线电路的另一端均与接地网相连接，j＝1，2…b-1；

其中，第n个第一电感Lo为GIS管道的第n米段芯线的等效电感值， 第n个第二电感Ln为GIS管道的第n米段外壳内层的等效电感，第n 个第三电感Lw为GIS管道的第n米段外壳外层的等效电感，第n个第一 电容Co为GIS管道的第n-1米处外壳的等效电容，第n个第二电容C1 为GIS管道的第n-1米处于地表的等效电容；

使用时，通过测量所需段对应的第三电感Lw的电压来获得该段的外 壳电位的抬升情况，操作简单、方便。

b条接地线电路均由第四电感Lz、第二电阻Rz、第五电感Lg及第 三电阻Rg组成，且第四电感Lz的一端与任意一个第三电感Lw的一端相 连接，第四电感Lz的另一端依次与第二电阻Rz、第五电感Lg及第三电 阻Rg后与接地网相连接；

b个连接电路均包括第六电感Ld及第一电阻Rd，第六电感Ld的一 端与第一电阻Rd的一端相连接，第j个连接电路中第六电感Ld的另一 端与第j个接电线中第三电阻Rg的一端相连接，第j个连接电路中第三 电阻Rg的另一端与接地网相连接，第j个连接电路中第一电阻Rd的另 一端与第j+1个接地线电路中第三电阻Rg的一端相连接，第j+1个接地 线电路中第三电阻Rg的另一端与接地网相连接；

其中，第j个第四电感Lz为第j个GIS支撑柱的等效电感，第j 个第二电阻Rz为第j个GIS支撑柱的等效电阻，第j个第五电感Lg为 第j个接地线的等效电感，各第六电感Ld均为接地网中单位长度的等效 电感，各第一电阻Rd均为接地网中单位长度的等效电阻，第三电阻Rg 为接地网到无穷远处的等效电阻。

其中$\left(\begin{array}{c}{L}_0=\frac{{\mu }_0}{8\pi }+\frac{{\mu }_0}{2\pi }\ln \left(\frac{R_2}{R_1}\right)\\ L_n=\frac{{\mu }_0}{2\pi }[{\left(\frac{{R_3}^2}{{R_3}^2-{R_2}^2}\right)}^2\ln \left(\frac{R_3}{R_2}\right)-\frac{{R_3}^2}{{R_3}^2-{R_2}^2}+\frac{1}{4}\frac{{R_3}^2+{R_2}^2}{{R_3}^2-{R_2}^2}]\\ L_w=\frac{{\mu }_0}{2\pi }\ln \left(\frac{H}{R_3}\right)\end{array}\right),$$\left(\begin{array}{c}{C}_0=\frac{2\mathrm{\pi ϵ}}{\ln \left(\frac{R_2}{R_1}\right)}\\ C_1=\frac{2\mathrm{\pi ϵ}}{\ln \left(\frac{H}{R_3}\right)}\end{array}\right),$R₁为GIS管道线芯的半径，R₂为GIS管道外壳内层的半径，R₃为GIS管道 外壳外层的半径。

图4为建立ATP仿真模型后，计算出某个具体变电站在操作隔离开 关时，产生VFTO使得出线套管处外壳的电位升高的波形图与频谱分析 图，从图4可以看出外壳上有高频振荡，且瞬态电位可以达到6kV左右， 从图4可以看出其频率可以达到10MHz。