一种开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法

摘要

本发明公开了一种开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法，根据智能变电站的启动调试方案，选取电力系统中的单变单回路运行方式；确定单变单回路中的一次设备的等效模型；根据电磁暂态过程计算程序EMTP，构建电力系统中单变单回路的电网结构等效模型，模拟由开关操作引起的特快速暂态过电压；对单变单回路中各个节点进行电压电流解算，确定电力系统一次侧的各个设备上的瞬态过电流和过电压的特征水平，得出开关操作过电压的特征水平，能够解决在现有的测量过程中，由于系统一次侧电压等级过高及设备采样率限制导致测试结果的准确性较差的问题，可为后续的现场试验提供理论依据，降低试验成本，具有良好的应用前景。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统一次侧过电压评估技术领域，具体涉及一种 基于等效模型的开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法。

背景技术

目前，在超高压电网中，气体绝缘组合电器(GasInsulated Switchgear，GIS)已经得到了非常广泛的应用，与传统的敞开式配电 装置相比，GIS设备具有占地面积小、元件全部密封不受环境干扰、 运行可靠性高、运行方便、检修周期长、维护工作量小、安装迅速、 运行费用低等优点，然而，GIS设备的开关操作产生的快速暂态过电 压(VFTO)，会引发了一系列的电力系统运行事故。

我们知道，气体绝缘变电站与传统的空气绝缘变电站的不同之处 在于气体绝缘变电站采用绝缘性能优异的六氟化硫(SF₆)气体作为 绝缘和灭弧介质，其电子雪崩临界值为空气的3.7倍，而且，GIS设 备的开关间距比同电压等级的空气绝缘间距小的多，当隔离开关被击 穿，电弧通道可在几十个纳秒内建立，使得VFTO的幅值和波前陡度 急剧升高，是造成一次设备绝缘击穿和保护设备误动的根源。

目前，国内外对GIS设备的开关操作在就地汇控柜智能组件端口 的骚扰电压的测量已经形成了统一的方法，而对系统一次设备的过电 压直接测量并不多见。现实测量的经验表明，隔离开关操作产生的 VFTO主频高达几十兆赫兹，持续时间长达几百毫秒，因此，高采样 率下的存储深度问题有待解决，其次，变电站内复杂的电磁环境也会 对测量结果造成误差，另外，1000kV以上的电压等级远远超过高压 测量探头的量程范围，种种因素都制约了系统一次设备过电压的直接 测量，现有的测试方法存在无法适应一次侧的高电压、设备采样率不 足、准确性较差、测试过程繁琐、效率低等方面的问题，因此，如何 采用模型仿真的方式来评估一次设备的过电压特征水平，对保证使用 GIS设备的变电站中的一次设备的正常工作有极其重要的意义。

发明内容

本发明所解决上述现有技术中在使用GIS设备的变电站，无法实 现系统一次设备过电压的直接测量的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法，其特征在 于：包括以下步骤，

步骤(A)，根据智能变电站的启动调试方案，选取电力系统中的 单变单回路运行方式；

步骤(B)，确定单变单回路中的一次设备的等效模型，一次设备 的等效模型分别为分布参数的线路模型、集中参数的设备模型和可重 复击穿的隔离开关模型；

步骤(C)，根据电磁暂态过程计算程序EMTP，构建电力系统中 单变单回路的电网结构等效模型，模拟由开关操作引起的特快速暂态 过电压；

步骤(D)，对单变单回路中各个节点进行电压电流解算，确定电 力系统一次侧的各个设备上的瞬态过电流和过电压的特征水平，得出 开关操作过电压的特征水平。

前述的开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法，其特征 在于：步骤(A)，根据变电站启动调试方案，选取电力系统中的单变 单回路运行方式，单变单回路内的一次设备包括主变压器、避雷器、 母线、隔离开关、电压互感器、电流互感器，所述主变压器上变换产 生的电压波依次通过架空线、避雷器、电压互感器、母线、电流互感 器、隔离开关，隔离开关与断路器之间的GIS导电杆，各一次设备均 有对应的等效模型。

前述的开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法，其特征 在于：步骤(B)，确定单变单回路中的一次设备的等效模型，分别为 分布参数的线路模型、集中参数的设备模型和可重复击穿的隔离开关 模型，包括以下步骤，

(B1)特快速暂态过电压的最小波长在10米以下，与母线、架 空线路和GIS导电杆的长度在同一个数量等级，母线、架空线路和 GIS导电杆，采用带波阻抗的均匀传输线模型；

(B2)对挂靠在母线及线路上的一次设备，包括主变压器、电压 互感器、电流互感器、套管和避雷器，其电气长度小于骚扰信号的波 长，采用集总元件参数表示，其中主变压器采用等效电感及入口电容 表示；套管、避雷器、电压互感器采用对地的集中电容表示；电流互 感器用等效电感表示；

(B3)可重复击穿的隔离开关模型，用于模拟开关操作开合过程 中，电弧的熄灭与重燃，同时，对SF₆的介质恢复强度作线性模拟。

前述的开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法，其特征 在于：(B1)采用带波阻抗的均匀传输线模型，母线的波阻抗大为350Ω， 电压波波速为光速；架空线路和GIS导电杆的波阻抗为50Ω，电压 波波速为光速的一半。

前述的开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法，其特征 在于：步骤(C)，根据电磁暂态过程计算程序EMTP，构建电力系统 中单变单回路的电网结构等效模型，模拟由开关操作引起的特快速暂 态过电压，隔离开关模型的分合条件的判断，取决于动静触头间的电 弧熄灭和重燃，包括以下步骤，

(C1)列出交流电弧的熄灭和重燃的两个条件，1)交流电弧电 流过零即熄弧；2)闸刀间电压大于隔离开关弧隙介质恢复强度且闸 刀处于分位，电弧重燃；

(C2)在均匀电场中，弧隙介质恢复强度U_b，根据公式(1) 得到，

U_b＝885pd+0.5(1)

其中，p为GIS设备的内部压强，d为动静触头间距。

前述的开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法，其特征 在于：步骤(D)，对单变单回路中各个节点进行电压电流解算，确定 电力系统一次侧的各个设备上的瞬态过电流和过电压的特征水平，包 括隔离开关模型两侧的电压分布分析、开关侧的短线残余电压分布分 析、电流互感器的一次侧电流分布分析、母线电压分布分析、变压器 侧的电压分布分析。

本发明的有益效果是：本发明的开关操作导致电力系统一次侧过 电压的评估方法，根据智能变电站的启动调试方案，选取电力系统中 的单变单回路运行方式；确定单变单回路中的一次设备的等效模型； 根据电磁暂态过程计算程序EMTP，构建电力系统中单变单回路的电 网结构等效模型，模拟由开关操作引起的特快速暂态过电压；对单变 单回路中各个节点进行电压电流解算，确定电力系统一次侧的各个设 备上的瞬态过电流和过电压的特征水平，得出开关操作过电压的特征 水平，能够解决在现有的测量过程中，由于系统一次侧电压等级过高 及设备采样率限制导致测试结果的准确性较差的问题，具有操作简捷、 准确度高的特点，可为后续的现场试验提供理论依据，降低试验成本， 具有良好的应用前景。

附图说明

图1是本发明的开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方 法的流程图。

图2是本发明的构建电力系统中单变单回路的电网结构等效模 型的流程图。

图3是本发明的电网结构等效模型的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

本发明的开关操作导致电力系统一次侧过电压的评估方法，根据 智能变电站的启动调试方案，选取电力系统中的单变单回路运行方式； 确定单变单回路中的一次设备的等效模型；根据电磁暂态过程计算程 序EMTP，构建电力系统中单变单回路的电网结构等效模型，模拟由 开关操作引起的特快速暂态过电压；对单变单回路中各个节点进行电 压电流解算，确定电力系统一次侧的各个设备上的瞬态过电流和过电 压的特征水平，得出开关操作过电压的特征水平，能够解决在现有的 测量过程中，由于系统一次侧电压等级过高及设备采样率限制导致测 试结果的准确性较差的问题，具有操作简捷、准确度高的特点，可为 后续的现场试验提供理论依据，降低试验成本，如图1所示，包括以 下步骤，

步骤(A)，根据智能变电站的启动调试方案，选取电力系统中的 单变单回路运行方式，单变单回路内的一次设备包括主变压器、避雷 器、母线、隔离开关、电压互感器、电流互感器，主变压器上变换产 生的电压波先后通过架空线、避雷器、电压互感器、母线、电流互感 器以及隔离开关，充电隔离开关与断路器之间的GIS导电杆，各一次 设备均有对应的等效模型；

步骤(B)，确定回路中的一次设备等效模型，分别为分布参数的 线路模型、集中参数的设备模型和可重复击穿的隔离开关模型，如图 2所示，包括以下步骤，

(B1)特快速暂态过电压的最小波长在10米以下，与母线、架 空线路和GIS导电杆的长度在同一个数量等级，母线、架空线路和 GIS导电杆采用带波阻抗的均匀传输线模型；

(B2)对挂靠在母线及线路上的一次设备，包括主变压器、电压 互感器、电流互感器、套管和避雷器，其电气长度小于骚扰信号的波 长，采用集总元件参数表示，其中主变压器采用等效电感及入口电容 表示；套管、避雷器、电压互感器采用对地的集中电容表示；电流互 感器用等效电感表示；

(B3)可重复击穿的隔离开关模型，用于模拟开关操作开合过程 中，电弧的熄灭与重燃，同时，对SF₆的介质恢复强度作线性模拟。

如图3所示，主变压器采用等效电感及入口电容表示；套管、避 雷器等采用对地的集中电容表示；电流互感器用等效电感表示；母线 和线路采用均匀传输线模型；隔离开关采用具有分布参数的线路和可 重复击穿的隔离开关模型，仿真的时间步长由电力系统中最短线路决 定，不能大于行波在最短线路的传播时间的一半，为了评估开关操作 对系统一次侧各种设备的过电压和过电流，每种模型的输入输出端均 设置了电压电流探针，用以记录骚扰信号的特征水平；

步骤(C)，根据电磁暂态过程计算程序EMTP，构建电力系统中 单变单回路的电网结构等效模型，模拟由开关操作引起的特快速暂态 过电压，所述开关模型的分合条件的判断，取决于动静触头间的电弧 熄灭和重燃，包括以下步骤，

(C1)列出交流电弧的熄灭和重燃的两个条件，1)交流电弧电 流过零即熄弧；2)闸刀间电压大于隔离开关弧隙介质恢复强度且闸 刀处于分位，电弧重燃；

(C2)在均匀电场中，弧隙介质恢复强度U_b，根据公式(1) 得到，

U_b＝885pd+0.5(1)

其中，p为GIS设备的内部压强，d为动静触头间距，假设隔离 开关模型合闸时，动静触头的靠近是匀速过程，且GIS设备内部气压 恒定，则弧隙介质恢复强度也将随时间线性变化，根据500kV变电站 现场实测数据，分合隔离开关产生的瞬态过电流持续时间为0.3s左 右，推算出弧隙介质恢复强度U_b，为公式(2)所示，

U_b＝543860-1754386t(2)；

步骤(D)，对单变单回路中各个节点进行电压电流解算，确定电 力系统一次侧的各个设备上的瞬态过电流和过电压的特征水平，得出 开关操作过电压的特征水平，包括隔离开关模型两侧的电压分布分析、 开关侧的短线残余电压分布分析、电流互感器的一次侧电流分布分析、 母线电压分布分析、变压器侧的电压分布分析。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优 点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上 述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明 精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改 进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权 利要求书及其等效物界定。