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GIS隔离开关操作重复放电模型研究

李志兵  
【摘要】:气体绝缘金属封闭开关设备(Gas Insulated Switchgear, GIS)中隔离开关带电操作时,断口出现重复放电,会产生特快速瞬态过电压(Very Fast Transient Overvoltage, VFTO)。VFTO会威胁超、特高压GIS及其连接的一、二次设备的安全运行,研究VFTO特性对于超、特高压GIS变电站绝缘配合非常重要。仿真是VFTO特性研究的重要手段,目前GIS静态部件模型相对成熟,GIS隔离开关重复放电特性及模型还不完善,而GIS隔离开关重复放电特性对VFTO幅值及统计特性具有重要影响。所以,为了提高VFTO仿真的科学性和准确度,需要研究GIS隔离开关重复放电特性,建立仿真模型。本文采用试验研究和理论分析相结合的方法,深入研究了GIS隔离开关重复放电模型,包括放电电压模型、高频电弧电阻模型和重复放电过程仿真方法。建立了252kV GIS隔离开关操作试验回路。研制出基于光电位置敏感探测器(Position Sensitive Detector, PSD)的GIS隔离开关开距光学测量系统,误差小于1%。开展了GIS隔离开关操作试验,获得了VFTO重复放电波形和断口重复放电电压散点图。统计GIS隔离开关断口重复放电电压点,采用线性回归和N-W (Nadaraya-Waston)回归两种方法获得了重复放电电压曲线,为线性关系,有一定极性效应;采用平滑核概率密度函数估计方法获得了重复放电电压随机项的概率密度函数,建立了包含断口重复放电电压曲线及随机项的GIS隔离开关放电电压模型。开展了GIS隔离开关断口交直流联合放电试验,电源侧施加交流工频电压,负载侧施加不同比例直流电压,获得了断口单次放电电压曲线,与直流电压含量无关,可以采用交流或直流放电试验来获得。受重复放电累积效应影响,GIS隔离开关断口重复放电电压曲线斜率比单次放电电压曲线稍低,正、负极性分别低约8.4%和11.6%,可以采用单次放电电压曲线降低斜率来获得。建立了毫米级SF6间隙高频电弧试验回路,间隙最大距离5mm,最高气压O.1MPa,采用脉冲电容器组放电,能够产生电流幅值10kA、频率1.1MHz的高频电弧。研制出电弧电流微分测量线圈,研制出光谱仪和分幅相机的电弧光学成像和高速同步触发系统,实现了电弧电压、电流、电流变化率和光谱、图像的电光联合快速同步观测。研究了利用电学测量结果求解回路方程计算电弧电阻的电学计算方法。提出了通过电弧发射光谱分析,利用相对强度比值法计算电子温度,利用Saha方程计算电子密度,利用修正的Spitzer公式计算电弧电导率,利用分幅相机径向光强分布和光谱仪成像判定电弧半径,电弧电导率和半径相结合计算电弧电阻的光学分析方法。开展了大量高频电弧特性试验。验证了电弧电阻光学分析方法的有效性。获得了电弧电阻的时变规律,分为放电起始、稳定燃弧和绝缘恢复三个阶段。按照沉积能量相等的原则将电弧时变电阻等效为恒定电阻,即稳态等效电阻,与电流峰值时刻电弧电阻和稳态燃弧电阻接近;电流峰值增大时电弧稳态等效电阻减小;电流频率增大时,电弧电阻到达稳态的时间缩短,但稳态等效电阻几乎不变;气压增大时电弧稳态等效电阻增大;电弧稳态等效电阻与电弧长度近似成线性关系。根据电弧电阻与电弧能量注入和能量流失平衡的关系,建立了能综合反映气压、电弧长度和电流波形影响的电孤电阻全过程时变数学模型,实现了仅采用电弧电流对电弧电阻的模拟。建立了厘米级SF6间隙高频电弧试验回路,间隙最大距离33mm,最高气压0.2MPa,利用VFTO发生器放电,能够产生电流幅值20kA、频率14MHz,持续时间1μs的高频电弧,接近GIS隔离开关高频电弧尺度,并配备VFTO测量系统、特快速瞬态电流(Very FastTransient Current,VFTC)测量系统、光谱仪和分幅相机,实现了电弧放电电压、电流和光谱、图像的电光联合快速同步观测。提出了通过电弧发射光谱分析,利用黑体辐射模型计算电弧温度和电子密度,利用修正的Spitzer公式计算电弧电导率,与电弧半径相结合计算电弧电阻的光学分析方法。开展了大量高频电弧特性试验。采用毫米级SF6间隙高频电弧研究结果,将电流峰值时刻电弧电阻作为电弧稳态等效电阻,发现气压增大时电弧稳态等效电阻增大;电弧长度增加时电弧稳态电阻增加并趋于饱和。根据试验结果拟合了电弧电阻与电流峰值、气压和电弧长度的关系,建立了电弧稳态等效电阻数学模型。研制了高电位罗氏(Rogwski)线圈VFTC测量系统,带宽70MHz,安装在252kV GIS隔离开关操作试验回路,开展了大量GIS隔离开关高频电弧试验。统计VFTC波形参数,利用毫米级SF6间隙研究获得的电弧电阻时变规律及厘米级SF6间隙研究获得的电弧稳态等效电阻模型,提出了能够反映电流峰值I、气压p以及弧长l影响的GIS隔离开关电弧电阻全过程双指数时变数学模型,R=Rie-τ/τ1+Rceτ/τ2,并确定了模型参数,其中,Ri为绝缘电阻,可取1012Ω;τ1为放电时间常数,可取2ns;Rc为稳态燃孤电阻,Rc=341-0.86p0.24l0.63;τ2为恢复时间常数,可取约1μs。在GIS隔离开关放电电压模型和高频电弧电阻模型基础上,采用蒙特卡罗(Monte Carlo)方法模拟隔离开关操作初始相位和放电电压的随机性,采用变步长交替仿真工频过程和放电过程的方法提高仿真效率,提出了GIS隔离开关重复放电过程仿真方法。仿真252kV GIS隔离开关操作重复放电产生的VFTO和VFTC,并进行了试验验证。VFTO和VFTC的重复放电和单次放电波形比较吻合,验证了仿真模型和方法的准确性。VFTO和VFTC的统计特性,包括单次操作放电次数、VFTO的最大峰值和振荡系数、VFTC的最大峰值,也比较吻合,进一步验证了仿真模型和方法的有效性。


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