【摘要】：氣體絕緣金屬封閉開關設備(Gas Insulated Switchgear, GIS)中隔離開關帶電操作時,斷口出現(xiàn)重復放電,會產(chǎn)生特快速瞬態(tài)過電壓(Very Fast Transient Overvoltage, VFTO)。VFTO會威脅超、特高壓GIS及其連接的一、二次設備的安全運行,研究VFTO特性對于超、特高壓GIS變電站絕緣配合非常重要。仿真是VFTO特性研究的重要手段,目前GIS靜態(tài)部件模型相對成熟,GIS隔離開關重復放電特性及模型還不完善,而GIS隔離開關重復放電特性對VFTO幅值及統(tǒng)計特性具有重要影響。所以,為了提高VFTO仿真的科學性和準確度,需要研究GIS隔離開關重復放電特性,建立仿真模型。本文采用試驗研究和理論分析相結合的方法,深入研究了GIS隔離開關重復放電模型,包括放電電壓模型、高頻電弧電阻模型和重復放電過程仿真方法。建立了252kV GIS隔離開關操作試驗回路。研制出基于光電位置敏感探測器(Position Sensitive Detector, PSD)的GIS隔離開關開距光學測量系統(tǒng),誤差小于1%。開展了GIS隔離開關操作試驗,獲得了VFTO重復放電波形和斷口重復放電電壓散點圖。統(tǒng)計GIS隔離開關斷口重復放電電壓點,采用線性回歸和N-W (Nadaraya-Waston)回歸兩種方法獲得了重復放電電壓曲線,為線性關系,有一定極性效應；采用平滑核概率密度函數(shù)估計方法獲得了重復放電電壓隨機項的概率密度函數(shù),建立了包含斷口重復放電電壓曲線及隨機項的GIS隔離開關放電電壓模型。開展了GIS隔離開關斷口交直流聯(lián)合放電試驗,電源側施加交流工頻電壓,負載側施加不同比例直流電壓,獲得了斷口單次放電電壓曲線,與直流電壓含量無關,可以采用交流或直流放電試驗來獲得。受重復放電累積效應影響,GIS隔離開關斷口重復放電電壓曲線斜率比單次放電電壓曲線稍低,正、負極性分別低約8.4%和11.6%,可以采用單次放電電壓曲線降低斜率來獲得。建立了毫米級SF6間隙高頻電弧試驗回路,間隙最大距離5mm,最高氣壓O.1MPa,采用脈沖電容器組放電,能夠產(chǎn)生電流幅值10kA、頻率1.1MHz的高頻電弧。研制出電弧電流微分測量線圈,研制出光譜儀和分幅相機的電弧光學成像和高速同步觸發(fā)系統(tǒng),實現(xiàn)了電弧電壓、電流、電流變化率和光譜、圖像的電光聯(lián)合快速同步觀測。研究了利用電學測量結果求解回路方程計算電弧電阻的電學計算方法。提出了通過電弧發(fā)射光譜分析,利用相對強度比值法計算電子溫度,利用Saha方程計算電子密度,利用修正的Spitzer公式計算電弧電導率,利用分幅相機徑向光強分布和光譜儀成像判定電弧半徑,電弧電導率和半徑相結合計算電弧電阻的光學分析方法。開展了大量高頻電弧特性試驗。驗證了電弧電阻光學分析方法的有效性。獲得了電弧電阻的時變規(guī)律,分為放電起始、穩(wěn)定燃弧和絕緣恢復三個階段。按照沉積能量相等的原則將電弧時變電阻等效為恒定電阻,即穩(wěn)態(tài)等效電阻,與電流峰值時刻電弧電阻和穩(wěn)態(tài)燃弧電阻接近；電流峰值增大時電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻減�。浑娏黝l率增大時,電弧電阻到達穩(wěn)態(tài)的時間縮短,但穩(wěn)態(tài)等效電阻幾乎不變；氣壓增大時電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻增大；電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻與電弧長度近似成線性關系。根據(jù)電弧電阻與電弧能量注入和能量流失平衡的關系,建立了能綜合反映氣壓、電弧長度和電流波形影響的電孤電阻全過程時變數(shù)學模型,實現(xiàn)了僅采用電弧電流對電弧電阻的模擬。建立了厘米級SF6間隙高頻電弧試驗回路,間隙最大距離33mm,最高氣壓0.2MPa,利用VFTO發(fā)生器放電,能夠產(chǎn)生電流幅值20kA、頻率14MHz,持續(xù)時間1μs的高頻電弧,接近GIS隔離開關高頻電弧尺度,并配備VFTO測量系統(tǒng)、特快速瞬態(tài)電流(Very FastTransient Current,VFTC)測量系統(tǒng)、光譜儀和分幅相機,實現(xiàn)了電弧放電電壓、電流和光譜、圖像的電光聯(lián)合快速同步觀測。提出了通過電弧發(fā)射光譜分析,利用黑體輻射模型計算電弧溫度和電子密度,利用修正的Spitzer公式計算電弧電導率,與電弧半徑相結合計算電弧電阻的光學分析方法。開展了大量高頻電弧特性試驗。采用毫米級SF6間隙高頻電弧研究結果,將電流峰值時刻電弧電阻作為電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻,發(fā)現(xiàn)氣壓增大時電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻增大；電弧長度增加時電弧穩(wěn)態(tài)電阻增加并趨于飽和。根據(jù)試驗結果擬合了電弧電阻與電流峰值、氣壓和電弧長度的關系,建立了電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻數(shù)學模型。研制了高電位羅氏(Rogwski)線圈VFTC測量系統(tǒng),帶寬70MHz,安裝在252kV GIS隔離開關操作試驗回路,開展了大量GIS隔離開關高頻電弧試驗。統(tǒng)計VFTC波形參數(shù),利用毫米級SF6間隙研究獲得的電弧電阻時變規(guī)律及厘米級SF6間隙研究獲得的電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻模型,提出了能夠反映電流峰值I、氣壓p以及弧長l影響的GIS隔離開關電弧電阻全過程雙指數(shù)時變數(shù)學模型,R=Rie-τ/τ1+Rceτ/τ2,并確定了模型參數(shù),其中,Ri為絕緣電阻,可取1012Ω；τ1為放電時間常數(shù),可取2ns；Rc為穩(wěn)態(tài)燃孤電阻,Rc=341-0.86p0.24l0.63;τ2為恢復時間常數(shù),可取約1μs。在GIS隔離開關放電電壓模型和高頻電弧電阻模型基礎上,采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法模擬隔離開關操作初始相位和放電電壓的隨機性,采用變步長交替仿真工頻過程和放電過程的方法提高仿真效率,提出了GIS隔離開關重復放電過程仿真方法。仿真252kV GIS隔離開關操作重復放電產(chǎn)生的VFTO和VFTC,并進行了試驗驗證。VFTO和VFTC的重復放電和單次放電波形比較吻合,驗證了仿真模型和方法的準確性。VFTO和VFTC的統(tǒng)計特性,包括單次操作放電次數(shù)、VFTO的最大峰值和振蕩系數(shù)、VFTC的最大峰值,也比較吻合,進一步驗證了仿真模型和方法的有效性。
【圖文】：

圖２－１１邋ＶＦＴＯ傳
【學位授予單位】：中國電力科學研究院
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM564.1

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4 沈;;照光式按，

本文編號：2566232