【摘要】：氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(Gas Insulated Switchgear, GIS)中隔離開關(guān)帶電操作時(shí),斷口出現(xiàn)重復(fù)放電,會(huì)產(chǎn)生特快速瞬態(tài)過電壓(Very Fast Transient Overvoltage, VFTO)。VFTO會(huì)威脅超、特高壓GIS及其連接的一、二次設(shè)備的安全運(yùn)行,研究VFTO特性對(duì)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(duì)成熟,GIS隔離開關(guān)重復(fù)放電特性及模型還不完善,而GIS隔離開關(guān)重復(fù)放電特性對(duì)VFTO幅值及統(tǒng)計(jì)特性具有重要影響。所以,為了提高VFTO仿真的科學(xué)性和準(zhǔn)確度,需要研究GIS隔離開關(guān)重復(fù)放電特性,建立仿真模型。本文采用試驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法,深入研究了GIS隔離開關(guān)重復(fù)放電模型,包括放電電壓模型、高頻電弧電阻模型和重復(fù)放電過程仿真方法。建立了252kV GIS隔離開關(guān)操作試驗(yàn)回路。研制出基于光電位置敏感探測(cè)器(Position Sensitive Detector, PSD)的GIS隔離開關(guān)開距光學(xué)測(cè)量系統(tǒng),誤差小于1%。開展了GIS隔離開關(guān)操作試驗(yàn),獲得了VFTO重復(fù)放電波形和斷口重復(fù)放電電壓散點(diǎn)圖。統(tǒng)計(jì)GIS隔離開關(guān)斷口重復(fù)放電電壓點(diǎn),采用線性回歸和N-W (Nadaraya-Waston)回歸兩種方法獲得了重復(fù)放電電壓曲線,為線性關(guān)系,有一定極性效應(yīng)；采用平滑核概率密度函數(shù)估計(jì)方法獲得了重復(fù)放電電壓隨機(jī)項(xiàng)的概率密度函數(shù),建立了包含斷口重復(fù)放電電壓曲線及隨機(jī)項(xiàng)的GIS隔離開關(guān)放電電壓模型。開展了GIS隔離開關(guān)斷口交直流聯(lián)合放電試驗(yàn),電源側(cè)施加交流工頻電壓,負(fù)載側(cè)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(guān),可以采用交流或直流放電試驗(yàn)來獲得。受重復(fù)放電累積效應(yīng)影響,GIS隔離開關(guān)斷口重復(fù)放電電壓曲線斜率比單次放電電壓曲線稍低,正、負(fù)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(jí)SF6間隙高頻電弧試驗(yàn)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(cè)量線圈,研制出光譜儀和分幅相機(jī)的電弧光學(xué)成像和高速同步觸發(fā)系統(tǒng),實(shí)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(cè)。研究了利用電學(xué)測(cè)量結(jié)果求解回路方程計(jì)算電弧電阻的電學(xué)計(jì)算方法。提出了通過電弧發(fā)射光譜分析,利用相對(duì)強(qiáng)度比值法計(jì)算電子溫度,利用Saha方程計(jì)算電子密度,利用修正的Spitzer公式計(jì)算電弧電導(dǎo)率,利用分幅相機(jī)徑向光強(qiáng)分布和光譜儀成像判定電弧半徑,電弧電導(dǎo)率和半徑相結(jié)合計(jì)算電弧電阻的光學(xué)分析方法。開展了大量高頻電弧特性試驗(yàn)。驗(yàn)證了電弧電阻光學(xué)分析方法的有效性。獲得了電弧電阻的時(shí)變規(guī)律,分為放電起始、穩(wěn)定燃弧和絕緣恢復(fù)三個(gè)階段。按照沉積能量相等的原則將電弧時(shí)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(shí)刻電弧電阻和穩(wěn)態(tài)燃弧電阻接近；電流峰值增大時(shí)電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻減��；電流頻率增大時(shí),電弧電阻到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間縮短,但穩(wěn)態(tài)等效電阻幾乎不變；氣壓增大時(shí)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(zhǎng)度近似成線性關(guān)系。根據(jù)電弧電阻與電弧能量注入和能量流失平衡的關(guān)系,建立了能綜合反映氣壓、電弧長(zhǎng)度和電流波形影響的電孤電阻全過程時(shí)變數(shù)學(xué)模型,實(shí)現(xiàn)了僅采用電弧電流對(duì)電弧電阻的模擬。建立了厘米級(jí)SF6間隙高頻電弧試驗(yàn)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(shí)間1μs的高頻電弧,接近GIS隔離開關(guān)高頻電弧尺度,并配備VFTO測(cè)量系統(tǒng)、特快速瞬態(tài)電流(Very FastTransient Current,VFTC)測(cè)量系統(tǒng)、光譜儀和分幅相機(jī),實(shí)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(cè)。提出了通過電弧發(fā)射光譜分析,利用黑體輻射模型計(jì)算電弧溫度和電子密度,利用修正的Spitzer公式計(jì)算電弧電導(dǎo)率,與電弧半徑相結(jié)合計(jì)算電弧電阻的光學(xué)分析方法。開展了大量高頻電弧特性試驗(yàn)。采用毫米級(jí)SF6間隙高頻電弧研究結(jié)果,將電流峰值時(shí)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(shí)電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻增大；電弧長(zhǎng)度增加時(shí)電弧穩(wěn)態(tài)電阻增加并趨于飽和。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果擬合了電弧電阻與電流峰值、氣壓和電弧長(zhǎng)度的關(guān)系,建立了電弧穩(wěn)態(tài)等效電阻數(shù)學(xué)模型。研制了高電位羅氏(Rogwski)線圈VFTC測(cè)量系統(tǒng),帶寬70MHz,安裝在252kV GIS隔離開關(guān)操作試驗(yàn)回路,開展了大量GIS隔離開關(guān)高頻電弧試驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)VFTC波形參數(shù),利用毫米級(jí)SF6間隙研究獲得的電弧電阻時(shí)變規(guī)律及厘米級(jí)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(zhǎng)l影響的GIS隔離開關(guān)電弧電阻全過程雙指數(shù)時(shí)變數(shù)學(xué)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(shí)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(fù)時(shí)間常數(shù),可取約1μs。在GIS隔離開關(guān)放電電壓模型和高頻電弧電阻模型基礎(chǔ)上,采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法模擬隔離開關(guān)操作初始相位和放電電壓的隨機(jī)性,采用變步長(zhǎng)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(guān)重復(fù)放電過程仿真方法。仿真252kV GIS隔離開關(guān)操作重復(fù)放電產(chǎn)生的VFTO和VFTC,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。VFTO和VFTC的重復(fù)放電和單次放電波形比較吻合,驗(yàn)證了仿真模型和方法的準(zhǔn)確性。VFTO和VFTC的統(tǒng)計(jì)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(jìn)一步驗(yàn)證了仿真模型和方法的有效性。
【圖文】：

圖２－１１邋ＶＦＴＯ傳
【學(xué)位授予單位】：中國電力科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM564.1

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本文編號(hào)：2566232