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用于VFTO建模的1100kV GIS隔离开关击穿电压特性的判据研究

摘要:本文介绍了一种气体绝缘开关隔离器击穿电压特性(BDV)的测定方法。该方法适用于隔离开关建模过程中因打开和关闭操作产生的快速暂态过电压的测定。该方法基于全面的测量，通常在隔离开关开发和/或类型测试期间执行。该方法首先是以简化的例证环境下提出，然后将全面的测量结果应用于1100kV隔离开关的设计。根据武汉(中国)站最近的报告，将BDV测定应用于两个1100kV的测试装置中。所选择的测试案例通过建模仿真的方法进行了模拟、分析和验证,实现了两个击穿电压的特性:应用本文提供的方法获得的非线性击穿电压的测量结果，并在文献中对武汉GIS站1100kV的线性度进行了报告。

索引：分接开关(DS)，气体绝缘开关(GIS)，建模，仿真，开关，暂态，快速暂态过电压(VFTO)。

1．介绍

气体绝缘开关 (GIS)中快速暂态过电压(VFTO)的建模对于GIS隔离开关的设计工作、支持隔离开关全面类型测试以及支持VFTO阻尼解决方案的应用、选择和尺寸确定都是至关重要的。这些方面要求对整个隔离开关操作过程进行详细和准确的建模，当使用多电火花方法时，可以满足这一要求。在多电火花方法中，对GIS隔离开关的整个操作进行建模，而不是采用最先进的单电火花方法，在这种方法中，只能分析生成的单个VFTO。

A.击穿电压特性

利用多电火花方法建立GIS隔离开关模型的一个关键方面是准确地确定和实现隔离开关击穿电压特性(BDV)的模型。BDV描述了在隔离开关打开和关闭操作期间隔离开关接触系统的介电强度。因此，它是决定控制隔离接触间隙中气体击穿(火花)重复点燃的电压条件的主要因素。火花点火发生在隔离接触系统的电压超过瞬时BDV值的情况下。因此，BDV对VFTO振幅以及表征隔离开关操作的其他参数(如捕获电荷电压(TCV)、放电时间和火花总数)有重大影响。

另一方面，BDV与隔离开关的设计密切相关，特别是隔离开关接触系统的设计(如电场分级元件)、绝缘介质特性(如SF₆气体压力)和隔离开关移动接触器的工作特性(如移动接触速度)。

B.隔离开关设计透视图

对于特高压和超高压级GIS，由于额定等级和耐压等级[12]之间的比值降低，因此VFTO可能成为设计考虑因素之一。气体绝缘卡开关（GIS）隔离开关的总体设计是几个因素之间的折衷，其中包括第一节A中概述的数量。在整个模拟和测量过程中，经常对A中的内容进行研究。例如，从[1]和[2]可知，在隔离开关打开的操作中，上升时间减小的BDV导致TCV分布的平均值向下偏移。这导致后续关闭操作中VFTO的振幅显著下降，从而导致了最坏的情况TCV= -1p.u.(用于由IEC Std.[3]推荐的程序进行标准类型测试)极不可能产生 [1]、[2]、[4]的情况。在实际应用中，BDV的斜率往往是通过减小隔离开关的移动接触速度[1]、[2]、[4]来减小的。其结果是，电弧时间长度和火花数量增加，这可能导致接触系统的温度要求更高，特别是在母线转移操作之下。

C. 以1100kV试验装置作为本文参考

为了分析上述数量，GIS制造商和电网运营商正在开发全面的测试设备。下面列出了在本文中引用的三种测试设置，它们为本文所述方法的演示和验证提供了测量数据。

自2008年起，在中国荆门1100 kV站[5]等1100 kV超高压GIS开发试点的1kV隔离开关上进行了开发试验。对于选定的隔离开关设计，测量VFTO、TCV、火花时间和火花总数的分布。以2008年为例，在开闭两种操作中，分别测取了隔离开关动触点的运行速度为0.39 m/s和0.54 m/s。对于每个隔离开关设计和每个移动接触速度，大约执行了100个隔离开关操作。基于这些结果，研究了隔离开关设计对VFTO不同方面的影响，如[1]、[4]、[6]。

2009年，国家电网公司(SGCC)在中国武汉1100 kV站设立了两个测试装置。基于这些测试设置，于近期发表了几篇论文(如[2]、[7]-[9])，分析了不同工作速度的隔离开关设计对VFTO不同方面的影响。[2]中，[7]开闭两种操作的动触点速度均为0.54 m/s;在[9]中，开合速度分别为0.71 m/s和2.10 m/s;[2]、[7]、[9]的开合速度分别为1.70 m/s和2.50 m/s。对VFTO的不同方面进行了分析，包括VFTO、TCV、火花时间分布、火花总数[2]、[7]、[9]。在[2]、[9]中采用了线性BDV特征进行建模和仿真。

D .论文概述

本文提出了一种确定GIS隔离开关BDV特性的方法，用于GIS中VFTO的建模。BDV的测定方法是基于涉及GIS隔离开关整个开闭操作的全面测量。出于方法演示和验证的目的，本文使用了上文I.C节中概述的三个1100 kV测试装置中选定的测量结果。

本文的组织如下:第一节介绍了BDV的基本信息，并给出了本文工作适用性的设计观点。

在第二节，BDV的确定方法提出了使用一个简化的，说明性的模拟设置。然后，根据ABB在开发试验中使用的1100 kV的实测结果为例，应用该方法进行了确定。示例仿真结果概述在第二节，以确认验证的准确性。本文进一步将第二节中确定的参数称为非线性参数。[8](本文进一步称其为线性相似)以非线性BDV为基准，为第三节分析提供了参考。

在第三节中，BDV(非线性和线性)均采用多火花方法实现。仿真结果验证了该方法在VFTO分析中的适用性。摘要针对武汉1100kv GIS站两套试验装置，采用多火花方法对断路操作进行建模。根据[2]、[7]-[9]的描述，对武汉试验装置进行建模。

第四节对选取的模拟结果与[7]武汉站的实测结果进行对比。

第五部分给出了最终结论。

2. 基于全面测量的击穿电压特性的测定

A．方法描述

在隔离开关操作期间，当隔离开关接触系统的电压超过BDV的瞬时值时，隔离开关接触间隙中会发生重复的气体击穿(火花)。电压由断开电源两侧电压和负载处电压的瞬时值确定。对于时间实例，火花触发电压是由以下公式决定的:

(1)

由于BDV依赖于极性(这是由于断路接触系统的典型非对称设计)，因此BDV由正击穿电压和负击穿电压定义。和描述耐压瞬时值分别为正电压和负电压。根据下式给出的电压条件，火花在实例发生时被点燃:

(2)

式中为(1)所示的断路接触系统的跨接电压，为正、负电压极性的击穿电压; 是电火花的点燃时间。

因此，由击穿电压指定的特定于隔离开关设计的BDV可以通过执行隔离开关的操作来确定，在此过程中，火花触发的时间实例和相关的电压值一起被记录下来。这些数量通常在标准化的类型测试过程中进行测量，如IEC Std.[3]所推荐的。

图1：用于说明BDV测定的简化模拟装置：为电压源；和为隔离开关电压源侧电压和负载侧电压；DT为待测的隔离开关；C₁=3.3nF电压源侧电容；C₂=2nF为负载侧电容器；利用集总电容简化了GIS母线的分布式模型。

图2：方法说明中假定的BDV曲线（三段线）；正击穿电压（蓝色）；负击穿电压（红色）；如图一所示，用模拟BDV，n=2（a）和n=5模拟隔离开关打开操作。

B.简化模拟设置中BDV的测定

图1显示了本节中用于说明BDV测定方法的简化模拟设置。其结构类似的过程[3]根据IEC类(参见部分II.C和图5),唯一的不同,模型的GIS汇流集总等效元件的参数简化为额定电容C1和C2,(见图5)。隔离开关上的电压源AC产生的1.1p.u.振幅的电压（; 是额定电压），为50/60 Hz频率。对于隔离开关操作的建模，采用多火花方法，对隔离开关的整个操作进行建模。

图2显示了一个简化的BDV，为了便于说明，在本节中假设它是两条三段线的形式，分别表示正 (蓝色)和负 (红色)电压的极性。在图2中，模拟电压为隔离开关动触点分离开始的不同阶段n (图2(A)中的n=2和图2（B）中的n=5)时分别进行不同的操作。

假定的BDV在0.02秒到0.03秒之间引入不连续。在主要部分的BDV对应的滑动接触的速度大约是5倍的实际情况下，与下面的第二节C中分析的例子对比(图2中大约50ms的灭弧时间与图6中250ms的灭弧时间)。基于这种假设,BDV的斜率变化表明火花数量比第二节C分析的案例中的火花数量更加显著的降低，从而提供了更多的说明性波形，如图2所示。

从图2(a)中可以看出，由于在BDV非线性的时间区域内没有出现电压极性为负的火花，所以在n=2的情况下，开启次数不足以正确显现BDV特性(见图2(a)中的红框)。图2(b)中n=5的情况下，明显更准确实现了BDV再现(见图2(b)中的红框)，但仍然(在本例中)在负BDV非线性区域中只有一个火花。

图3：（a）隔离开关触头两端电压按高斯分布计算，均值为图二中的，标准差为5%；（b）根据图三（a）中所示的模拟电压（正）确定击穿电压（正）；图三（b）中的颜色合一时为瞬时均值概率（红色为最高，蓝色为最低）。

此方法演示的下一步是包含图2中假设的BDV的统计行为。为此，我们模拟了一组360度的开关操作。在数值模拟的每一步中，对每一次操作都进行了计算，对于瞬时值，假设均值为高斯分布，平均值为正负电压值，标准差为5%，图3（a）出示了发生气体击穿所用时间实例的电压值。

图3(b)为根据图3(a)所示的统计分布电压值确定的BDV。图4显示了用于获得图3（b）中得到的数值。将操作时间划分为多个（k）时间切片。的宽度被选中以便包含一些统计处理所需要的数据。在每个的时间片段中，概率分布被拟合到统计分布的电压值中，该分布值落入特定的切片中。作为输出，我们可以得到每个时间片段的假设概率分布的参数（如采用高斯分布时的均值和标准差值）。作为输出，得到每个时间片的假设概率分布参数(如采用高斯分布时的均值和标准差)。这个过程对于每个时间片段是重复的，这样的概率分布参数的离散值就构成了时变击穿电压值，而对于高斯分布，则可以写成：

(3)

需要指出的是，这里可以应用不同的统计分布。高斯或威布尔是自然的选择，然而其他的近似也是可能的。在[9]中，就采用了最小二乘法对假设的线性模型进行参数提取。

图3中可以看到一个好的统计分布电压之间的一致性(参见图3(a),根据假定的击穿电压BDV模拟图2所示)来确定 BDV的测定 (参见图3(b),这是一个图3(a)统计的表示图，过程见图4)。

图4：从统计数据中获得BDV的方法：将电压数据拟合到时间片段上的概率分布（如图）

图5：根据IEC Std.[3]对1100Kv隔离开关进行BDV测定的全面实验设置：DT为待测的隔离开关；DA为辅助隔离开关；C₁为集总电容；B_1/2/3为GIS母线；b_1/2为GIS与AIS套管；为直流交流电压源。

C. 1100kV隔离开关BDV的测定

在本节中，1100kv隔离开关的开发测试的测量结果用于一个示例设计的隔离开关的BDV测定。所得的BDV在第三节的分析中得到了进一步的应用，本文将其进一步称为非线性BDV。图5显示了用于测量的开发测试设置。根据IEC Std.[3]建立实验装置。在被测量隔离开关的开闭操作过程中，测量了隔离开关的电压源侧电压和负载侧电压，采用辅助隔离开关对对GIS母线B₂进行预充电，使用为断开操作指定的TCV，电压源侧50Hz的电压幅值设为1.1p.u.(其中1100kV额定电压的1p.u.为899kV)。测试过程包括两个步骤。在第一步中，选择电容器的值，以确保在无预充电条件下关闭操作的第一个火花导致VFTO的幅值至少为1.4p.u.，并且到第一个峰值的时间小于500ns，下一步是在母线上使用给定的TCV条件关闭操作。对于每一种操作类型(打开或者关闭)、捕获电荷条件和隔离开关设计，大约执行了100个隔离开关操作。

图6：（a）在图五所示的类型装置测验中，对100次打开隔离开关操作测量出的电压;击穿电压(正)由图六（a）中所示的测量出的电压(正)所确定；图六（b）种颜色归为一时为瞬时均值概率（红色为最高，蓝色为最低）。

图7：BDV：在第二节C中确定的（非线性BDV，红色），并在第二节D中引用（线性BDV，绿色），在第三节多火花建模方法中实现；非线性BDV和线性BDV的最大电弧时间分别为：0.49秒和0.17秒。

表1：在图五所示的实验装置中，针对100个隔离开关的开闭操作，分别对模拟（左列）和实际测量

资料编号：[3888]