[發明專利]金屬氧化物限壓器的特快速暫態過電壓仿真裝置及其方法

有效

• 申請號: 201210422003.5
• 申請日: 2012-10-29
• 公開（公告）號: CN102998556A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 李志兵;陳維江;顏湘蓮;王承玉;王浩;賀子鳴
• 申請（專利權）人: 中國電力科學研究院;國家電網公司
• 主分類號: G01R31/00
• 分類號: G01R31/00
• 代理公司: 北京安博達知識產權代理有限公司 11271
• 代理人: 徐國文

技術領域

本發明屬于電力系統過電壓領域，具體涉及了一種金屬氧化物限壓器的特快速暫態過電壓仿真裝置及其方法。

背景技術

試驗研究表明，氣體絕緣金屬封閉開關設備(GIS)隔離開關操作會產生幅值高、陡度大的特快速暫態過電壓（以下簡稱VFTO），對GIS及其連接設備絕緣、外殼連接的二次設備運行有重要影響。目前，普遍采用東芝公司提出的GIS隔離開關帶阻尼電阻的方法抑制VFTO，在實際中得到了較好的應用，我國特高壓交流試驗示范工程的長治站和南陽站均采用了該方案。清華大學嘗試在GIS高壓導桿上安裝高頻磁環來抑制VFTO，進行了大量的實驗室研究，還需通過現場應用驗證該措施的有效性。近年來，隨著金屬氧化物限壓器(以下簡稱限壓器)性能提升，其對VFTO的抑制作用逐漸成為了研究關注的熱點。

電力系統中安裝的限壓器主要用于限制雷電和操作過電壓，因VFTO波頭時間較短，可達數ns，產生的特快速暫態電流的波頭時間與VFTO波頭時間接近，振蕩頻率可能達到100MHz以上，限壓器閥片的高頻響應性能有限，甚少考慮用限壓器抑制VFTO。上世紀八十年代起，為了研制性能優異的限壓器，國內外對限壓器在陡沖擊波下的響應特性進行了探索。BBC公司建立了方波電流源對不同結構的限壓器閥片進行了試驗研究，中國電力科學研究院研制了陡沖擊電流波裝置，試驗研究了閥片結構和物性等對限壓器響應特性的影響。在試驗研究基礎上，國外提出了一些限壓器高頻模型，如BBC公司提出的暫態電壓下的限壓器模型，IEEE工作組推薦的限壓器電氣模型，Pinceti提出了簡化的IEEE模型，IkmoKim建議采用非線性電感模型，東芝提出了考慮能量影響的動態伏安特性模型等。這些限壓器仿真模型適用頻率范圍較寬，可適用于0.5μs及以上波頭時間的雷電和操作波計算，均未達到VFTO的計算頻率，且模型結構和計算過程較復雜，獲取模型參數的難度較大，實用性不足。

為了研究限壓器對VFTO的抑制效果，有必要建立限壓器在小于0.1μs波頭時間的VFTO下的專用仿真模型，提出限壓器的VFTO仿真方法，計算限壓器對VFTO的抑制作用及其特性，得到限壓器抑制VFTO的效果及其適用范圍等。

發明內容

為彌補現有限壓器高頻仿真模型計算VFTO存在的不足，本發明的目的之一在于提出一種準確性更高的金屬氧化物限壓器的特快速暫態過電壓仿真裝置。

本發明是通過如下技術方案實現的：

一種金屬氧化物限壓器的特快速暫態過電壓仿真裝置，所述金屬氧化物限壓器包括限壓器殼體以及置于其內部的單柱芯體和連接導體，所述連接導體與限壓器外殼高壓端相連，各單柱芯體之間進行并聯，每個單柱芯體中均設有相互串聯的若干閥片，該仿真裝置包括限壓器芯體電阻、限壓器芯體電容、限壓器連接電感和限壓器對地電容，所述限壓器芯體電阻與限壓器芯體電容并聯構成RC回路，所述限壓器連接電感與RC回路串聯構成RLC回路，所述限壓器對地電容與RLC回路相并聯。

其中，所述限壓器芯體電阻是根據各單體芯體中所有閥片在波頭時間小于100ns的沖擊電流下得到的電壓與電流的比值進行確定；所述限壓器芯體電阻為所有單柱芯體電阻并聯的等效電阻，單柱芯體電阻為該芯體中所有閥片的電阻之和。

其中，所述沖擊電流的幅值范圍為500A~30kA。

其中，根據單柱芯體的數量以及各單柱芯體中閥片的數量確定出各單柱芯體的電場分布，從而得到限壓器芯體電容；所述限壓器芯體電容為所有單柱芯體電容之和，單柱芯體電容為該芯體中所有閥片的電容串聯的等效電容。

其中，所述限壓器連接電感為連接導體總長度與單位長度導體的高頻等效電感的乘積；基于畢奧－薩伐爾定律計算出連接導體所處空間的磁場，從而得到限壓器連接電感。

其中，所述限壓器對地電容是根據金屬氧化物限壓器的安裝方式、通過電磁場數值方法計算得到限壓器對地的集中雜散電容，所述金屬氧化物限壓器采用立式或臥式的安裝方式。

限壓器對地電容為限壓器對地的空間雜散電容，根據限壓器安裝布置方式不同，對限壓器對地電容C₂的影響較大，應結合限壓器在現場的安裝布置方式，并采用電磁場數值方法計算得到限壓器對地的集中雜散電容。

本發明的另一目的在于提出一種金屬氧化物限壓器的特快速暫態過電壓仿真方法，包括以下步驟：

1）設置金屬氧化物限壓器的持續運行電壓U_c，并計算時間步長Δt；

2）計算特快速暫態過電壓回路中金屬氧化物限壓器安裝位置的特快速暫態過電壓峰值U₀；