[发明专利]金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统过电压领域，具体涉及了一种金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置及其方法。

背景技术

试验研究表明，气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)隔离开关操作会产生幅值高、陡度大的特快速暂态过电压（以下简称VFTO），对GIS及其连接设备绝缘、外壳连接的二次设备运行有重要影响。目前，普遍采用东芝公司提出的GIS隔离开关带阻尼电阻的方法抑制VFTO，在实际中得到了较好的应用，我国特高压交流试验示范工程的长治站和南阳站均采用了该方案。清华大学尝试在GIS高压导杆上安装高频磁环来抑制VFTO，进行了大量的实验室研究，还需通过现场应用验证该措施的有效性。近年来，随着金属氧化物限压器(以下简称限压器)性能提升，其对VFTO的抑制作用逐渐成为了研究关注的热点。

电力系统中安装的限压器主要用于限制雷电和操作过电压，因VFTO波头时间较短，可达数ns，产生的特快速暂态电流的波头时间与VFTO波头时间接近，振荡频率可能达到100MHz以上，限压器阀片的高频响应性能有限，甚少考虑用限压器抑制VFTO。上世纪八十年代起，为了研制性能优异的限压器，国内外对限压器在陡冲击波下的响应特性进行了探索。BBC公司建立了方波电流源对不同结构的限压器阀片进行了试验研究，中国电力科学研究院研制了陡冲击电流波装置，试验研究了阀片结构和物性等对限压器响应特性的影响。在试验研究基础上，国外提出了一些限压器高频模型，如BBC公司提出的暂态电压下的限压器模型，IEEE工作组推荐的限压器电气模型，Pinceti提出了简化的IEEE模型，IkmoKim建议采用非线性电感模型，东芝提出了考虑能量影响的动态伏安特性模型等。这些限压器仿真模型适用频率范围较宽，可适用于0.5μs及以上波头时间的雷电和操作波计算，均未达到VFTO的计算频率，且模型结构和计算过程较复杂，获取模型参数的难度较大，实用性不足。

为了研究限压器对VFTO的抑制效果，有必要建立限压器在小于0.1μs波头时间的VFTO下的专用仿真模型，提出限压器的VFTO仿真方法，计算限压器对VFTO的抑制作用及其特性，得到限压器抑制VFTO的效果及其适用范围等。

发明内容

为弥补现有限压器高频仿真模型计算VFTO存在的不足，本发明的目的之一在于提出一种准确性更高的金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真装置，所述金属氧化物限压器包括限压器壳体以及置于其内部的单柱芯体和连接导体，所述连接导体与限压器外壳高压端相连，各单柱芯体之间进行并联，每个单柱芯体中均设有相互串联的若干阀片，该仿真装置包括限压器芯体电阻、限压器芯体电容、限压器连接电感和限压器对地电容，所述限压器芯体电阻与限压器芯体电容并联构成RC回路，所述限压器连接电感与RC回路串联构成RLC回路，所述限压器对地电容与RLC回路相并联。

其中，所述限压器芯体电阻是根据各单体芯体中所有阀片在波头时间小于100ns的冲击电流下得到的电压与电流的比值进行确定；所述限压器芯体电阻为所有单柱芯体电阻并联的等效电阻，单柱芯体电阻为该芯体中所有阀片的电阻之和。

其中，所述冲击电流的幅值范围为500A~30kA。

其中，根据单柱芯体的数量以及各单柱芯体中阀片的数量确定出各单柱芯体的电场分布，从而得到限压器芯体电容；所述限压器芯体电容为所有单柱芯体电容之和，单柱芯体电容为该芯体中所有阀片的电容串联的等效电容。

其中，所述限压器连接电感为连接导体总长度与单位长度导体的高频等效电感的乘积；基于毕奥－萨伐尔定律计算出连接导体所处空间的磁场，从而得到限压器连接电感。

其中，所述限压器对地电容是根据金属氧化物限压器的安装方式、通过电磁场数值方法计算得到限压器对地的集中杂散电容，所述金属氧化物限压器采用立式或卧式的安装方式。

限压器对地电容为限压器对地的空间杂散电容，根据限压器安装布置方式不同，对限压器对地电容C₂的影响较大，应结合限压器在现场的安装布置方式，并采用电磁场数值方法计算得到限压器对地的集中杂散电容。

本发明的另一目的在于提出一种金属氧化物限压器的特快速暂态过电压仿真方法，包括以下步骤：

1）设置金属氧化物限压器的持续运行电压U_c，并计算时间步长Δt；

2）计算特快速暂态过电压回路中金属氧化物限压器安装位置的特快速暂态过电压峰值U₀；