[发明专利]基于PEEC法的GIS外壳环流和暂态地电位升高建模与分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于PEEC法的GIS外壳环流和暂态地电位升高建模与分析方法。

背景技术

近年来，气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear，GIS)凭借结构紧凑、体积小、占地少、运行可靠、维护任务轻及对环境污染少等显著优点，成为了电力系统中不可或缺的一部分。但是GIS系统组成部件之间距离较近，各元件之间的电磁耦合强烈，当隔离开关、断路器等进行断开和闭合操作时，GIS中会存在快速暂态过程。在GIS内产生的这种暂态波，具有短时延和高频率的特征，这些暂态波的上升时间为纳秒级，频率可以达到上百兆赫兹，通过电磁感应作用，表现为母线套管上幅值和频率极高的过电压，在GIS金属外壳上产生陡度很大的暂态环流，而且含有频率极高的谐波分量。

除此之外，由于GIS中产生的暂态环流具有高频、超高频分量，而GIS的布置不可能与接地电流注入点的距离一致，会引起GIS的TGPR(Transient Grounding Potential Rise)效应，可能对二次侧的监控、测量设备产生电磁干扰，造成系统误动作，成为电力系统正常稳定运行的巨大隐患。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于PEEC法的GIS外壳环流和暂态地电位升高建模与分析方法，本发明采用PEEC法建立GIS母线和外壳的模型，根据构建的模型进行分析，能够有效抑制外壳环流和有效抑制TGPR。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于PEEC法的GIS外壳环流和暂态地电位升高建模与分析方法，基于GIS系统中的环流和暂态对地电位升高的产生机理的基础上，采用PEEC法建立GIS母线和外壳的模型，进而构建等值模型，进行仿真，得到GIS相间环流和地网环流的幅值与接地点之间的关系曲线，根据关系曲线确定外壳环流和TGPR的影响因素。

进一步的，GIS系统中的快速暂态过电压的波形由电弧的形成时间决定，即触头间隙从开始发生电荷游离到完全击穿导通所需要的时间，该时间数值越小，快速暂态过电压的波形越陡。

进一步的，GIS系统中的TGPR产生原因主要包括：一是由GIS内的SF₆介质相比于空气来说电气强度很高，但是一旦被击穿，其电气强度将会瞬间下降，电压急剧上升，极易在整个系统内引发高频振荡，引起暂态接地电位升高现象；二是母线上的电压较高，离地间隙较短，导致空气间隙的击穿，从而引起电位升高；三是当进行断路器或隔离开关操作时，电弧重燃导致两触头间的气体被击穿；四是用于无功补偿或电压调整的外部集中电容器放电所引起暂态接地电位升高；最后一种是高频电流波在外壳断口处产生多次反射，从而引起很高的电压。

进一步的，采用PEEC法建立GIS母线和外壳的模型时，将被研究对象分割成足够小的微元，计算各个微元的自、互电感和自、互电容，根据物体的实际结构构建出具体的电路模型，使用电路分析的方法计算等效电路，从而实现对研究对象电磁耦合关系的分析。

进一步的，将把PEEC模型视为一个多端口电路模型，与传统电路模型相连接，从而实现把PEEC模型的适用范围由微型电路扩展到多导体大尺寸电磁系统的目标。

进一步的，构建GIS母线的PEEC模型时，母线在通过交流电信号时，在母线中会出现趋肤效应，电荷集中在母线外表面位置，利用空心导电杆代替实心的导线，进而计算趋肤深度，在对母线进行PEEC法等效时，选取高小于趋肤深度的长方形元胞作为单位元胞，在这些元胞中，认为电荷密度是均匀的，计算出单位元胞的自感值，在母线的元胞划分中，不同元胞的空间位置为空间平行，以计算出互感值，将自感值与互感值相加，得到GIS母线的电感值。

进一步的，构建GIS外壳的PEEC模型时，将外壳划分为长方体元胞，依次计算长方体元胞的自感值，视不同元胞的空间位置为空间平行，以计算出互感值，将自感值与互感值相加，得到GIS外壳的电感值。

进一步的，构建接地体模型，根据接地网由多根接地体连接成网络状，忽略接地体之间的耦合，形成接地体的Π型等效电路。

进一步的，在GIS金属外壳上按相同间隔取多个接地点，计算每一相接地段的感应电流值与接地位置的关系，得到地网环流值与接地位置之间的关系呈现U型曲线，在中间的接地位置取得最小值。

进一步的，减小相间距离、增加外壳半径或/和增加接地点数量能够有效抑制外壳环流。

进一步的，GIS母线的外壳至少有一点是接地的，且该接地线与地网相连接，以降低壳体上的暂态电位。