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Mehrdad MAJIDI, Hamid JAVADI, Moein MANBACHI

铁氧体环频率相关建模的新算法及其研究GIS中VFTO行为的优化设计

copy;高等教育出版社和Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

摘要气体绝缘变电站（GIS）对GIS设备具有破坏性影响的基本问题之一是非常快速的瞬态过电压（VFTO）。本文对400/230 kV变电站进行建模，以研究广泛实施的VFTO对EMTP-RV的影响。此外，已全面评估了铁氧体环在抑制VFTO中的应用。本文的主要优点是其根据铁氧体环频率相关模型提出的新算法，并通过实验结果进行了验证。本文研究了铁氧体环的三种成分对VFTO抑制的影响。此外，它使用SF6气体绝缘耐受性和COMSOL Multiphysics软件根据铁氧体环对VFTO抑制约束的最大影响来估计铁氧体环的尺寸。此外，由于在不同的GIS节点中安装了铁氧体环，因此可以获得VFTO衰减百分比。最后，分析了在各种GIS切换方案中提供的VFTO修正技术。

关键词comsol多物理场EMTP-RV铁氧体环铁氧体变电站瞬时过电压绝缘配合

开关设备，隔离开关和/或接地开关。隔离触点（DS）的工作时间很长，有时会超过0.6 s。因此，在切换完成之前会产生渐进电弧。这些电弧可能是高频VTO的主要原因[1–3]. 在过去的研究中可以看出，这些过电压可以在数百kHz至MHz的范围内达到2.5单位（pu）[4]. 应该提到的是，VFTO域完全取决于GIS配置[5,6]. VFTO是在微秒内创建的。

因此，VFTO具有高陡波前。因此，电涌防护器等保护设备无法控制这些过电压。氧化锌（ZnO）避雷器的时间响应比VFTO的陡峭时间长。近年来，针对过电压保护问题已经提出了各种计划。打开和关闭电阻器，电阻器（RC）滤波器和铁氧体环的安装是已研究的一些方法[7–11].铁氧体环可以在很高的频率下磁饱和。频率增加到超过100 kHz会大大增加其损耗，但在功率频率范围内的损耗可忽略不计。

1991年，设计了铁氧体环初始模型[12], 其中大多数应用于电子设备。在2007年，

提出了一种与频率有关的建模技术

1 介绍

由于开关断路器，气体绝缘变电站（GIS）中产生了非常快速的瞬态过电压（VFTO），

1. ，但作者无法在电磁瞬变程序（EMTP）软件中设计精确的电磁设备模型。因此，数据分析和显示（DADiSP）

应用软件将铁氧体环建模为

2013年4月9日收到；接受2013年7月28日

迈赫达·马吉迪（✉），哈米德·贾瓦迪

电气与计算机工程系，电力与水利

伊朗德黑兰工业大学电子邮件：mehrdadmajidi66@gmail.com

萌曼巴奇

西蒙弗雷泽大学工程科学学院，加拿大不列颠哥伦比亚省本那比8888大学大道

研究其对VFTO的影响。表1列出了先前关于抑制VFTO的铁氧体环建模的研究[13–18]. EMTP-RV具有方便的框架，该框架提供了一个兼容的区域，可在具有特定变电站的实际网络中实施建议的算法。尽管铁氧体磁环尚未安装在实际网络中，但还是确定了一种新颖的方法来保护GIS母线免受VFTO的侵害[14，18]. 这是最好的

抑制VFTO的技术。此外，安装

铁氧体环不会对GIS产生任何复杂性

母线设计特定的绝缘方案[9,13,15,16]. 但是，这些研究都没有关注六氟化硫（SF6）气体绝缘的承受能力以及由于SF6气体绝缘距离的减小而使铁氧体环装置产生的恒定电场强度。

（2）

公式中的阻抗模型。（1）和（2）与磁性材料的串联电模型有关。为了从等式中提取导磁率的实部和虚部。（1），等式（3）应使用。表示参数（3）可以使用等式获得。

（4）和（5）。这些计算步骤已经实施

三种成分（MnZn，NiZn，0.8MnZn

提出一种基于铁氧体环频率相关模型的新算法

铁磁材料的阻抗特性随频率变化很大。这些材料的等效阻抗可以基于这些材料的电磁建模来串联或并联表示[19,20]. 该阻抗由一个电阻和一个电感组成，可以通过其磁导系数mu;_r（f）加以区分。应该提到的是，与并行模型相比，串联模型可以更好地显示铁磁材料的频率依赖性。[12]. 该环对GIS母线中的VFTO产生的频率相关阻抗（z（jf））主要由磁导系数mu;_r（f）和环的电感(L)[21]表示为：

（1）参考文献中的0.2NiZn）。[22]。这项研究的结果如图1所示。通过应用最小二乘拟合曲线方法，可以得出等式。如表2所示，计算（4）和（5）。因此，可以基于等式实现铁氧体环频率相关的建模。（1）–（5）在EMTP软件环境中。图2描述了提出的铁氧体环频率相关算法。

（3）

（4）

（5

，其中L可以表示为

验证提出的算法

用于测试所提出的准确性和适用性

表1在铁氧体环模型研究方面的文献综述[13–18]

匹配模拟

考虑SF6

参考 铁氧体环的应用模型 VFTO被抑制

百分比/％

带有实际测量结果的模型的输出

选择铁氧体环尺寸时允许的电场

应用软件

[14]

62.00

非常低

未研究

香料

• 1. 33.75 未研究 未研究 电磁暂态程序
  2. 34.15 非常低 未研究 B2SPICE

[17,18] 不学习 未研究 未研究 未提及

[13] 超过33 非常低 未研究 达迪斯

这篇报告 平均69.20 很高 研究过 情绪

图1复磁导率系数

• • 1. 锰锌;（b）镍锌；(c) 0.8MnZn 0.2NiZn [22]

表2公式中的应用参数值（4）和（5）

铁磁材料	锰锌	镍锌	0.8MnZn 0.2NiZn
xdw	3835	582	6.1
f数据仓库/兆赫	1.03	3.05	144.5

beta; /兆赫 8.98 3.61 1280

多量子阱
西罗特	1858	1019	11.7
f腐烂/兆赫	5.09	854	5100
alpha;	0.97	148	15.2

算法，本文研究参考文献中提到的情况。

[21] 为了将所提出算法的模拟输出与

图2建议的铁氧体环频率相关算法

参考[21]. Ref。中施加了400 V同轴电缆。[21] 为了研究铁氧体磁环对VFTO的影响，它是一个用于铁氧体磁环频率相关建模的GIS母线。在DADiSP软件中，应用了传输线方程和PI模型对GIS母线进行建模，但是在本文中，表3中所示的恒定参数（CP）模型用于在EMTP中对GIS母线进行建模-RV软件环境。此外，电弧模型基于表3（R₀= 1000Omega;，tau;= 1 ns，r₀= 10Omega;）。所有考虑均基于图3，图3给出了Ref.1中的等效电路。[21]. 如图所示。参照图4和图5，与Ref中的结果相比，本文提出的算法具有与实际实验测试准确相似的输出波形，域，陡峭时间和波动。[21]。这些相似之处尤其是在VFTO陡度和波动中，这在Ref.1的结果中看不到。[21]. 结果，这种创新技术比参考文献中提到的方法更加准确。[21].

案例研究建模和确定VFTO评估的方案

本文采用参考文献中提到的Boushehr GIS（400/230 kV）。[23] 用于案例研究。据报道，该变电站由于瞬态过电压而损坏了设备。因此，VFTO和铁氧体环

表3 GIS（400/230 kV）设备的应用模型和值

设备 等效电路模型

打开400 kV断路器/关闭400–230 kV断路器

打开400 kV开关设备/关闭400 kV开关设备

GIS总线管道/ VT 400–230 kV

开关电弧模型 R₀E^–t=TR₀，R₀1times;10⁶，TAN 1 ns；r₀ frac14; 10 Omega;.垫片/避雷器

• 1. 绕组变压器

自动转

图3重新布置的等效电路[21]

控制功能研究已被彻底考虑。此外，本文重点介绍GIS设备的准确建模[24–27]. 该变电站的示意图如图6所示。VFTO研究中的应用模型和值基于表3 [1,7]. 各种

为了评估该变电站中的VFTO，已经模拟了切换方案。在所有模拟情况下，基于表4选择了五个方案作为最差的VFTO方案。图9描绘了方案1中沿切换方式的最大VFTO趋势。

通过自动变压器到达低压侧后，VFTO域被抑制。当VFTO沿XLPE电缆通过时，可以更清楚地看到这种抑制。此外，图。8–17表明，在方案1、2和3中，VFTO域在断路器的一侧相当大，然后通过沿GIS路线进行压制，最后再次进行加固。

图4 GIS总线末端的不带铁氧体磁环的VFTO

• • 1. 实验测试；（b）参考[21] 与DADiSP;（c）本文提出的带有EMTP-RV的模型

图5使用铁氧体环的GIS总线末端的VFTO

（a）实验测试；（b）参考[21] 与DADiSP;（c）在本文中提出了带有EMTP-RV的模型

图6 Boushehr GIS（400/230 kV）的单线图

在方案4和5中，此过电压发生在断路器的两侧，并且由于沿GIS路径的极度扩展而上升。波在GIS路线中传播而没有

在所有这些情况下，分流器和/或断路器均会不断增加VFTO幅度，从而使电压域在TOFF11到AS1自动电压之间呈上升趋势。

表4切换方案确定

没有。 操作模式 判定

1. CB30关闭，CB32，CB31保持打开 CB32，CB31及其隔离开关DS7，DS6打开时，CB30关闭。在

在此模式下，TOFF10和TOFF11分支连接在一起。

1. CB12关闭，CB10，CB22，CB30保持打开 在这种情况下，目标是通过GTX2发生器和TOFF3馈线为TOFF11供电。

因此，CB10，CB22，DS9和CB30打开，而CB12关闭。

1. CB31关闭，CB10，CB21，CB30保持打开 DS2，DS5，CB30，CB21和CB10已打开。通过关闭CB31，AL02传输线

连接到TOFF10馈线。

1. CB11关闭，CB10，CB21，CB32保持打开 DS2，DS5，DS7，CB32和CB10已打开。通过关闭CB11，AL02传输线

连接到TOFF10和TOFF11馈线。

1. CB11关闭，CB10，CB20，CB32保持打开 DS1，DS7，CB32，CB20和CB10已打开。通过关闭CB21，GTX1发生器连接到

TOFF10和TOFF11馈线。

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