超高压GIS暂态壳体电压的仿真研究

2011
年
3月第47
卷第3期0引言
在表征超高压GIS 在暂态下的绝缘配合和系统
可靠性时，通常是以GIS 内部快速暂态过电压
(VFTO)的倍数作为指标[1-2]。

但实际上，当VFTO 沿着
母线传播到GIS 与高压套管的连接处时会有一部分电压波耦合到壳体与地之间，造成暂态壳体电压
(transient enclosure voltage ，TEV)升高[3-5]。

TEV 的最
高数值可达到上百千伏，而且还含有多种频率成分，如果不加以限制，很可能在套管对地绝缘的法兰与接地线间发生火花放电现象；暂态高电压还会危及站内工作人员的人身安全；同时，高频的电压波还会产生电磁辐射，干扰变电站的二次设备[6]。

电压等级越高，损害就越严重，电磁兼容问题就越突出[7-8]。

据
CIGRE 统计，每年变电站事故中由TEV 引起的占相
超高压GIS 暂态壳体电压的仿真研究
林
莘，
李
爽，
徐建源，
蔡
强
（沈阳工业大学电气学院，沈阳110870）
摘要：笔者结合中国某500kV GIS 变电站，根据多导体传输线理论和相模变换方法，建立了GIS 外壳暂态模型，并与GIS 内部暂态模型相结合，对隔离开关分合短母线情况下，在壳体上引起的暂态壳体电压（TEV ）进行了计算，得到了壳体各接地点的TEV 波形和频谱特性。

最后，研究了接地线的数量对TEV 的影响。

研究表明，TEV 具有陡度大、幅值高、频率成分多等特点，其最大值总是发生在操作相出线套管接地点的壳体上；在同一点增加接地线的数量可显著降低TEV 的峰值。

关键词：GIS ；暂态壳体电压；隔离开关；VFTO ；接地线；短接排中图分类号：TM86
文献标志码：A
文章编号：1001-1609（2011）03-0012-06
Simulation of Transient Enclosure Voltage in EHV GIS
LIN Xin ，LI Shuang ，XU Jian -yuan ，CAI Qiang
（Shenyang University of Technology ，Shenyang 110870，China ）
Abstract:By establishing inner and outer models of GIS in transient state based on the theory of
multi -conductor transmission lines and the phase -model transformation method ，the transient enclosure voltages （TEV ）on each earthing point of GIS were calculated for the disconnector ’s operations of closing/opening the short bus according to a 500kV GIS substation ．The waveforms and spectrums of TEV on each earthing point on the enclosure were obtained ．In addition ，the effect of the number of earthing lead on TEV was investigated.The results demonstrate that TEV has the characteristics of sharp steepness ，high amplitude ，and multiple frequency components ，and whose maximum value always appears on the earthing point of operation phase out -line bushing.Moreover ，adding earthing leads of the same point can decline the amplitude of TEV significantly.
Key words:GIS ；transient enclosure voltage ；disconnector ；VFTO ；earthing lead ；phase -to -phase bonding
收稿日期：2010-09-21；
修回日期：2010-12-29
基金项目：教育部高等学校科技创新工程重大项目培育资金项目(707018)；高等学校博士学科点专项科研基金项目
(20092102110001)；辽宁省教育厅优秀人才项目(2006R40)；辽宁省教育厅科学技术研究项目(2008T134)。

Project Supported by Cultivation Fond of the Key Scientific and Technical Innovation Project ，Ministry of Education of China (707018)，Ministry of Education Institution of Higher Learning Specialized Research Fund for the Doctoral Program (20092102110001)，Talented Project ，Liaoning Province Office of Education China (2006R40)，Science and Technical Research Project ，Liaoning Province Office of Education China(2008T134).
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研究与分析
第47卷第3期2011年3月Vol.47No.3
Mar.2011High Voltage Apparatus
12··
当大的比例[9]。

因此，有必要对超高压GIS 中壳体TEV 问题进行系统的理论研究，以提高GIS 运行的
可靠性。

笔者以中国某500kV GIS 变电站为研究背景，根据多导体传输线理论和相模变换方法，建立了
GIS 外壳暂态模型，并与GIS 内部暂态模型相结合，
对隔离开关不同操作方式下，在壳体上引起的暂态壳体电压(TEV)进行了计算，得到了壳体各接地点的
TEV 波形和频谱特性。

最后，研究了接地线的数量
对TEV 的影响。

1变电站等效模型及其参数
GIS 中由隔离开关操作所产生的VFTO 传播到
GIS 与套管的连接处时，会有一部分电压波耦合到GIS 壳体上，造成TEV 升高。

当三相壳体平行布置
时，由于GIS 三相壳体和架空线也属于多导体传输线，彼此间存在电磁耦合，以操作相A 为例，图1所示为GIS 与套管连接处的电路模型。

图1中：Z 1为母线对壳体波阻抗；Z 2为壳体对地波阻抗；Z 3为架空线对地波阻抗；Z 21和Z 22是三相壳体间的互波阻抗；Z 31和Z 33是三相架空线间的互波阻抗；L 为短接排的等效电感；L Aep 、L Bep 、L Cep 分别为三相壳体接地线的等效电感。

由图1可知，GIS 的外壳彼此间存在电磁耦合，建立模型时会很复杂。

由于壳体的水平布置，使得壳体波阻抗矩阵具有对称性，可通过相模变换将波阻抗矩阵由相量转化为模量，去掉彼此间的耦合，将三相化为单相。

1.1GIS 三相外壳暂态模型
由于GIS 三相壳体是全连式的，而且各相间存在电磁耦合，因此操作相上的TEV 会耦合到其他两相，使这两相壳体也会有一定的暂态电位升高。

图2所示为GIS 外壳的传输线模型，图2中Z 2为外壳的自波阻抗，Z 21和Z 22为彼此间的互波阻抗。

自波阻抗的计算公式为
Z =60ln 2h-r
r
(1)
式(1)中：h 为壳体对地高度；r 为壳体外半径。

互波阻抗的计算公式为
Z km =60ln D km
d km
(2)
式(2)中：D km 为m 相壳体的镜像壳体与k 相壳体间的距离；d km 为k 相壳体与m 相壳体间的距离。

根据电磁场理论[10]，假设壳体是无损的，则可列出如下的波动方程
坠2u 坠x 2=1ν2坠2u 坠t 2(3)坠2i 坠x 2=1ν2坠2i 坠t 2
(4)
式(3)、(4)中：ν=
1LC
姨，L 和C 分别为壳体间
的电感矩阵和电容矩阵。

解以上两个方程，并将其表示成贝杰龙模型表达式，得
I k (t )=-2Z u m (t )-I m (t -τ)
(5)I m (t )=-2Z
u k (t )-I k (t -τ)
(6)
式(5)、(6)中：k 表示节点k 1、k 2、k 3；m 表示节点m 1、
m 2、m 3。

Z 为壳体间的波阻抗矩阵。

由于是对称矩阵，
则Z -1也是对称矩阵。

所以可以实现对角化，将其化成对角阵形式，从而实现将相量转变为模量，去掉了相间的相互耦合，便于在电磁暂态程序下建模。

同理可得到架空线波阻抗矩阵的模量矩阵。

根据电磁场理论，相互垂直的壳体或在一条线上布置的壳体之间则没有耦合，不必对此进行等效。

对于壳体是垂直地面的，沿垂直导体传播的波不是平面波，而是球面波，根据电磁场理论，垂直导体波阻抗计算公式为
Z =60ln h r +90r h
－60
(7)
式(7)中：h 为壳体等效对地高度；r 为壳体外
半径。

1.2接地线模型
对于接地线的建模通常有3种方法[11]：一是等
m 1
k 3
m 2
m 3
k 2
k 1
图2
GIS 外壳传输线模型
Fig.2Transmission line model of GIS enclosure
i i
Fig.1Circuit model at the connection of GIS and bushing
研究与分析林莘，李爽，徐建源，等.超高压GIS 暂态壳体电压的仿真研究
13··
2011年3月第47卷第3
期
表1
GIS 各设备三相外壳对角化之后的波阻抗Tab.1
Wave impedance and wave velocity of enclosure
after phase -mode transformation
元件波阻抗/Ω
A 相
B 相
C 相断路器54.388.0187.7隔离开关71.4123.0429.6母线68.6124.0485.4出线段67.9116.5286.6进线段
71.4
123.0
429.6
效成对地集中电感；二是均匀传输线模型；三是分成多个均匀传输线的串联。

通过计算比较，3种模型对计算结果影响很小。

笔者采用第1种模型。

如果接地线的距离很近，彼此间有互感作用。

为方便建模，需将彼此间的互感耦合去掉，根据电路理论，A 相接地线的等效电感可表示为
L Aep =
L 2+LM 2-2M 12L-M 1
(8)
式(8)中：L 为接地线的自感；M 1为AB 相或BC 相接地线间的互感；M 2为AC 相接地线间的互感。

同理可得到B 相的等效电感为
L Bep =L 2
+LM 1-2M 1
2L-M 1
(9)
C 相接电线的等效电感同A 相。

对于导体间的
自感和互感公式在教科书中可以查到。

1.3短接排模型
设置短接排的目的是当GIS 稳态运行时，壳体
上所感应的环流沿着短接排所形成的磁场可以和母线上电流所形成的磁场相抵消，从而减少了温升和损耗，提高运行效率。

暂态情况下短接排等效为集中电感，计算公式为
L =μ0l 2π(ln 2l w+t
+0.5)
(10)
式（10）中：l 是短接排的长度；w 是短接排的宽度；t 为其厚度。

图3为中国某500kV GIS 变电站的电气主接线图，图4为其对应的GIS 布置图（俯视）。

其中
TM1-4为变压器，这4台变压器的容量均相同；Cab1-4为电缆与GIS 进线段的连接点；DS 为隔离
开关；CB 为断路器；VT 为电压互感器；LA 为避雷器；OUT1、OUT2为GIS 出线端；1M 和2M 为母线。

图3中的黑粗线为壳体短接排，同时在每一短接排处设置一条接地线。

根据前文的计算方法及系统的初始参数，经计算得到GIS 各设备三相外壳对角化之后的波阻抗见表1。

根据GIS 变电站内部与外部暂态波过程的传播特性，对于GIS 内部母线导体用分布参数的传输线模型来等效，其他一些元件设备由集中参数的等值电路表示。

该GIS 中部分电气元件的等效模型及其参数见表2[12]。

对于隔离开关，在闭合时等效为母线的一部分和对地电容(80pF)；在断开时等效成对地集中电容(40pF)；当其进行操作时会产生电弧，此时的电弧[13]可以用麦也尔电弧模型表示为时变电阻
R （t ）=R s +R 0e -t /T ，式中R s =0.5Ω，为电弧稳定燃烧时
的静态电阻，R 0=1012Ω为隔离开关在起弧前的电阻，T =1ns 为时间常数。

该工程采用的接地线规格为1-Cu 40mm ×5mm ，根据接地线的长度，计算得到接地线的等效电感在
1.64μH 左右。

短接排采用1-Al 60mm ×10mm ，经计算得到短接排的等效电感值为1.12μH 。

其他参
数来自合作单位的提供及本课题组的计算。

DS32
图3
500kV GIS 电气接线图
Fig.3Electrical main connection of 500kV GIS C B 33Cab4
OUT2
OUT1
6
Cab3
Cab2
Cab1
CB13
C B 21CB32
C B 22C B 23
C B 31
图4
500kV GIS 布置图（俯视）Fig.4
Layout of 500kV GIS
enclosures(overhead view)
C B 11C B 12
14··
表4
操作方式1下，TEV 的计算结果
Tab.4Calculated results of TEV in operation type 1
接地位置
TEV 的最大值/kV
A 相壳体
B 相壳体
C 相壳体
Cab110.798.57 6.43Cab29.18 3.80 3.23Cab3 5.70 3.59 2.60Cab4 1.36 6.098.85OUT187.410.797.27OUT2 4.41 3.24 3.80CB12
17.25
8.32
9.14
表3
隔离开关操作方式
Tab.3
Operation types of disconnector
操作方式
运行主变
出线编号
线路开关状态
操作开关
1TM1OUT1DS11、DS15、CB12断；DS13、DS41、DS46合DS142TM4OUT2DS31、DS35、CB32断；DS34、DS44、DS47合DS333TM1OUT2DS13、DS22、DS33、CB11断；DS11、DS31、DS32、DS41、DS47、CB31合
DS124TM2OUT1DS14、DS24、DS45、CB21断；DS15、DS16、DS25、DS42、DS46、CB13合
DS265TM3OUT2DS12、DS23、DS33、CB23断；DS21、DS31、DS32、DS43、DS47、CB31合
DS226
TM4
OUT1
DS14、DS26、DS34、CB33断；DS15、DS16、DS35、DS44、DS45、CB13合
DS36
2TEV 的计算与分析
2.1
初始条件
TEV 具有随机性，影响其因素也很多。

对于一
变电站来说，隔离开关的操作方式成为影响其重要因素之一。

因此，笔者重点研究隔离开关操作时的
TEV 特性。

其实，隔离开关的操作方式有多种，限于
篇幅，只考虑单机单出线情况下的几种典型的送电操作方式，旨在说明TEV 的特性。

表3给出了6种隔离开关的操作方式。

由于TEV 与隔离开关的操作有关，因此，母线上残余电荷量的大小对TEV 的计算结果影响很大。

表2变电站各电器元件等效模型
Tab.2Equvalent models of each appliance in GIS
关键设备等效模型
模型参数主变集中电感和入口电容
L =20mH ，C =5000pF
避雷器对地电容：C =19pF 电压互感器
对地电容：C =240pF SF 6套管
对地电容：C =500pF 断路器（分）断口间电容：C =300pF 断路器（合）母线的一部分和对地电容：
Z =60Ω，C =300pF 空载母线
Z =60Ω，波速v =0.297m/ns 电缆
传输线
Z =37Ω，波速v =0.2m/ns
通常令操作相开关操作时的带电侧电压为449kV
(1p.u.)，另一侧电压为-449kV(-1p.u.)[13-14](为分析方便，令未操作相母线上的残余电荷量为0)。

因为
这样考虑时是断口间击穿最严重的情况，由暂态电压波造成的TEV 也是比较严重的情况。

2.2计算结果与分析
笔者假设A 相的隔离开关在发生重击穿时作
为时间零点进行计算，取时间步长为1ns ，总计算时间为1000ns 。

利用EMTP 电磁暂态程序，根据表2的操作方式，计算得到在GIS 进线处壳体(Cab)、出线套管(OUT)、断路器（CB)壳体接地点TEV 最大值分别见表4-9。

图5所示为操作方式6下，出线套管
OUT1(A 相)母线上的VFTO ，图6给出了在该方式下，出线套管OUT1(A 相)接地点TEV 的波形及其对应的频谱分布。

图7为图5中TEV 波形起始阶段放
大图。

可以看出，在这6种操作方式下，TEV 的最大
值都发生在操作相出线套管接地处的壳体上，因为
VFTO 是在该处耦合到外部去的。

在壳体其他处的TEV 数值要比出线套管处的低。

在这6种操作方式下，方式3-6下TEV 的最大值都超过了100kV 。

其中，方式3与方式5的TEV 值具有相似性，方式4与方式6的TEV 值也具有相
研究与分析林莘，李爽，徐建源，等.超高压GIS 暂态壳体电压的仿真研究
15··
2011年3月第47卷第3
期
表5
操作方式2下，TEV 的计算结果Tab.5Calculated results of TEV in operation type 2
接地位置TEV 的最大值/kV
A 相壳体
B 相壳体
C 相壳体
Cab1 1.49 3.35 6.37Cab2 5.14 4.81 4.91Cab3 6.998.2012.70Cab419.3010.929.11OUT1 3.56 1.99 2.38OUT267.3522.0217.76CB32
26.15
14.05
13.30
表7
操作方式4下，TEV 的计算结果
Tab.7Calculated results of TEV in operation type 4
接地位置
TEV 的最大值/kV
A 相壳体
B 相壳体
C 相壳体Cab1 4.4112.2119.79Cab217.6610.81 6.56Cab38.457.0810.5Cab47.689.159.15OUT1101.3818.222.48OUT28.767.598.70CB21
7.77
5.18
6.08
表6
操作方式3下，TEV 的计算结果
Tab.6Calculated results of TEV in operation type 3
接地位置
TEV 的最大值/kV
A 相壳体
B 相壳体
C 相壳体
Cab147.5240.5840.34Cab222.0019.5417.62Cab317.7916.1424.64Cab4 2.338.6011.58OUT18.51 3.827.00OUT2101.9245.6351.24CB13
6.83
3.40
7.44
表8
操作方式5下，TEV 的计算结果
Tab.8Calculated results of TEV in operation type 5
接地位置
TEV 的最大值/kV
A 相壳体
B 相壳体
C 相壳体
Cab1 2.467.3310.70
Cab220.2715.5017.17Cab341.5040.3430.03Cab441.5040.3430.03OUT1 6.68 3.69 6.73OUT2101.940.2643.79CB23
11.00
9.20
9.80
表9操作方式6下，TEV 的计算结果
Tab.9Calculated results of TEV in operation type 6
接地位置
TEV 的最大值/kV
A 相壳体
B 相壳体
C 相壳体
Cab1 4.00 5.877.86Cab2 4.5412.217.02Cab317.26 6.818.10Cab419.0418.5218.36OUT1101.418.0220.84OUT28.34 5.438.16CB31
8.36
5.63
7.04
图5
方式6下，出线套管OUT1（A 相）母线上VFTO 波形
Fig.5VFTO waveform on point of outlet line bushing OUT1(phase A)in operation type 6图6
方式6下，出线套管OUT1（A 相）接地点的
TEV 波形及其频谱分布
Fig.6TEV waveform with its spectrum on grounding point of outlet line bushing OUT1(phase A)
in operation type
6
0.2
0.4
0.60.8 1.0
t /μs
V F T O /k V
200
60-80-220-360-500
00.2
0.40.60.8 1.0
0.2
0.40.60.8
1.0
t /μs
t /μs
100500-50-100-150
T E V /k V
T E V /k V
0.50.40.30.20.1图7图5中TEV 波形起始阶段放大图
Fig.7The inlarged figure at original stage of TEV in figure 5
306090
t /n s
20-8-36-64-92-120
T E V /k V
16··
似性。

这是因为它们在布置上具有相似性，只是所经过的母线长度不一样。

方式6下，如图6、7，出线套管OUT1(A 相)接地点TEV 的上升率达到45.3MV/μs 。

可见，TEV 的陡度很大。

根据频谱特性可看出，TEV 的频率主要分布在
24MHz 以内，包含有几MHz 的基本振荡频率和10MHz 左右、几十MHz 的快速振荡频率。

TEV 的上升时间和持续时间都很短，属于短时
能量释放现象。

但其较高的峰值、频率和陡度是考虑电力系统电磁兼容和绝缘配合所不能忽视的。

3接地线的数量对TEV 的影响
图8给出了方式1下，出线套管OUT1(A 相)接
地点TEV 峰值与该点接地线的数量间的关系。

从图
8中可知，增加接地线的数量可显著降低该点的TEV 峰值。

这是因为增加接地线的数量使该点的等
效感抗变小，理论计算可知[14]，当波头很陡的电压波遇到并联电感时，其陡度将被削弱，等效电感越小，削弱的就越严重。

另外，两条以上接地线还要考虑彼此间的互感。

因此，要降低TEV 的峰值，增加接地线的数量是一种有效的措施。

可见，接地线对TEV 的影响很大，对于投入运行前的GIS 来说，要想降低
TEV 的峰值，接地线的合理配置就显得尤为重要。

4结论
笔者对中国某500kV GIS 变电站在隔离开关
不同的操作方式下引起的暂态壳体电压(TEV)进行了计算，并得到以下结论：
1)当GIS 中的隔离开关操作时，会造成暂态壳
体电压(TEV)升高。

TEV 的最大值发生在操作相出线套管接地点的壳体上，在壳体其他部位TEV 的幅值要比套管处的低。

套管处的接地很重要，因为该处
TEV 峰值关系着壳体其他位置TEV 峰值的大小。

2)TEV 具有陡度高、持续时间短、频率成分多等
特性。

3)接地线对TEV 的峰值具有削弱作用，在同一点增加接地线的数量可显著降低该处的TEV 峰值。

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图8
出线套管OUT1(A 相)接地点TEV 峰值与
该点接地线数量的关系
Fig.8Relationship between amplitude of TEV and the number of earthing lead on the grounding point of
outlet line bushing OUT1(phase
A)
1
2
3
4
5
908070605040T E V 峰值/k V
接地线数/条
(下转第25页)
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林莘(1961—)，女，教授、博士生导师，从事高电压与绝缘技术、高压电器、智能化电器等方面的教学和科研工作。

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研究与分析邓鸿岳，刘家齐，司文荣，等.交流局部放电宽带检测与分析仪的研制
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