Research on Modeling and Simulation of Transient Ground Potential Rise Caused by GIS Disconnector Action

在智能坚强电网的大力发展下，GIS因占地面积小、运行可靠性和装备智能化程度高的优点，被广泛应用在对输电线路的控制、切换、测量中。目前我国新建设并投入使用的变电站普遍采用GIS设备^［1］，但是隔离开关操作导致的VFTO通过GIS管道内部电气传导造成设备暂态电位（电流）升高，以及通过对邻近空间的电磁感应产生辐射电磁场，会造成严重的电磁干扰问题^［2］。在全球范围内，有半数以上的变电站曾经由于TGPR现象引起事故，高频的事故造成了巨大的损失^［3］。

GIS系统内部复杂，VFTO信号随机性强，理论研究只能给出其发展规律，而仿真研究受到误差等影响，均不能完全代替实验。实验可为理论研究提供支撑，同时可校验仿真计算的正确性，是必不可少的一环。文献［4］调节开关分合闸速度的252 kV GIS隔离开关VFTO的试验平台，通过测量开关端口两端电压、电弧电流，调整开关分断速度，研究隔离开关的击穿特性、熄弧机制对VFTO的影响以及二次侧设备的抗扰度。文献［5-8］研究了超高压GIS的TGPR仿真计算方法，探讨了超高压GIS中TGPR的特性。文献［9-13］则探讨了对于特高压TGPR现象的抑制措施研究。综上所述，国内外对于TGPR的研究理论及仿真中，均不能很好的解决地TGPR带来的影响，在实际操作过程中存在各种问题，因此迫切需要开展该方向的研究工作。

本文以研究GIS隔离开关动作产生的VFTO为出发点，重点对传导干扰产生的特快速暂态过电压和暂态地电位升进行分析计算，采取了理论仿真结合实验的技术路线。

从广义的电磁兼容三要素（电磁骚扰源、耦合途径、敏感设备）出发，电磁骚扰源VFTO、传导干扰和辐射干扰、电子式互感器等敏感设备构成了隔离开关动作引起的电磁兼容问题中的三个要素。

GIS中隔离开关动作属于常规操作，主要起到隔离电源、改变运行方式进行倒闸操作、接通和切断小电流电路的作用。

由于动触头的移动速度较慢，约为（1±0.2）m/s，因此隔离开关动作时触头间隙介质会发生反复击穿引发数十次甚至上百次的电弧重燃现象。每一次击穿导致的电弧重燃均会使触头间的过电压波在几个纳秒内瞬间跌落，产生的电压陡波在GIS管母线和设备上传播并来回折反射形成幅值、频率很高的特快速暂态过电压，对GIS设备造成电磁干扰。

实际情况下，VFTO骚扰源信号是经过上百次的电弧重燃形成的，因此整个暂态过程为很多个单次燃弧过程的信号叠加，持续时间在毫秒级。实验表明暂态过程不仅发生在隔离开关内部，过电压信号也同时通过传导干扰和辐射干扰对系统的设备等造成电磁干扰，因此需要对VFTO信号的电磁干扰耦合途径进行分析。

本文提出构建一个新的分段电弧模型，其中预击穿过程用指数时变电阻模型表示，燃弧和熄弧过程分别用Cassie电弧模型和Mayr电弧模型表示。

实际情况下电弧会经历多次的重燃，因此需要在单次电弧模型的基础上进一步建立电弧的全时段仿真模型，从而得到全时段的VFTO仿真信号。由文献［9］可知，SF₆介质恢复强度随触头间距l变化的试验数据，得到Ub与l的近似函数关系：

式中Ub单位为V，l单位为m。假设动触头移动速度为v（单位m/s），以隔离开关分闸操作为例有l=vt，上式可进一步改写为：

当动触头移动速度以加速度a增大时，根据v=at，上式变为：

因此重燃判据可设定为通过式（2）计算得到t时刻的介质恢复强度Ub，再与同时刻触头两端的电压差ΔU进行比较，当满足Ub>ΔU时，则认为电弧重燃。过程如图1所示。

Figure 1.  The logic judgment flow chart of the arc full-time model

参考实际的GIS系统设备结构，搭建隔离开关动作产生VFTO的GIS电磁骚扰源系统模型。GIS电磁骚扰源系统模型等效图如图2所示。

Figure 2.  Equivalent circuit diagram of system model

图中L、C₁分别为变压器等效电感和电容，C₂为变压器到隔离开关段套管的等效电容，C₃、C₄为隔离开关两侧盆式绝缘子的等效对地电容，C₅表示负载侧元件的等效电容；L_ECT为电子式电流互感器的等效电感，C_EVT为电子式电压互感器的等效电容。l₁、l₂、l₃分别表示靠近母线和电缆出线的长度；隔离开关整体用电弧模型代替。

参考系统模型的等效图在ATP-EMTP软件中搭建某电压等级下VFTO电磁骚扰源系统仿真模型如下图3所示，其中V₁~V₇为该节点处电压测点。

Figure 3.  The system simulation model built in ATP-EMTP software

在ATP-EMTP软件中使用优化设计后的模拟隔离开关动作产生VFTO的GIS电磁骚扰源系统模型进行仿真，得到与实际测量相符的VFTO全时段仿真波形。互感器端（V₅处）过电压在不同负载及动触头速度下的波形波形如图4所示。

Figure 4.  Signal of overvoltage and overcurrent at voltage transformer under different loads and moving contact speed

由图4可知，隔离开关动作产生的VFTO会造成互感器对地电位以及流过的电流大幅抬升，在负载电容空载，动触头速度以2 m/s²增加时，所产生的VFTO最大。

定义VFTO信号的波形陡度为D，电弧被瞬间击穿时的电压差为ΔUc，穿时间为Δtc，表示电弧被击穿的瞬间电压下降的剧烈程度，满足式（4），分析如图5所示。

Figure 5.  Single arcing waveform at maximum overvoltage

上图中的最大过电压发生在最后一次燃弧处，记波形陡度为D₁，计算得到D₁=2.54 MV/μs。同理计算最后十次燃弧的波头陡度D，计算结果如下表1所示。

从表1数据可以发现，VFTO信号的波头陡度达到了MV/μs级，其中燃弧过程中D最大为2.67 MV/μs。总体上随着弧隙暂态过程的进行，VFTO信号的波头陡度表现为逐渐增大的趋势。说明尽管最大过电压只出现在最后一次燃弧过程，但在前续的燃弧过程中波头陡度已经达到了很大的数值，整个VFTO的暂态过程中互感器都会受到反复的冲击电压的作用，对设备工作造成影响。

GIS分合隔离开关时产生的暂态接地电位升（TGPR）通常表现为GIS外壳的电位在短时间内迅速上升，电压幅值范围10~100 kV左右。研究表明，GIS中TGPR引起的事故占50%以上，造成设备故障且对检修人员带来人身伤害。TGPR产生的原因如下：一是GIS内介质击穿造成的，击穿SF₆气体使电压极速升高，引起高频振荡；二是由于母线对地击穿造成的；三是外部电容器放电引起的；四是由于在高频下，GIS外壳连接处反射的行波造成的。

隔离开关在分合时的充放电时间极短，因此TGPR常使母接线电流突降。同时受到外接地导线的影响，以及线路终端和内部的电感、电容的存在，常使输出电流波形产生振荡。震荡幅度在很大程度上决定于母线的几何尺寸。线路终端处和内部的电感、电容的存在，常使波形产生振动。震荡幅度也在较大程度上决定着母线的几何宽度。而由于集肤效应，电流被迫沿导线表面通过，因此需要将GIS机壳的内表面看成一个特殊的电压通路。但许多接地连接线由于其外部结构的原因，从而需要把GIS机壳的内部表面视为一条特定的电流路线。而许多接地连接线因为其外壳构造的因素，其有效连接电流往往呈现极为强感性，这也造成了在GIS机壳上形成了非常高的暂态电流。

GIS的TGPR主要有以下一些危害：

1）对变电站工作人员的生命安全造成危害。科学研究已经证实，典型的变电站布置的电击强度已超过了目前由生物医学知识所确定的人类身体所能允许的极限值。

2）暂态高压会击穿二次设备线路。

3）GIS外壳上电压的急速增加，可能引起对GIS的电气击穿。

GIS内部暂态过电压在壳体断口处传递到筒体外壳，外壳接地，暂态波在接地处进行折反射；其次暂态波U₀进入地线到达参考零点产生负反射，行波到外壳接地点会限制行波幅值上升。外壳波阻抗Z₁与地线波阻抗Z₃并联分流，降低了外壳接地线处暂态波的幅值，幅值降低系数为2Z₃/Z₁+Z₂，Z₂与接地引线长度成正比。TGPR原理图如图6所示：

Figure 6.  Schematic diagram of bus structure

图6中：U₀为VFTO激励源，Z₁为母线对外壳的波阻抗，Z₂为套管外侧架空线路的波阻抗，Z₃为母线外壳对地的波阻抗。

式中：

R₁——母线半径（m）；

R₂——壳体内半径（m）；

h——壳体距地高度（m）；

R₃——壳体外半径（m）；

r——架空线半径（m）；

h₁——架空线距地高度（m）。

根据Dick等人提出的传输线模型^［18］得到模拟计算的等效电路，如图7所示。

Figure 7.  GIS shell potential calculation model

将开关操作时得到的VFTO赋值引入到GIS暂态地电位升的仿真模型中E₀作为激励源，根据变电站线路模型搭建暂态地电位升的模型，模型如图8所示，图中F元件将VFTO模型中V₆节点的电压幅值引入暂态地电位升的模型中作为激励源，如图9所示。R₁（350 Ω）为架空线对地波阻抗，Z为外壳对地波阻抗，接地线用电感L（1.5 μH）等效。结点3、4间电容C（20 pF）和电阻R（1 Ω）为绝缘法兰高频暂态模型。

Figure 8.  TGPR simulation model for isolator switch

Figure 9.  VFTO when disconnector is opened

根据以上模型，仿真得到某电压等级下变电站1号位置隔离开关分闸时GIS地电位升的幅值如图10所示。由图10可以看出，隔离开关分闸时暂态地电位升最大幅值约为-765 V，脉冲持续时间约为46.03 ms。

Figure 10.  TGPR amplitude of disconnecting switch

变电站隔离开关分闸时仿真数据，通过仿真的数据波形分析得到了分闸时隔离开关的地电位升幅值、脉冲持续时间。具体数据如表2所示：

将ATP-EMTP仿真结果与实验数据^［20-21］对比，验证仿真模型的正确性，对比如表3所示：

从表3中可知，ATP-EMTP下对TGPR的误差最大值为3.77%，误差在允许范围之内，验证了模型的正确性。

本文对GIS隔离开关动作引起的电磁骚扰特性进行分析，包括隔离开关动作产生VFTO的机理及特性、和暂态地电位升的理论进行了分析并通过仿真及现场试验得到了验证，主要结论如下：

1）提出并仿真新电弧模型下VFTO信号的过电压幅值、频率分布都与实际试验相符合，相比定值电阻、时变电阻模型接近实际试验，能够提高仿真VFTO信号的准确度。

2）搭建了某电压等级下动触头移动速度、负载侧等效电容负载大小对VFTO电磁骚扰源系统仿真模型。得出在动触头以2 m/s²的加速度做分合闸运动且负载侧空载的情况下，VFTO信号最为强烈，其中过电压幅值达到了387 kV，过电流幅值达到了1 913 A。电压信号波头陡度最大值为2.67 MV/μs，整体达到了1 MV/μs级，分析结果表明通过VFTO电磁骚扰源系统模型仿真得到的VFTO信号强度强烈。

3）采用传输线模型理论，结合ATP-EMTP软件对VFTO产生的TGPR进行仿真计算。仿真模型中测点处的TGPR幅值范围为582~762 V，与文献中试验测量数据（暂态地电位升600~800 V）基本相符，验证了仿真计算的正确性。