抑制VFTO的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定方法及系统

抑制vfto的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定方法及系统
技术领域
1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及抑制vfto的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定方法及系统。


背景技术：

2.快速暂态过电压(简称vfto)由于上升沿时间短为1～5ns、幅值最高为2.5p.u.，陡度大，主振荡频率高为1～10mhz以及连续脉冲次数多等特点对gis(气体绝缘变电站)一次侧设备绝缘耐受造成了严重的损害。由于vfto的试验研究开展存在难度，通过电磁暂态仿真软件对vfto进行仿真建模成为研究vfto最简洁、直接、有效的途径和手段。gis设备在vfto下的模型构建取决于设备的设计结构和自身电磁特性，当研究gis一次侧设备的vfto波形特征和绝缘配合情况时，vfto对二次侧屏蔽电缆的骚扰以及暂态地电位抬升的影响可忽略。
3.铁氧体磁环具有非线性磁性特性和高频损耗特性，可用于抑制抽水蓄能电站gis中隔离开关操作所产生的vfto。由于vfto波形特征随gis设备参数的变化而有所差异，利用铁氧体磁环防护vfto的方法不具有普遍性，大大增加了利用铁氧体磁环防护vfto这一方法的难度，导致利用铁氧体磁环防护vfto的成本高、可靠性和有效性差。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种抑制vfto的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定方法及系统，能够有效并可靠地防护vfto，大大节省了防护成本，提高了防护的可靠性和有效性。
5.为了解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案予以实现：
6.一种抑制vfto的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定方法，包括：
7.步骤1、建立除铁氧体磁环外所有一次侧设备及网络在vfto下的gis等效电路模型；
8.步骤2、在gis等效电路模型中对gis实际运行工况进行仿真计算，在计算结果中提取各设备节点的vfto波形表征参量，所述vfto波形表征参量用于判断vfto的抑制效果；
9.步骤3、根据gis实际运行工况的仿真计算结果，确定gis出现最严重vfto的工况；
10.步骤4、基于gis出现最严重vfto的工况所对应的仿真计算结果，对gis遭受最严重vfto的设备配置不同数量的铁氧体磁环进行仿真计算，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环配置数量；
11.步骤5、基于所确定的最优的铁氧体磁环配置数量，对gis遭受最严重vfto的设备加装相同数量但结构尺寸不同的铁氧体磁环进行仿真计算，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环结构尺寸；
12.步骤6、基于所确定的最优的铁氧体磁环的配置数量与结构尺寸，对gis遭受最严重vfto的设备加装相同数量与相同结构尺寸但材料不同的铁氧体磁环进行仿真计算，确定
出抑制效果最优的铁氧体磁环材料；
13.步骤7、基于所确定的最优的铁氧体磁环的配置数量、结构尺寸和材料，分别计算研究铁氧体磁环加装在gis不同位置的设备上时对vfto的抑制效果，获得该gis铁氧体磁环的局部最优配置设计，从而实现对vfto的有效抑制。
14.进一步地，所述步骤1中，所述等效电路模型利用emtp-rv电磁暂态仿真软件建立，所述等效电路模型包括母线、变压器、套管、高压电缆、隔离开关、断路器、电压互感器、金属氧化物避雷器以及电弧模型。
15.进一步地，母线模型采用emtp-rv中fdq模块中的频率响应无损传输线模型；变压器模型采用考虑传递过电压的模型；套管模型采用无损传输线和架空端对地电容模型；高压电缆模型采用fdq模块中的频率响应的cable模型；断路器和隔离开关模型闭合时采用无损传输线进行等效模拟，断开时采用集中对地电容和断口电容进行模拟；电压互感器模型采用集中电容模型；金属氧化物避雷器模型采用考虑陡波头响应的非线性电阻/电容模型；电弧模型采用双指数电弧电阻模型。
16.进一步地，所述步骤2中，所述vfto波形表征参量包括各个实际工况下的各设备节点处的最大电压幅值、过冲系数、最大电压陡度、最大陡度时刻和主振荡频率。
17.进一步地，所述步骤3中，所述确定gis出现最严重vfto的工况的方法为：根据多种实际工况下各设备节点的vfto波形表征参量，确定其中产生vfto幅值最高的工况为最严重工况，vfto幅值最大的节点设备为遭受vfto最严重的设备。
18.进一步地，所述步骤4中，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环配置数量，具体包括：
19.用考虑涡流的梯形网络模型对单个铁氧体磁环进行等效，在gis遭受最严重vfto的设备处，从数量1开始仿真研究加装不同数量铁氧体磁环时对设备各节点vfto幅值与陡度的抑制效果，获得抑制效果好且单个磁环抑制效果未明显下降时对应的铁氧体磁环数量为最佳配置数量。
20.进一步地，所述步骤5中，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环结构尺寸，具体包括：
21.在gis遭受最严重vfto的设备处加装铁氧体磁环，保持铁氧体磁环内径、外径恒定，修改磁环轴向长度，并对应改变emtp-rv电磁暂态仿真软件中铁氧体磁环考虑涡流的梯形网络模型参数，仿真计算不同轴向长度铁氧体磁环，对各设备节点vfto幅值与陡度的抑制效果，以单位长度铁氧体磁环抑制效果最佳的铁氧体磁环对应的长度为最佳轴向长度；
22.在gis遭受最严重vfto的设备处加装铁氧体磁环，保持铁氧体磁环内径、轴向长度恒定，改变磁环外经，并对应修改emtp-rv电磁暂态仿真软件中铁氧体磁环考虑涡流的梯形网络模型参数，仿真计算不同外径铁氧体磁环对各设备节点vfto幅值与陡度的抑制效果，以内外径之比不超过0.7且单位长度外径铁氧体磁环抑制效果最佳对应的外径为最佳外径。
23.进一步地，所述步骤6中，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环材料，具体包括：
24.选取用于抑制vfto的铁氧体磁环的掺杂材料时，选取掺杂使铁氧体磁环高频下磁导率升高的元素及氧化物的铁氧体材料；
25.在gis遭受最严重vfto的设备处加装铁氧体磁环，保持铁氧体磁环最优配置数量、尺寸、磁导率，改变铁氧体磁环电阻率，并对应修改emtp-rv电磁暂态仿真软件中铁氧体磁环考虑涡流的梯形网络模型参数，仿真计算不同铁氧体磁环电阻率下对应的磁环首段vfto
陡度，选取陡度增量最小对应的电阻率为最佳磁环电阻率；根据确定的磁导率与电阻率确定所选用的最佳铁氧体磁环材料。
26.进一步地，所述步骤7中，所述基于所确定的最优的铁氧体磁环的配置数量、结构尺寸和材料，分别计算研究铁氧体磁环加装在gis不同位置的设备上时对vfto的抑制效果，具体如下：
27.在gis不同关键设备处加装确定的最优的铁氧体磁环的配置数量、结构尺寸和材料，并修改在emtp-rv电磁暂态仿真软件中铁氧体磁环考虑涡流的梯形网络模型中的对应参数，仿真计算各设备节点处的vfto幅值和陡度，选取抑制vfto效果最佳的位置，获得该gis站铁氧体磁环的局部最优配置设计。
28.一种抑制vfto的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定系统，包括：
29.gis等效电路模型建立模块，用于建立除铁氧体磁环外所有一次侧设备及网络在vfto下的gis等效电路模型；
30.计算模块，用于在gis等效电路模型中对gis实际运行工况进行仿真计算，在计算结果中提取各设备节点的vfto波形表征参量，所述vfto波形表征参量用于判断vfto的抑制效果；
31.工况确定模块，用于根据gis实际运行工况的仿真计算结果，确定gis出现最严重vfto的工况；
32.铁氧体磁环配置数量确定模块，用于基于gis出现最严重vfto的工况所对应的仿真计算结果，对gis遭受最严重vfto的设备配置不同数量的铁氧体磁环进行仿真计算，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环配置数量；
33.铁氧体磁环结构尺寸确定模块，用于基于所确定的最优的铁氧体磁环配置数量，对gis遭受最严重vfto的设备加装相同数量但结构尺寸不同的铁氧体磁环进行仿真计算，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环结构尺寸；
34.铁氧体磁环材料确定模块，用于基于所确定的最优的铁氧体磁环的配置数量与结构尺寸，对gis遭受最严重vfto的设备加装相同数量与相同结构尺寸但材料不同的铁氧体磁环进行仿真计算，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环材料；
35.局部最优配置确定模块，用于基于所确定的最优的铁氧体磁环的配置数量、结构尺寸和材料，分别计算研究铁氧体磁环加装在gis不同位置的设备上时对vfto的抑制效果，获得该gis铁氧体磁环的局部最优配置设计。
36.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提出的一种抑制vfto的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定方法，在gis加装铁氧体磁环之前，根据其实际工程情况，通过电磁暂态软件对gis各种工况进行仿真计算，基于仿真结果，依次修改铁氧体磁环的配置数量、结构尺寸、材料并进行仿真计算；根据仿真计算结果，调整对应的铁氧体磁环配置数量、结构尺寸、材料，确定各个对应参数的局部最优值，调整铁氧体磁环安装位置并进行仿真计算，得到适用于该电站的铁氧体磁环局部最优配置设计方案。本发明能够有效准确地分析出针对给定电站的抑制vfto的铁氧体磁环配置，大大节省了防护成本，提高了防护的可靠性和有效性。
37.为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
38.为了更清楚地说明本发明具体实施方式中的技术方案，下面将对具体实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
39.图1为本发明一种抑制vfto的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定方法的流程图；
40.图2为本发明gis拓扑结构图；
41.图3为本发明考虑传递过电压的变压器模型图；
42.图4为本发明高压电缆的结构图；
43.图5为实施例中不同磁环数量下单个磁环对各节点vfto幅值的抑制效果；
44.图6为实施例中不同磁环数量下单个磁环对各节点vfto陡度的抑制效果；
45.图7为实施例中轴向单位长度磁环对节点vfto幅值抑制效果；
46.图8为实施例中轴向单位长度磁环对节点vfto陡度抑制效果；
47.图9为实施例中径向单位长度磁环对幅值的抑制效果；
48.图10为实施例中径向单位长度磁环对陡度的抑制效果；
49.图11为实施例中各节点的vfto幅值；
50.图12为实施例中流过gis导电杆vftc随磁环电阻率的变化；
51.图13为实施例中抽水蓄能站500kv gis的各位置示意图；
52.图14为实施例中加装铁氧体磁环后对各节点vfto和流过导电杆vftc幅值的影响。
具体实施方式
53.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
54.参考图1，本发明为一种抑制vfto的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定方法，包括：
55.步骤1，建立气体绝缘变电站(以下简称gis)除铁氧体磁环外所有一次侧设备及网络在vfto下的gis等效电路模型。
56.本发明等效电路模型可利用emtp-rv电磁暂态仿真软件建立，包括母线、变压器、套管、高压电缆、隔离开关、断路器、电压互感器、金属氧化物避雷器以及电弧，其中，母线采用emtp-rv中fdq模块中的频率响应无损传输线模型，变压器采用考虑传递过电压的模型，套管采用无损传输线和架空端对地电容进行表示，高压电缆采用fdq模块中的频率响应的cable模型，断路器和隔离开关闭合时采用无损传输线进行等效模拟，断路器和隔离开关断开时采用集中对地电容和断口电容进行表示，电压互感器采用集中电容模型，金属氧化物避雷器采用考虑陡波头响应的电阻模型，电弧采用双指数电弧电阻模型进行模拟。
57.示例性的，在emtp-rv软件中建立如图2所示的gis一次侧设备布置图，该gis的电压等级为500kv。母线的波阻抗为67.233ω、波速为2.947e8m/s，单位长度电阻为9.19μω/
m，水电站所用电力变压器型号为ssp-480000/500、额定电压为(520/
±2×
2.5％)/18kv，额定容量为480/480mva，联接组标号为ynd11，高压侧电感为0.1217mh，高压端电阻为0.5023ω，高压对地电容为8.86nf，绕组间电容7.02nf，低压侧电感0.00021mh，低压侧电阻0.0008ω，低压对地电容22.38nf。变压器采用的考虑传递过电压的模型如图3所示，电磁式电压互感器pt对地电容、电容式电压互感器cvt对地电容依据出厂试验报告分别取为200pf和5048pf。依据出厂试验报告，油气套管和空气套管的对地电容为330pf和200pf。断路器在合闸状态时用有损传输线模型进行等效，其中波阻抗为61.5ω，波速为2.9e8m/s，长度为2.52m，损耗为9.19e-6ω/m。两端断口对地电容为20pf，断口中间对地电容为190pf，断口电容以及均压电容等效为600pf。隔离开关断口电容为15pf，对地电容为25pf。高压电缆模型如图4所示，包括铜芯1、导体屏蔽2层、绝缘层3、绝缘屏蔽层4、缓冲层5、金属套6和外护套7。
58.步骤2，在gis几种典型实际运行工况下进行仿真计算，在计算结果中提取各关键节点的vfto波形表征参量；
59.分别提取隔离开关负载侧、电源侧两处的最大电压幅值、过冲系数、最大电压陡度、最大陡度时刻和主振荡频率作为vfto波形表征参量。
60.步骤3，根据gis几种典型工况下的仿真计算结果，确定出现最严重的vfto工况；
61.根据仿真计算结果，将所有关键节点中可能产生vfto幅值最大的工况规定为gis最严重的vfto工况。
62.步骤4，基于gis出现最严重vfto工况下的仿真计算结果，对电站遭受最严重vfto的设备配置不同的铁氧体磁环进行仿真计算，确定抑制效果最优的铁氧体磁环配置数量；
63.其中，确定抑制效果最优得铁氧体磁环配置数量方法为：
64.用考虑涡流的梯形网络模型对单个铁氧体磁环进行等效，在gis遭受最严重vfto的设备处，从数量1开始仿真研究加装不同数量铁氧体磁环时对设备各节点vfto幅值与陡度的抑制效果，获得抑制效果最佳时对应的铁氧体磁环数量为最佳配置数量。
65.示例性的，以给定gis单条出线单台变压器运行工况为例，考虑最严酷相位下离源侧最近的隔离开关合闸操作，在隔离开关源侧附近的gis导电杆上分别加装1、5、10、20、50个尺寸为外径φ204mm、内径φ184mm、厚度35mm，电阻率为3ω
·
cm，具有相同磁导率特性的铁氧体磁环，通过电磁暂态仿真软件emtp-rv仿真得到各个节点的vfto幅值随磁环数量的变化规律如表1所示。不同磁环数量下单个磁环对各节点vfto幅值和陡度的抑制效果如图5、图6所示，抑制效果好且单个磁环抑制效果未明显下降时的磁环数量，即10为局部最优的磁环数量。
66.表1
67.n/个015102050u
max-dsl
/p.u.1.8081.7631.7581.6891.5841.505u
max-dss
/p.u.1.8341.7921.7071.6461.5371.513u
max-frh
/p.u.1.7661.7491.8191.7891.7411.608u
max-pt
/p.u.1.6981.6741.6381.5351.3881.181u
max-tr
/p.u.1.1391.1341.1211.1111.1011.096vftc/ka8.928.607.466.505.413.45
68.步骤5，基于所确定的最优的铁氧体磁环配置数量，对gis遭受最严重vfto的设备
加装相同数量但结构不同的铁氧体磁环进行仿真计算，确定抑制效果最优的铁氧体磁环结构尺寸；
69.在gis遭受最严重vfto的设备处加装铁氧体磁环，保持铁氧体磁环内径、外径恒定，修改磁环轴向长度，并对应改变emtp-rv电磁暂态仿真软件中铁氧体磁环考虑涡流的梯形网络模型参数，仿真计算不同轴向长度铁氧体磁环，对各设备节点vfto幅值与陡度的抑制效果，以单位长度铁氧体磁环抑制效果最佳的铁氧体磁环对应的长度为最佳轴向长度。
70.示例性的，将10个尺寸为外径φ204mm、内径φ184mm、电阻率为3ω
·
cm、具有相同磁特性的磁环加装在隔离开关源侧附近的导电杆上，磁环轴向长度分别从25mm逐渐增加至75mm时，仿真得到各节点vfto幅值随磁环轴向长度的变化规律，如表2所示，轴向单位长度磁环对节点vfto幅值和陡度抑制效果如图7、图8所示，选取单位长度铁氧体磁环抑制效果最佳的铁氧体磁环对应的长度，即4.5mm为最佳轴向长度。
71.表2
[0072][0073][0074]
在gis遭受最严重vfto的设备处加装铁氧体磁环，保持铁氧体磁环内径、轴向长度恒定，改变磁环外经，并对应修改emtp-rv电磁暂态仿真软件中铁氧体磁环考虑涡流的梯形网络模型参数，仿真计算不同外径铁氧体磁环对各设备节点vfto幅值与陡度的抑制效果，以内外径之比不超过0.7且单位长度外径铁氧体磁环抑制效果最佳对应的外径为最佳外径。
[0075]
示例性的，在隔离开关源侧附近导电杆上加装10个尺寸为内径φ184mm、轴向长度为3.5mm、电阻率为3ω
·
cm、具有相同磁导率特性的铁氧体磁环，当外径从φ194mm逐渐增加至φ264mm时，仿真得到了各节点的vfto幅值随磁环外径的变化规律如表3所示，径向单位长度磁环对幅值和陡度的抑制效果如图9、图10所示，选取内外径之比不超过0.7且单位长度外径铁氧体磁环抑制效果最佳对应的外径，即264为最佳外径。
[0076]
表3
[0077][0078][0079]
步骤6，基于所确定的最优的铁氧体磁环数量与结构尺寸，对gis遭受最严重vfto的设备加装相同数量与结构尺寸但材料不同的磁环进行仿真计算，确定抑制效果最优的铁氧体磁环材料；
[0080]
选取用于抑制vfto的铁氧体磁环的掺杂材料时，重点考虑掺杂使磁环高频下磁导率升高的元素及氧化物的铁氧体材料；在gis遭受最严重vfto的设备处加装铁氧体磁环，保持铁氧体磁环最优配置数量、尺寸、磁导率，改变铁氧体磁环电阻率，并对应修改emtp-rv电磁暂态仿真软件中铁氧体磁环考虑涡流的梯形网络模型参数，仿真计算不同铁氧体磁环电阻率下对应的磁环首段vfto陡度，选取陡度增量最小对应的电阻率为最佳磁环电阻率；根据确定的磁导率与电阻率确定所选用的最佳铁氧体磁环材料。
[0081]
示例性的，在隔离开关源侧附近导电杆上加装10个外径φ204mm、内径φ184mm、厚度35mm，具有相同磁导率特性的铁氧体磁环，研究磁环的电阻率ρ分别为2ω
·
cm、2.5ω
·
cm、3ω
·
cm、3.5ω
·
cm、4ω
·
cm时，磁环对各节点vfto特性的抑制效果，各节点的vfto幅值和流过gis导电杆vftc随磁环电阻率的变化如图11、图12所示。选取电阻率ρ为4ω
·
cm。
[0082]
步骤7，基于所确定的最优的铁氧体磁环配置数量、结构尺寸与材料，分别计算研究加装在gis不同位置设备时对vfto的抑制效果，获得该gis铁氧体磁环的局部最优配置设计，从而实现对vfto的有效抑制。
[0083]
在gis不同关键设备处加装由上述确定的最优铁氧体磁环数量、尺寸、材料，并修改在emtp-rv电磁暂态仿真软件中铁氧体磁环考虑涡流的梯形网络模型中的对应参数，仿真计算各设备节点处的vfto幅值和陡度，选取抑制vfto效果最佳的位置，获得该gis站铁氧体磁环的局部最优配置设计。
[0084]
示例性的，分别将10个内径为φ184mm、外径为φ264mm、轴向长度为3.5mm、电阻率取为4ω
·
cm的铁氧体磁环，加装在上述抽水蓄能站500kv gis中d、x、p、z、t处，如图13所
示,其对各节点vfto和流过导电杆vftc幅值的影响如图14所示，各节点陡度变化如表4所示。为有效抑制vftc幅值和陡度，限制绕组式设备电压陡度，保护各设备绝缘耐受，应将铁氧体磁环加装在隔离开关源侧附近的导电杆上，即d处。
[0085]
表4
[0086]
波形表征参量dxzptd
dsl
/kv
·
ns-163.2963.2963.2963.2963.29d
dss
/kv
·
ns-163.3063.3063.3063.3063.30d
frh
/kv
·
ns-199.2760.5660.5660.5660.56d
pt
/kv
·
ns-118.3113.1212.6313.4734.64d
tr
/kv
·
ns-12.162.182.1562.081.72d
vftc
/ka
·
ns-10.320.900.900.900.90
[0087]
一种抑制vfto的铁氧体磁环局部最优配置设计的确定系统，包括：
[0088]
gis等效电路模型建立模块，用于建立除铁氧体磁环外所有一次侧设备及网络在vfto下的gis等效电路模型；
[0089]
计算模块，用于在gis等效电路模型中对gis实际运行工况进行仿真计算，在计算结果中提取各设备节点的vfto波形表征参量，所述vfto波形表征参量用于判断vfto的抑制效果；
[0090]
工况确定模块，用于根据gis实际运行工况的仿真计算结果，确定gis出现最严重vfto的工况；
[0091]
铁氧体磁环配置数量确定模块，用于基于gis出现最严重vfto的工况所对应的仿真计算结果，对gis遭受最严重vfto的设备配置不同数量的铁氧体磁环进行仿真计算，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环配置数量；
[0092]
铁氧体磁环结构尺寸确定模块，用于基于所确定的最优的铁氧体磁环配置数量，对gis遭受最严重vfto的设备加装相同数量但结构尺寸不同的铁氧体磁环进行仿真计算，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环结构尺寸；
[0093]
铁氧体磁环材料确定模块，用于基于所确定的最优的铁氧体磁环的配置数量与结构尺寸，对gis遭受最严重vfto的设备加装相同数量与相同结构尺寸但材料不同的铁氧体磁环进行仿真计算，确定出抑制效果最优的铁氧体磁环材料；
[0094]
局部最优配置确定模块，用于基于所确定的最优的铁氧体磁环的配置数量、结构尺寸和材料，分别计算研究铁氧体磁环加装在gis不同位置的设备上时对vfto的抑制效果，获得该gis铁氧体磁环的局部最优配置设计。
[0095]
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。