變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了屬于電磁兼容技術(shù)領(lǐng)域的一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法。變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架結(jié)構(gòu)有多種；將整體管道支架拆分為多個單根導體構(gòu)成，構(gòu)成支架的單根導體包括橫截面為矩形、L型或工字型的扁鋼導體；每單根導體構(gòu)成一條支路；用電磁場數(shù)值仿真提取單根導體的內(nèi)阻抗和部分自電感；單根導體的內(nèi)阻抗和部分自電感串聯(lián)成單根導體的等效電路；將每根導體構(gòu)成的電路按支架結(jié)構(gòu)連接起來，并加入每兩導體之間存在的互感，將構(gòu)成整體支架的等效電路模型。本發(fā)明能夠?qū)碗s的支架進行等效電路建模，此種方法具有計算簡單，物理意義明確，計算較準確的特點。
【專利說明】
變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于變電站電磁兼容技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管 道支架的等效電路建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)變電站具有占地面積小，密封性好，受環(huán)境影響小，運行 可靠性高，檢修周期長，維護工作量少，運行費用低等顯著優(yōu)點，在我國電網(wǎng)得到了廣泛應 用。GIS中隔離開關(guān)操作和受到雷電沖擊時，會產(chǎn)生波頭很睹的行波，運些行波在GIS內(nèi)發(fā)生 多次折反射后，形成特快速暫態(tài)過電壓。當行波傳播至外部在GIS外殼與大地之間傳播時， 經(jīng)過多次折反射形成暫態(tài)外殼電壓（Transient Enclosure Voltage,TEV)，TEV幅值可達幾 十千伏，上升沿低至幾納秒，頻率可達幾十兆赫茲，威脅GIS外殼的表面絕緣和與外殼相連 的二次設(shè)備的安全運行。
[0003] GIS中支架是用于支撐GIS管道同時連接管道與大地的接地設(shè)備。由于TEV的頻率 比較高，運樣使得支架在TEV作用下的暫態(tài)性能與低頻情況不同，接地體電感影響比較明 顯，與電阻具有一定的可比性。在電壓等級為300kVW下時，GIS系統(tǒng)很少發(fā)生于操作相關(guān)的 問題，此時GIS外殼相當于直接與地相連，支架等接地系統(tǒng)短路處理。隨著電壓等級的升高， TEV頻率的增加，接地引線和支架呈現(xiàn)出高阻抗特性，不能有效的保持外殼的零電位，因此 高頻下建立準確的支架模型對于研究TEV和二次側(cè)的電磁騷擾具有重要意義。目前，接地裝 置的模型方法中，數(shù)值分析和等效電路兩種方法是兩種常用的方法。數(shù)值計算雖然計算較 為精確，但計算模型復雜，計算量較大且慢;等效電路法具有模型簡單，計算速度快等優(yōu)點， 是一種直接的、易于實施、有效的方法。由于支架結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復雜，TEV在支架中傳播 的特性不是很清楚，在W往的支架處理中常常W數(shù)值計算得到支架的總的阻抗進行計算， 運種方法計算量較大，所費時間也長;或者W短路或一個近似電感近似等效支架，此種方法 則太過于簡單，計算誤差也比較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的是提供一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法， 其特征在于，包含W下步驟：
[0005] 步驟1:在GIS中管道支架結(jié)構(gòu)有多種;將整體管道支架拆分為多個單根導體構(gòu)成， 構(gòu)成支架的單根導體包括橫截面為矩形、L型或工字型的扁鋼導體;每單根導體構(gòu)成一條支 路；
[0006] 步驟2:用電磁場數(shù)值計算方法提取單根導體的頻變內(nèi)阻抗、部分自電感;每條支 路的等效電路由單根導體的內(nèi)阻抗和部分自電感串聯(lián)而成；由于數(shù)值分析提取頻變的單根 導體內(nèi)阻抗和部分自電感，即可構(gòu)成單根導體頻變等效電路；
[0007] 步驟3:考慮支架中每兩單根導體之間產(chǎn)生互感，求解各單根導體之間互感，兩垂 直單根導體之間互感為零。對于復雜結(jié)構(gòu)的單根導體之間的互感沒有準確的解析公式，貝U 用兩圓形的單根導體之間的互感公式近似；
[0008] 兩長度相等、平行的圓形單根圓導體之間互感解析公式為：
[0009]
[0010] 其中，μ〇為真空磁導率，l、d、rw分別為圓形單根導體長度、兩圓形單根導體之間的 距離及半徑。
[0011] 兩平行的矩形單根導體之間的互感解析公式為：
[0012]
[0013] 其中，l、s分別為矩形單根導體長度、兩矩形單根導體之間的距離。
[0014] 兩并列圓形單根導體之間的互感解析公式為：
[0015]
[0016] 其中，μ〇為真空磁導率，m、d分別為圓形單根導體長度、兩圓形單根導體之間的距 離，Z1、Z2分別為兩導體頂端對地距離。
[0017] 步驟4:將每條單根導體構(gòu)成的支路按支架結(jié)構(gòu)連接在一起，并同時考慮每兩單根 導體之間的互感，最后構(gòu)成整體支架的等效電路模型。
[0018] 所述的步驟1中，通過數(shù)值計算準確提取一定頻率下不同截面單根導體的頻變內(nèi) 阻抗和部分自電感，在GIS中暫態(tài)外殼電壓的頻率達到幾十兆赫茲，用數(shù)值分析方法提取0 ~1 OOMHz的單根導體頻變內(nèi)阻抗和部分自電感。
[0019] 所述步驟2中，對于不同結(jié)構(gòu)的單根導體構(gòu)成的支架，其單根導體的等效電路阻抗 值應與數(shù)值分析中提取的單根導體模型的阻抗值一致。
[0020] 所述的步驟3中，頻率較低時，單根導體與單根導體之間的禪合效應可W忽略，不 需要考慮電感的影響。
[0021] 所述的步驟3中，對于特高壓變電站中，TEV的頻率可W達到了幾十兆赫茲，電感影 響比較明顯；電感存在于兩平行或并列單根導體之間，對于構(gòu)成支架的兩平行和兩并列的 兩單根導體之間在高頻時存在著電磁場禪合，在支架等效電路的建立中，考慮電感的存在。
[0022] 所述步驟4中，對于支架的等效電路建模，可W建立0~lOOMHz內(nèi)頻變的等效電路。
[0023] 所述的步驟4中，對于步驟2中得到的單條電路支路可W按支架結(jié)構(gòu)進行重新組合 構(gòu)成整體支架的等效電路;考慮在計算高頻時導體之間存在著電磁場禪合，在W上等效電 路的基礎(chǔ)上加入每兩單根導體之間的互感。
[0024] 本發(fā)明則提出了一種等效電路建模方法可W比較簡單地建立起復雜支架的頻變 電路模型，同時計算結(jié)果精確，物理意義明確。
【附圖說明】
[0025] 圖1為兩平行圓導體相對位置示意圖。
[0026] 圖2為單根圓導體與其等效電路示意圖；其中（a)為半徑0.5cm，長1.2m，電導率1.1 X 106S/m的圓導體；（b)為其等效電路。
[0027] 圖3為單根圓導體數(shù)值計算結(jié)果與解析解對比的阻抗參數(shù)示意圖。
[0028] 圖4為一種正方形支架結(jié)構(gòu)及其等效電路模型示意圖。其中（a)所示的正方形支架 由四段長度為0.5m的L型扁鋼導體連接而成，（b)圖為該支架的等效電路模型
[0029] 圖5為正方形支架數(shù)值計算結(jié)果與等效電路阻抗參數(shù)對比示意圖。其中(a)幅頻特 性，(b)相頻特性。
[0030] 圖6為一種復雜長方形支架結(jié)構(gòu)及其等效電路示意圖。其中（a)所示的復雜長方形 支架，支架由每段長度為0.5m，寬5cm，高0.5cm的矩形導體構(gòu)成，（b)為該支架的等效電路模 型
[0031 ]圖7為復雜長方形支架數(shù)值計算結(jié)果與等效電路阻抗參數(shù)對比示意圖。
[0032] 圖8為一種正方體支架及其等效電路示意圖。其中（a)所示的正方體支架，支架由 每段長度為0.5m，寬5cm，高0.5cm的矩形導體構(gòu)成，（b)為該支架的等效電路模型。
[0033] 圖9為正方體支架數(shù)值計算結(jié)果與等效電路阻抗參數(shù)對比示意圖。其中(a)幅頻特 性，b)相頻特性；
【具體實施方式】
[0034] 本發(fā)明提供一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法，下面結(jié) 合附圖，對優(yōu)選實施例作詳細說明。
[0035] 實施例1
[0036] 在圖1、圖2所示的單根圓導體與其等效電路示意圖中，（a)為半徑0.5cm，長1.2m， 電導率1.1 X 106s/m的圓導體，（b)為其等效電路。本圓導體等效電路方法具體包含W下步 驟：
[0037] 步驟1:用電磁場數(shù)值計算方法提取該圓導體的頻變內(nèi)阻抗、部分自電感，頻率范 圍為0~lOOMHz;
[0038] 步驟2:將此圓導體的內(nèi)阻抗與部分自電感串聯(lián)構(gòu)成電路；
[0039] 圓導體的阻抗理論公式為：
[0042] σ為導體電導率，δ為導體集膚深度，Jo和Ji分別為貝塞爾函數(shù)。Ijw分別為導體長 度、導體半徑。數(shù)值分析法計算圓導體內(nèi)阻抗與部分自感同理論公式對比結(jié)果如圖3所示。 兩種方法在頻率范圍為0~lOOMHz時計算得到的頻變電阻和部分自電感的一致性都較好。
[0043] 實施例2
[0044] 圖4所示為一種正方形支架結(jié)構(gòu)及其等效電路模型示意圖。其中（a)所示的正方形 支架由四段長度為0.5m的L型扁鋼導體連接而成，（b)為該支架的等效電路模型。本正方形 支架等效電路方法具體包含W下步驟：
[0045] 步驟1:將正方形支架分成由四段長度為0.5m的單根導體，同時用電磁場數(shù)值仿真 提取單根L型導體的頻變電阻和部分自電感，其中頻率范圍為0~lOOMHz;
[0046] 步驟2:將單根導體電阻和部分自電感串聯(lián)成一條電路支路，分別構(gòu)成四條支路；
[0047] 步驟3:正方形支架中，兩相交的垂直導體之間的互感為零，兩平行單根導體支架 考慮互感；
[0048] 步驟4:將四根導體分別構(gòu)成的四條支路按正方形支架結(jié)構(gòu)重新連接，同時在兩平 行支路之間加入互感，構(gòu)成整個支架的等效電路模型。
[0049] 步驟5:將該支架的等效電路模型計算的阻抗特性與數(shù)值分析計算的阻抗特性進 行對比，驗證等效電路法的正確性。其比較結(jié)果如圖5所示：（a)幅頻特性，b)相頻特性；，兩 種方法的幅頻特性和相頻特性的一致性都較好。
[00加]實施例3
[0051] 如圖6所示為一種復雜長方形支架結(jié)構(gòu)及其等效電路示意圖。其中（a)所示的復雜 長方形支架，支架由每段長度為0.5m，寬5cm，高0.5cm的矩形導體構(gòu)成，（b)為該支架的等效 電路模型。本復雜長方形支架等效電路方法具體包含W下步驟：
[0052] 步驟1:將復雜長方形支架分成長度為0.5m的單根矩形導體，同時電磁場數(shù)值分析 提取單根矩形導體的頻變內(nèi)阻抗和部分自電感，頻率范圍為0~lOOMHz;
[0053] 步驟2:每根導體的內(nèi)阻抗和部分電感串聯(lián)構(gòu)成一條電路，分別構(gòu)成多條電路支 路；
[0054] 步驟3:復雜長方形支架中，除了要考慮兩平行單根導體之間存在互感，在兩并列 導體之間也存在互感，將所有互感討論在內(nèi)；
[0055] 步驟4:所有單根矩形導體構(gòu)成的單條電路支路按支架結(jié)構(gòu)連接，同時在兩平行支 路和并列導體之間分別加入互感，構(gòu)成整個支架的等效電路模型如圖6(b)所示。
[0056] 步驟5:將該支架的等效電路模型計算的阻抗特性與數(shù)值分析計算的支架阻抗特 性進行對比，其比較結(jié)果如圖7所示，兩種方法的幅頻特性和相頻特性的一致性都較好。 [0化7] 實施例4
[0058] 如圖8所示為一種正方體支架及其等效電路示意圖。其中（a)所示的正方體支架， 支架由每段長度為0.5m，寬5cm，高0.5cm的矩形導體構(gòu)成，（b)為該支架的等效電路模型。本 正方體支架等效電路方法具體包含W下步驟：
[0059] 步驟1:將正方體支架分成長度為0.5m的單根矩形導體，同時電磁場數(shù)值分析提取 單根矩形導體的頻變內(nèi)阻抗和部分自電感，頻率范圍為0~lOOMHz;
[0060] 步驟2:每根導體的內(nèi)阻抗和部分電感串聯(lián)構(gòu)成一條電路，分別構(gòu)成多條電路支 路；
[0061] 步驟3:考慮正方體支架中所有兩平行單根導體之間的互感；
[0062] 步驟4:所有單根矩形導體構(gòu)成的單條電路支路按支架結(jié)構(gòu)連接，同時在兩平行支 路之間加入互感，構(gòu)成整個支架的等效電路模型如圖8(b)所示；
[0063] 步驟5:將該支架的等效電路模型計算的阻抗特性與數(shù)值分析計算的支架阻抗特 性進行對比，其比較結(jié)果如圖9所示的(a)幅頻特性，（b)相頻特性;兩種方法的幅頻特性和 相頻特性的一致性較好。
【主權(quán)項】
1. 一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法，其特征在于，包含以 下步驟： 步驟1:在GIS中管道支架結(jié)構(gòu)有多種;將整體管道支架拆分為多個單根導體構(gòu)成，構(gòu)成 支架的單根導體包括橫截面為矩形、L型或工字型的扁鋼導體;每單根導體構(gòu)成一條支路； 步驟2:用電磁場數(shù)值計算方法提取單根導體的頻變內(nèi)阻抗、部分自電感;每條支路的 等效電路由單根導體的內(nèi)阻抗和部分自電感串聯(lián)而成；由數(shù)值分析提取頻變的單根導體內(nèi) 阻抗和部分自電感，構(gòu)成單根導體頻變等效電路； 步驟3:考慮支架中每兩單根導體之間產(chǎn)生互感，求解各單根導體之間互感，兩垂直單 根導體之間互感為零;對于復雜結(jié)構(gòu)的單根導體之間的互感沒有準確的解析公式，則用兩 圓形的單根導體之間的互感公式近似;兩長度相等、平行的圓形單根圓導體之間互感解析 公式為：其中，μ〇為真空磁導率，l、d、rw分別為圓形單根導體長度、兩圓形單根導體之間的距離 及半徑； 兩平行的矩形單根導體之間的互感解析公式為：其中，1、s分別為矩形單根導體長度、兩矩形單根導體之間的距離； 兩并列圓形單根導體之間的互感解析公式為：其中，μ〇為真空磁導率，m、d分別為圓形單根導體長度、兩圓形單根導體之間的距離，Z1、 Z2分別為兩導體頂端對地距離； 步驟4:將每條單根導體構(gòu)成的支路按支架結(jié)構(gòu)連接在一起，并同時考慮每兩單根導體 之間的互感，最后構(gòu)成整體支架的等效電路模型。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法， 其特征在于，所述步驟1中，通過數(shù)值計算準確提取一定頻率下不同截面單根導體的頻變內(nèi) 阻抗和部分自電感，在GIS中暫態(tài)外殼電壓的頻率達到幾十兆赫茲，用數(shù)值分析方法提取0 ~100MHz的單根導體頻變內(nèi)阻抗和部分自電感。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法， 其特征在于，所述步驟2中，對于不同結(jié)構(gòu)的單根導體構(gòu)成的支架，其單根導體的等效電路 阻抗值應與數(shù)值分析中提取的單根導體模型的阻抗值一致。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法， 其特征在于，所述的步驟3中，頻率較低時，單根導體與單根導體之間的耦合效應可以忽略， 不需要考慮電感的影響。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法， 其特征在于，所述的步驟3中，對于特高壓變電站中，TEV的頻率可以達到了幾十兆赫茲，電 感影響比較明顯；電感存在于兩平行或并列單根導體之間，對于構(gòu)成支架的兩平行和兩并 列的兩單根導體之間在尚頻時存在著電磁場親合，在支架等效電路的建立中，考慮電感的 存在。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法， 其特征在于，所述步驟4中，對于支架的等效電路建模，建立0~1 OOMHz內(nèi)頻變的等效電路。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種變電站氣體絕緣開關(guān)設(shè)備管道支架的等效電路建模方法， 其特征在于，所述的步驟4中，對于步驟2中得到的單條電路支路可以按支架結(jié)構(gòu)進行重新 組合構(gòu)成整體支架的等效電路;考慮在計算高頻時導體之間存在著電磁場耦合，在以上等 效電路的基礎(chǔ)上加入每兩單根導體之間的互感。
【文檔編號】G06F17/50GK105825037SQ201610420926
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年6月13日
【發(fā)明人】曹書云, 焦重慶
【申請人】華北電力大學