抑制VFT GIS的铁氧体磁环模拟试验
W.D.Liu L.J.Jin J.L.Qian
电气工程系，清华大学，北京10084，中国
摘要：用低电压模拟试验来研究非常快速瞬变抑制（VFT）在铁氧体磁环的气体绝缘变电站（GIS）的可能性。试验表明，在导体周围放置铁氧体环可以改变其波阻抗，抑制行波的传播。其抑制效果取决于铁氧体材料的特性，包括高频响应、磁导率、损耗和饱和。
关键词：气体绝缘变电站，非常快速瞬变
介绍
当一个空载母线因为隔离开关而接通或断开时，非常快的瞬态（VFT）会在气体绝缘变电站（GIS）里面发生。在转换实验中，切换运行中的隔离开关可以在GIS中产生陡峭的行波传播，并且反应在每一个不连续点的波阻抗中。叠加的行波形式VFT 。在特高压和超高压GIS中，VFT可以达到非常高的幅值和陡度，VFT可能对GIS本身的绝缘以及其它设备连接造成损害。
由于VFT极高的陡度，传统的过电压抑制方法对他们的影响有限。在它导致绝缘损坏之前ZnO避雷器可能无法足够快的速度来做出反应。采用高速断路器可以减少切换操作的重复性故障的数量，从而减少严重的VFT的发生概率，但不能完全消除VFT。采用电阻器安装隔离开关它也被报道为在超高压GIS中抑制VFT的方法。在隔离开关间隙串联电阻，可以有效降低GIS中的阻尼行波。然而，串联电阻是一个大的空间，而且使隔离开关变得更加复杂。
人们认为，在GIS导体周围放置铁氧体环可以改变波阻抗，从而影响行波的传播。因此，我们就采用铁氧体磁环抑制GIS中的VFT的可能性展开了研究。最初的工作是在低电压模拟试验中进行的，本文提供了测试结果的说明。
模拟实验
图1是模拟试验的电路。3.5m长两同轴导体用来模拟GIS母线及其附件，模拟母线直径长14mm，模拟外壳内部直径为46mm。利用水银开关K闭合模拟母线为E = 400V的直流电压源，可以产生一个陡峭的波。母线上行波的传播、反射和叠加是一个非常快速的暂态过程。电阻器，用于释放母线上的残余电荷。在B点,利用Tektronix P6117和数字示波器Tektronix THS730A电压探针来完成快速瞬变信号的测量。
图1：模拟母线和外壳的试验
a: （上）：没有额外的阻尼
b:(中)铁氧体磁环阻尼
c:(下)有电阻阻尼
本试验首先试验在图1-a中途无阻尼条件下。快速瞬变在B点测量显示在图2-a中，振荡衰减小。
然后在状态图1-B下进行测试，状态图1-B下铁氧体磁环放在母线和定位点来进行快速瞬变抑制。铁氧体环的内部直径20mm，14毫米外径35mm和轴向长度。铁氧体材料具有相对磁约1000和大约10MHz频率特性系数。不同铁氧体环数的测试获得了不同的快速瞬态抑制效果。图2-B 2-C有分别为2和4的铁素体环条件的快速瞬变脉冲波形。显然，受到瞬变瞬变受到铁氧体环的限制，环数越多，抑制效果越大。
图2：不同环数下的快速瞬变
时间(H)：20ns/div; 电压(V) :200V/div
A:没有铁氧体磁环阻尼；b: 2铁氧体磁环阻尼；c:4铁氧体磁环阻尼
等效电路
在导体周围放置铁氧体环可以增加导体的局部电感。在模拟试验中，将铁氧体环A点相当于在水银开关K和模拟母线之间加入一系列电感。最初认为串联电感可以减小波前的陡度。然而，在图2可以看出，陡度的下降并不如量级的下降那么明显，瞬态的第一个波形保持着方波。明显看到，实际上，铁氧体磁环所示等效的效果就像是一个电阻。进一步的测试中，电阻被加在开关K和模拟的母线中，图3是当分别为30和60Omega;，在B点时测量快速瞬变脉冲的波形，。图2和图的对比，可以看出，铁氧体环母线相当于增加一个串联电阻，各环等效电阻约15Omega;。
图3：具有不同串联电阻的快速瞬变
时间(H):20ns/div; 电压( V) :200V/div
a:30 Omega;电阻;b:60 Omega;电阻
为了探讨铁氧体环的等效电感的影响，进行试验,试验条件下如图4，一个长的电缆作为模拟母线的长电缆。在这种情况下，反射波延迟和行波穿过铁氧体磁环现象可以清楚地观察到。如图5所示，行波从陡峭的前面然后指数上升。根据波形，配置的等效电路可以做成如图6所示：哪里是等效电感的等效电阻，Z是电缆的波阻抗。点A的电压可以表示为：
在陡峭的波阵面，相当于开路；波前的振幅是电压除以和Z。
图4：长电缆模拟母线试验
图5：长电缆快速瞬变
时间(H):200ns/div;电压(V) :200V/div
图6：铁氧体环试验的等效电路
铁氧体材料的影响
铁氧体材料含有关于磁导率的频率响应和磁导率的不同的特点，这些特点影响损失和饱和的铁氧体磁环等效参数，因此，VFT的抑制作用产生了。
根据图6的等效电路，需要足够的等效电感来阻止行波。 不仅取决于铁氧体环和母线的几何形状，还取决于铁氧体材料的导磁性。 需要大的导磁率来获得大的等效电感。
当铁氧体环具有较差的高频响应和较大的损耗特性时，其等效电阻很小。 如果= 0，则会使行波短路。 这种情况下不会出现VFT抑制效应，不管它有多大。 如果=infin;，铁氧体环仅仅提供一个电感效应，它可以限制瞬变的陡度，但其振幅无阻尼。
电阻消耗行波的能量。当和彼此匹配时可以获得最大波浪能量消耗，并且可以产生最大的VFT阻尼。 铁氧体材料的选择应该进行优化让和获得匹配。
铁氧体材料的磁饱和对抑制VFT在GIS中的应用具有重要影响。一旦铁氧体环饱和，其等效电感消失。 对于GIS中的行波，浪涌电流可能达几千安培。 因此，在大电流行波作用下，应谨慎选择环材料以避免严重饱和。高电压模拟测试将继续研究饱和度的影响。
结论
低电压模拟测试表明，在导体周围放置铁氧体环可能会阻碍传播的行波。 使用铁素体环可能会抑制GIS中的VFT。
导体周围的铁氧体环对快速瞬变产生影响，相当于将并联电感和电阻并入导体。 等效参数取决于铁氧体材料的特性，包括高频响应，导磁率，损耗和饱和度。 应该优化等效参数的选择。
高电压模拟测试和计算机计算将继续研究铁氧体材料和其他磁性材料的影响。
参考
[1] CIGRE工作组成员33 / 13-09，“与气体绝缘变电站有关的非常快的瞬态现象”，CIGRE，33-13,1988。
[2] Y。 Yamagata，K.Tanaka，S.Nishiwaki等人，“采用电阻隔离开关在1100kV GIS中抑制VFT”，IEEE / PES Summer Meeting，95 SM 499-4 PWRD，1995年7月.
新型涂料对气体绝缘开关设备中VFTO的阻尼作用
气体绝缘开关设备（GIS）中的过电压（VFTO）正在开发中。目前在研究人员中引起高度关注的方法是基于磁芯的应用，该磁芯由于涡流损耗和磁滞损耗而耗散与VFTO相关的能量。本文通过介绍一种新的材料类型（本文中称为“纳米薄片”）来介绍这种方法的进步。这种新材料包含从标准设计的磨石纳米晶核心获得的纳米晶带（尺寸范围为平方毫米）的宏块。该材料具有较高的导磁率，较差的导电性和较高的饱和磁通量水平。该材料适合用作施加到内部和/或外部GIS导体的表面上的涂层，作为GIS屏蔽元件中的填充材料，或者作为标准形状的芯。本文介绍了材料的主要特点，概述了其开发过程，并报告了在真实VFTO条件下材料有效性的验证。验证基于全尺寸550 kV GIS测试装置中VFTO衰减的测量方法。
索引术语 - 衰减，阻尼，隔离开关，气体绝缘开关设备，磁性材料，磁条，
开关，瞬态，非常快的瞬态过电压。
介绍
GIS中非常快的瞬态过电压
大功率电网与大功率电力通道连接，额定电压为高（HV）和超高电压（UHV）电平，以将功率传输损耗保持在可接受的限值。 额定电压和耐受电压之间的IEC比率下降到更高的额定电压。火花隔离开关设备（GIS），超快速瞬态过电压（VFTO）由隔离开关操作产生。
由于VFTO峰值与额定电压无关[1]，[2]，对于超过500 kV的额定电压，VFTO可以达到IEC耐压等级。因此，对于HV和UHV GIS，VFTO是 由GIS设计人员仔细检查，以评估设备的安全裕度。根据特定的设计选择，正在进行VFTO缓解解决方案的决策应用，以确保设备所需的稳健性。
VFTO衰减的方法
VFTO衰减的几种方法是已知的，如[3]，[4]中充分的综述。在[5]中给出了基于磁芯应用的方法的概述。后一种方法涉及不同类型，尺寸和材料特性的磁芯：铁氧体[6]，非晶[7]，纳米晶体[5]。核心绕在GIS母线的内导体上，并位于电场控制元件。磁芯的数量和尺寸根据所需的衰减效应来选择。磁芯中VTO衰减的主要物理机制包括涡流和磁滞损耗[7]，[8]。这些机制与频率高度相关，并受到材料磁饱和效应的影响[7]，[8]。在[5]，[7]和[9]中，作者展示了不同类型的市售磁芯的比较，表明衰减因子高度依赖于磁性材料的物理性质和磁芯的数量。
核的参数强烈依赖于与VFTO条件相关的频率[5]和电流[8]。 实验评估了给定类型和尺寸的核心数量[5]，[7]和数值[7]，[8]以达到所需的VFTO衰减效果。 所选材料在所需尺寸选择方面的灵活性是实现所需VFTO阻尼效果，GIS电介质设计，GIS热性能和机械性能的优化设计的关键因素。
C.论文概述
在本文中，我们介绍一种新的磁性材料（纳米薄片），在GIS中进行VFTO开发和测试。第一节给出了背景资料和主要参考资料，包含整个最先进的方法概述，基于磁性材料应用的GIS中的VFTO衰减。第二部分介绍了纳米薄片材料本身及其主要特点和初始低电压测试。还给出了材料开发过程的外观。第三部分描述了550 kV全尺寸 GIS测试设置用于实验评估纳米薄片材料的有效性。第四节报告了在550 kV测试中进行的测量结果。第三部分介绍了设置。 第五节对测量结果进行讨论，并提供结论。
图1. 压碎的纳米晶体材料（a），插图：由浸入树脂中的压碎的纳米晶体材料形成的用于电流处理和电感测量的磁芯; 制造的纳米薄片涂层的例子（b）.
II. NANOFLAKES：GIS中VFTO阻尼的新材料
材料说明
纳米薄片材料由填充有电阻插入物的弹性体基质组成，其中悬挂有大块碎状纳米晶带。 纳米晶体材料片是从市售的磁芯获得的（例如[10]）。如文献[11]报道的，用于开发新材料的纳米晶带的选择是由于纳米晶核具有实验证明其有效阻止VFTO在GIS中的有效性。纳米晶核具有高磁导率和例如测试的铁氧体环相比较高的饱和度水平[例如6]。
与标准纳米晶体芯相比，新材料的特点是在纳米晶体片之间引入了电阻分布间隙。 这意味着磁导率降低。 在包含电介质基质的材料中，涡流只能在纳米晶体片内循环。 但是，如果材料另外填充有电阻粒子，则材料的参数可以通过纳米晶块的密度来调整，其中大小以及矩阵的电阻率，这种电阻率可以通过加入适量的碳粉填料来调节。
图1（a）显示了粉碎的纳米晶体用于开发纳米片材料的一个例子，如图1（b）所示。
新材料涉及制造工艺，该工艺在几何设计方面提供了高度的灵活性，这进一步提供了优化磁性涂层尺寸和形状的机会。 材料可以被成形为形成到内部和/或外部GIS导体的表面的涂层，被放置在屏蔽元件内部或者形成环形磁芯。
材料准备和初步测量
为了对材料进行初步评估，制备了环形芯的样品材料是在直流磁场下进行的，如图（a）中所示的粉碎的纳米晶带与聚合物基质（树脂）混合并放置成环形（参见图1（a）中的插图（a ）），在其上缠绕由10匝导线组成的绕组。 用直流电流预处理纳米晶片，以便根据最小能量条件使相关磁通量排列在树脂中。预处理后，切断直流电流并测量电感。 由于树脂的高粘度，纳米晶体片的弛豫时间足够长，所以没有显着的变化。预处理和电感测量之间的片段取向。 测量两个DC预处理电流值（10A和20A）和两个预处理时间（1分钟和40分钟）的电感。
该实验的结果示于表I中。对于施加20A的DC电流40分钟的情况，与参考情况相比，观察到电感增加67％。基于这些结果，开发了一个全尺寸的550 kV GIS导体，如第III部分所示。
III。 550千伏全压式高压试验装置
A GIS测试设置安排
图2显示了[11]中介绍的测试设置，并用于本文报告的测量。使用高压脉冲发生器为AIS-GIS套管提供雷电冲击（LI）电压1.2/50mu;s。测试装置包括一个充满SF6气体的火花隙室（参见图2（a），标有红色的组件）。在测量期间控制间隙距离和SF6气体压力，以在LI电压的所需瞬时值处提供电压击穿。使用0.4毫米SF6气体压力的10毫米火花隙来启动LI电压500千伏的击穿。通过将SF6气体压力降低至0.1MPa，除了500kV电压之外，使用降低到200kV的击穿电压。 SF6火花间隙中的每个击穿都会引发GIS组件中的VFTO传播。如图2所示，使用空气绝缘母线隔间插入试验中的VFTO缓解溶液（如磁芯和新的纳米薄片材料）（见图2（a），标有灰色的部件）GIS测试装置被拆卸并安装在被测材料
全文共9840字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[13372]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
