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卷PAS-101，1982年10月10日汇刊于IEEE电力装置和系统
气体绝缘变电站暂态地电位升高问题的识别和缓解
M8Z 5S4 加拿大多伦多安大略省哈维水电研究所的E.P. Dick, N. Fujimoto, G.L. Ford and S.
摘要
暂态地电位升高是一种GIS接地外壳电位上升为工期为10微秒，电压达10到100KV的一种现象。它会对人员安全和电路的保护和控制造成影响。本文总结了一个加拿大电气协会的研究方案【1】的结果，作为实用资料，以对本文的主题有一个实用的介绍。瞬态电位可通过分析计算和数字仿真从外壳配置中获取。操作实践的修改、GIS系统的变化和使用屏蔽的方法都可以用来减轻这些电位的影响。
引言
文献【2,3】描述了GIS中开关的断开开关和故障如何在外壳接地设备中引起显著的瞬态电位。总之，开关断开和故障会导致产生一个上升时间为10ns的100kV范围的浪涌电压，它在母线的传播中几乎不产生损耗。由于外壳的集肤效应，这浪涌电压仅出现在外壳出用中断的地方，比如一条线的终端或者电流互感器。由于母线槽和架空线路的阻抗不连续，在线的终端，一个重要部件的20%到50%，会在外壳和地平面之间出现浪涌电压。当它的成分传播回到站内时，大地上感应出的接地电压和涡电流会减弱浪涌电压。这种现象其实是由于GIS外壳和其他接地组件之间的火花产生的，它让我们注意到要去关心人员的安全和可能引起保护和控制电路的故障。虽然与电击相关的产生的生理影响不是很清楚，但是本文提出了一些技术方法，GIS设计师、操作和维修人员应该考虑把瞬态地位上升的潜在危险降到最低。
这些技术包括采用修改后的操作和维护方法、改变GIS配置和使用电磁屏蔽。
*该研究的到加拿大电气协会的支持。82 WM 176-6。本文被IEEE电力工程协会中的IEEE变电委员会审核通过并作为演示文稿在IEEE PES1982年冬季会议上展示，该会议于1982年1月31到2月5号，在纽约举行。
问题识别
人员冲击的风险：
短持续时间的脉冲对人类的影响已经在文献【4】的概述中讲述了。它得出的结论是：关于瞬态电位升的安全和危害，现有的科学知识不足以提供可靠的建议。有三个方面是被确定是需要生物医学研究的。第一，可以被最有效地用于定义短期冲击电压强度的电子数量尚未确定。脉冲能量、电流、充电或某个函数和时间已经提出,但没有证实。第二，这些参数的大小，它不会对人类造成伤害的言论没有被证实。第三，人体内的电流分布还没有确定。假定固有的高频短脉冲仅对皮肤有伤害，但是最近的报告表明它对器官有损伤。Dalziel提供了一个有效地关于允许电击强度的建议。能量判据如下：身体可吸收的最大能量=0.027RB焦耳。人体电阻为500欧姆，它转化为能量后，人体相当于吸收到13.5J。应该强调的是，这一标准是有一定疑问的，无论是从它作为冲击强度的参数的大小还是能量的使用的角度来说。最近研究表明：这一标准可能过高，因为脉冲时间对心跳周期是有很大影响的。一些用来估计能量的方法和一些基于GIS配置的典型的计算例子都记录在了文献【4】和附录中。
这些例子表明：能量用Dalziel判据来表示是可行的。
控制线路的可靠性：
第二个问题是关于GIS故障和隔离开关操作会产生问题，这些情况在低电压控制电路中越来越常见。经验表明：严重的瞬态电压可大到足以损坏电子元件和连接处的引脚，这些瞬态电势经常产生于连接母线槽传感器和控制设备的电缆中。这些密集相近的接地外壳的电缆表明：控制电路的瞬态和瞬态电位上升是有密切联系的。一个正在进行的研究正在研究线路控制的问题。初步研究结果如下：
- 连接母线槽设备的电缆出的开路电压峰值可超过10Kv
- 通常，超过90%的潜在结果都是来自靠近GIS外壳变频器的无屏蔽套管处。
研究表明在暂态地电位升和短长度的无屏蔽的导体附近存在强耦合。缓冲技术主要用于防止接线故障。该技术首先应用在设备终端连接上，而不是电缆本身的质量上。
计算暂态外壳电压
有两种方法可以就算暂态外壳电压：一种是近似分析方法，另一种是详细的数字仿真分析。计算的结果可用来提高站接地的性能，用来估算文献【4】中的冲击风险和定义保护和控制线路接触，而控制线路接触将会在由加拿大电气协会支持的项目中被研究。
分析计算：
参考文献【3】中的理论通过以下方法可以计算外壳的任何时候的潜在电压：
- 接地故障产生一个在两个方向传播的、大小等同于冲击电压的内部浪涌。相反地，隔离开关的操作会产生一个沿每个方向传播的、大小是冲击电压的一半的初始浪涌。这种浪涌现象是重复性的，它会导致连续性故障和导致60Hz的供电的中断。
2. 附件的内部传播损耗可以忽略不计。传输和反射系数是用来计算T行电路和其他不连续性的影响的。
3. 浪涌只会出现在外部有中断的地方，比如线的终端、电缆接口和电流互感器。对于线终端，传播的系数会接近外壳和地平面之间的浪涌系数。
= (1)
其中浪涌阻抗指的是内部母线槽的阻抗，指的是架空线路上的阻抗，指的是接触地面的阻抗，如图一所示。
图一 浪涌阻抗与线终端和接地母线间的联系
4. 接地母线开始时会由于分流的作用减少稳态浪涌，使其常数逼近边界值。
(2)
随着浪涌沿着带的反射的减少，它更容易通过数字仿真来建模。
5. 由大地引起的涡流产生的传播损耗近似等于衰减系数。
(3)
其中d是指传播距离，l是指外壳长度（1/e）指奈培衰减。通常，l取决于、外壳高度、接地电阻率和浪涌上升时间。
6． 在一个给定的外壳点，稳态浪涌的减少，会伴随着产生复杂的波形。该波形取决于母线槽内部的传播情况和与接地母线间距有关的驻波。这个波形与阻尼正弦波类似。
7. 如图2所示，特定低频率(通常1 MHz)元件系数很可能会引起故障定位和测试台或电容式电压互感器(CVT)的LC谐振。图中的的增益可以由下面等式来表示：
该元件的作用由于中间接地母线的分流作用而被减弱，母线分流作用通过低频集成电感来模拟。其他的阻尼损失可以忽略不计。的阻尼时间常数通常为1到10，断开开关对基本无影响。
图2线终端低频率共振电流路径
8.其余的元件可以由一个高频元件表示，通常情况下频率为5-50MHz，阻尼时间常数取决于浪涌阻抗的值。而可表示为
总而言之，目前正在研究一种对两种阻尼正弦波在任意结点的接地电位升高的近似算法。它们的幅值由击穿系数和受外壳模块的衰减参数决定。类似的模型过程在附录中可以找到。实验的结果和仿真结果将在下文中比较。
电位数字仿真：
对下列的影响中，数字仿真非常有用，而分析方法常常不能满足要求。
- 由于参考电位的影响，地表阻抗的频率相关性。
- 由于大地损失的影响，设备外壳浪涌传输的频率相关性。
- 在三个设备外壳的相间模式下的传播问题
- 由于受大地空间带影响母线传导反射和驻波作用下的多重频率问题。
数字仿真在项目中非常高效，图3展示了一个简单带有。测试接口的外壳形状，主要为了仿真它的电压波。为此找到了合适的电磁瞬变项目。该项目的主要限制需要利用实物结构搭建等效电路，如图4所示。当把电磁领域的问题转换成一个离散的电压和电流问题时，我们需要客观的思维。
用戴维南电压源(2.0pu 上升时间为10 ns )和60欧姆的电阻等效对地击穿和无设备终端反射的过程。高空传输线的阻抗等效为400欧姆，同时假设该传输线无波反射过程。从终端来看，额外的波传输沿着500KV的三相系统传播。分成了3x6m的三段，该模型在EMTP中用Semlten频率的受控线路。并假设大地阻抗为20欧姆每米。测试结果表明大地传输带可以用1.0的电感表示，相间互感约为0.1。为了模拟设备外壳的结构，将100m的传输线和串联。
（b）正面图
（a）俯视图
图3 数字仿真的外壳结构
图4 数字仿真的等效电路
图5 用于参考的模拟电位
图6 外壳高度从1米到7米之间递增时的模拟电位
图7 接地母线从18米到6米递减时的模拟电位
图8 母线电感从1.0到0.5 的模拟电位
图9 大地电阻率从20 到 100 时的模拟电位
图10 相间距离从1米到两米时的模拟电位
图11 相间联接距离从18米递减到6米时的模拟电压
模拟分析和数字仿真的比较：
表一列出了图5到图11两种分析方法求出的衰减系数。该实验结果基本上符合模拟分析的假设结果。从距离地面带下端1m的的反射波对仿真波形有极大的影响。如图10所示，对一个宽度为4m，高度为1m的设备外壳应用几何半斤等效的方法是非常接近的。大地阻抗在上的作用可以忽略。同样的，地面带间距的和等效电感的应该不一样。可是，在大多数情况下，普遍趋向于认为在估算设备外壳的电压时，采用简单的分析方法将更加有效。
暂态地电位升的降低
暂态地电位升的降低主要从以下三个方面来体现：修改操作实践、改变外壳配置和屏蔽外壳。
修改操作实践：
基于GIS设备的运行经验和较少发生人员安全问题，平均冲击风险要低。这是符合定性参数的。在大多数变电站，开关操作的次数并不多，同时发生开关操作事故和人员正好在空气终端活动的事件就更少见了。同时发生故障和人员接触是一个小概率事件（验收试验期间除外）。但是，对GIS装置的强烈地冲击、变电站的操作产生的可能频率和维护时的流程这三者让我们难以评估这个风险我们是否可以接受。但我们可以计算平均风险值通过平均操作和维护间隔，可以获得一个适当的低风险值。但是，如果维护或者施工人员在与GIS长时间接触的话，这个平均值将会大大增加。，很可能操作人员需要手动操作可能产生暂态地电位升的隔离开关，而这取决于实际的电网操作。这种做法当然可以确保瞬变过程与人员接触的巧合。除非小心的避免这种情况，不然风险评估很可能会产生误导。由于风险问题在个人同GIS系统的接触中有明显的作用，有必要采取一些列措施来最小化偶然性的接触发生，以及在开关操作期间接触的可能性。
首先要做的是通知所有操作人员和维修人员有可能会发生冲击的危险，并且尽量避免和运作中的GIS发生接触。像爬上或者设备倚靠在GIS设备的电力活动要尽量避免。同时，GIS也会标示出警示标语来提醒人们避免不经意的接触该设备。
第二步是利用音频告知即将进行GIS开关操作以提醒群众。这样的警告声或者警告喇叭会在开关操作前及时的通知路人，以方便路人远离GIS设备。自动跳闸操作不能在动作前发出类似的警告声，然而这样的开关操作通常不会造成伤害，因此不会带来暂态地电位升的影响。
第三步是为工作人员提供保护设备，利用高阻抗器件和工作人员串联的原则实施。然而，特别是当暂态地电位升而引起的极高的电压幅值这类情况中，使用橡胶手套有可能并不适用，因为它们的抗击穿的能力较低。虽然绝缘操作平台耐压水平更高，但必须要考虑人体本身对地容抗的大小。为了减小身体的电流，电容电抗器的数值必须比人体阻抗值（大约500欧姆）更大。当频率大约为几MHz时，通常情况下是因为设备外壳电压升高引起，为了有效的保护工作人员，的值应当尽量小于50皮法。利用虚拟设备测试的结果表明，的值从虚拟橡胶套的50皮法到有机玻璃做成操作平台的260皮法之间变化。因此，通过插入系列阻抗缓解是很难起到作用的。
改变外壳配置：
表I中的结果是通过比较分析和数字分析的方法的出来的，它可用来估算改变外壳形状产生的暂态电位的变化。这些变化都被列了出来，以便于用来减轻暂态地电位升的影响。降低外壳高度可以减少外壳浪涌阻抗和接地母线的传播时间。前者可以导致终端外壳产生较低的电位偏移，而后者会提高接地的效率。图6中的仿真结果显示当外壳高度从7m到1m逐渐变化时，内部浪涌电压从46%减少到12%。
增加线的数量会带来更均衡的好处，除非线的空间很狭窄以至于它和接地线相互作用成为一个影响因素。图7中的仿真结果显示每条接地线都把浪涌电压减轻到事故浪涌电压的75%，这是在500Kv水平的配置中得出来的。
增加几何体意味着接地线的半径范围的方法能减少浪涌阻抗，使接地效果更好。图8的仿真结果表明用0.5m宽的线性导体替代500的传输会使浪涌事故发生的概率从75%变为62%。
用优化的土壤来取代设备外壳下的大地可以增加传播损失，图9的仿真结果表明使浪涌减小37%的距离大约为29m和19m，这两种情况下的大地阻抗分别为20米每欧姆和100米每欧姆。假定接地网被埋在土壤中，该土壤层大约0.8米厚，比设备外壳高度的相间距离更宽。
图10和11表明，当仿真电位时，改变界面的间距和相间连接的数量的作用可以被忽略。
使用屏蔽技术：
暂态地电位升通常是由电站终端开始，然后沿着传输线传播到电站内部的现象，而该传 输线由母线和大地构成回路。作为一种减轻暂态问题的办法，人们可能会使用金属保护壳或
者将屏蔽体放置在设备外壳和大地之间，以减轻电位升高，如图12所示。
图12 暂态传播的电磁屏蔽
这些屏蔽体实际上是法拉第笼的功能
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