立项背

由于GIS具有占地小、设备高度集成、检修维护方便的特点，在发电厂升压站的设计中越来越多地被采用，对于水电厂而言，由于电厂空间的限制，采用GIS进行升压站设计更是主要选择。相比敞开式升压站，GIS升压站由于波阻抗较小，结构紧凑，一旦出现开关分合闸、隔离刀闸操作等情况将出现快速暂态过电压，过电压以波的形势在GIS内部传播，遇到断口或终端将形成反射，由于GIS波阻抗较硬母线小，间隔更短，反射波与入射波反复叠加形成幅值更高、更加复杂的过电压。对于GIS内部的过电压，无法用解析或简化公式进行直接计算，对于结构特殊的GIS更加难以简单评估其过电压幅值。此外，发电厂GIS升压站中主变压器通过油气套管与GIS形成整体结构，在GIS操作过程中形成的暂态过电压将直接进入绕组内部，在绕组的不同部位将形成幅值差异较大的电位分布，给变压器过电压分析和评估造成了较大困扰

在不具备开展GIS升压站电磁暂态计算能力时，发电厂升压站设计、电厂GIS改造、过电压事故分析等只能参考典型设计或依据经验进行，未开展过电压量化计算。当前发电厂GIS升压站的设计、改造和过电压事故分析亟待开展的工作有：GIS分布参数在电磁暂态仿真软件中的建模方法研究，解决GIS升压站过电压精确计算的问题；变压器分布参数模型建模技术及过电压冲击下的内部电位分布研究，解决GIS升压站主变合闸过电压精确计算的问题

本项目通过获取GIS及其部件的结构尺寸，在有限元软件中建立电磁场仿真模型，计算得到部件的电阻、电感、电容参数；在电磁暂态路仿真软件中建立GIS升压站的仿真模型，采用路仿真软件中的基础元件组合搭建管道、断路器、刀闸等GIS部件，将场仿真软件中提取的参数赋值给对应的GIS部件基础元件。通过场路结合的方式完成了对GIS升压站的仿真模型建立，保证了仿真计算的准确性。为了准确模拟GIS升压站操作过程中变压器绕组内部的过电压分布，本项目建立了变压器绕组的梯形等值电路，通过对收集变压器绕组电容、电感、电阻测试数据结合电磁场仿真模型对绕组局部参数的提取，建立了变压器电磁暂态分布参数模型，实现了对变压器内部电位分布的计算，为开展变压器过电压故障分析提供了有力支撑

内涵和主要做

（1）由于GIS升压站在造作或外部作用下，容易形成过电压，而GIS本身在各类电磁暂态分析软中没有成熟的元件，需要通过基础元件搭建，本项目开展GIS分布参数在电磁暂态仿真软件中的建模方法研究，解决了GIS升压站过电压精确计算的问题

（2）GIS升压站中主变通过油气套管与GIS相连，GIS中形成的快速暂态过电压直接进入主变绕组，需要建立变压器绕组的分布参数模型，才能精确开展变压器内部电压分布计算，本项目开展变压器分布参数模型建模技术及过电压冲击下的内部电位分布研究，解决了GIS升压站主变合闸过电压精确计算的问题

（3）开展快速暂态过电压作用下变压器绕组内部电位分布研究，实现了对变压器内部绝缘问题过电压影响程度的评估

原理或机

由于GIS操作过电压的复杂性，采用电磁暂态分析软件开展GIS电磁暂态分析是量化分析GIS操作过程中过电压、过电流的主流选择。但是现有电磁暂态分析软件均不提供完成、成熟的GIS元件，尤其是在快速暂态过电压分析中，需要建立GIS分布参数模型，不仅要模拟GIS管道，还要对断路器、隔离刀闸等进行分布参数模拟。本项目通过获取GIS及其部件的结构尺寸，在有限元软件中建立电磁场仿真模型，计算得到部件的电阻、电感、电容参数；在电磁暂态路仿真软件中建立GIS升压站的仿真模型，采用路仿真软件中的基础元件组合搭建管道、断路器、刀闸等GIS部件，将场仿真软件中提取的参数赋值给对应的GIS部件基础元件。通过场路结合的方式完成了对GIS升压站的仿真模型建立，保证了仿真计算的准确性

在发电厂GIS升压站中，GIS与变压器通过油气套管直接相连，断路器和隔离刀闸操作形成的快速暂态过电压将直接作用于变压器的高压绕组。快速暂态过电压具有上升时间短，电压变化快、持续时间短、振荡频率高、不易监测等特点，对于变压器绕组内部的过电压分布只能通过仿真计算获取。为了准确模拟GIS升压站操作过程中变压器绕组内部的过电压分布，本项目建立了变压器绕组的梯形等值电路，通过对收集变压器绕组电容、电感、电阻测试数据结合电磁场仿真模型对绕组局部参数的提取，建立了变压器电磁暂态分布参数模型，实现了对变压器内部电位分布的计算，为开展变压器过电压故障分析提供了有力支撑

创新亮点和值得学习借鉴之

（1）针对发电厂GIS相关部件在电磁暂态仿真软件中无标准元件的问题，采用场路结合方法建立GIS的分布参数模型，实现了对GIS内部过电压的精确计算

（2）针对变压器绕组内部电压分布难以有效测量的问题，通过建立变压器绕组梯形等值分布参数模型，实现对GIS升压站变压器内部过电压电位分布的定量计算

（3）对各种操作方式下变压器的合闸过电压进行计算，计算结果与实测值进行比对，证明了计算方法的有效性

实施应用前后效果（益）情况对

实施

（1）发电厂GIS升压站根据典型设计手册开展建设工作，未开展过电压评估与计算，一旦遇到特异型设计，例如长管道设计方式，有可能出现操作或雷电过电压超过设备理论耐受值的情况，面对这种情况设计单位无法准确进行量化计算

（2）发电厂GIS升压站出现过设备损坏事故后，生产厂家和运维单位往往将事故原因笼统归结为过电压问题，由于没有成熟的GIS升压站过电压计算和评估方法，研究人员往往凭借经验判断处理，给GIS升压站的事故

（3）对于已经发生过过电压事故导致设备损坏的GIS升压站，如果要进行增加罐式避雷器等过电压防护措施，安装位置和布局没有进行量化计算，安装效果无法保证最优

实施

（1）建立发电厂GIS升压站仿真模型，对各种运行方式下升压站过电压水平进行定量计算，对于GIS升压站的设计，尤其是特异型GIS升压站，可以根据计算量化考核绝缘配置及过电压防护，适当增加避雷器等过电压限制措施

（2）采用仿真计算方式对发电厂GIS升压站过电压波形和幅值进行量化，对一次设备故障原因进行深入分析，避免电厂运行检修人员经验不足或设备厂家恶意推卸责任造成的事故原因分析不明确或后续纠纷

（3）开展GIS升压站设备损坏情况的过电压计算，对各种改造方案进行有效性验证，确保实施效果，避免类似故障的发生