（电工理论与新技术专业论文）电压暂降扰动源辨识的仿真研究.pdf

二丝d口 尸刁川j 本人郑重声明: 此处所提交的硕士学位论文 电压暂降扰动源辨识的仿真研究 ， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间， 在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得华北电 力大学或其他教育机构的 学位或证书而 使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学 位 论文作 者 签 名:.日 期: 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、 使用学位论文的规定， 即: 学校有权保管、 并向 有关部门送交学位论文的原件与复印件; 学校可以 采用影印、 缩印 或其它复制手 段复制并保存学位论文: 学校可允许学位论文被查阅 或借阅; 学校可以 学术交流为 目 的， 复制赠送和交换学位论文; 同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、 传播学 位论文的全部或部分内容。 潜密的 学位论文在解密 后遵守此规定 ) 作者签名:导师签名: 日期: 日期: 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 . 1本课题的提出 电能既是一种经济实用、清洁方便且容易传输、控制和转换的能源形式，又是 一种由电力部门向电力用户提供， 并由供、 用双方共同保证质量的特殊商品。 如今， 电能作为走进市场的商品， 与其他商品一样，无疑也应讲求质量11 。 电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电 网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中， 各相电压和电流的幅值应大小相等、 相位对称且互差1 20 。 但由于系统中的发电机、 变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行 操作、外来千扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运 行、电力设备和供用电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。围绕电能 质量的含义，从不同角度理解通常包括: ( 1) 电压质量。是以实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电 能是否合格的概念。这个定义能包括大多数电能质量问题，但不能包括频率造成的 电能质量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。 (2 ) 电流质量。 反映了与电压质量有密切关系的电流的变化， 是电力用户除对交 流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，还要求电流波形与供电电压同相位以保证 高功率因数运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和降低线损，但不能概括大 多数因电压原因造成的电能质量问题。 (3 ) 供电质量. 其技术含义是指电压质量和供电可靠性， 非技术含义是指服务质 量。包括供电企业对用户投诉的反映速度以及电价组成的合理性、透明度等。 (4 ) 用电 质量。 包括电流质量与反映供用电双方相互作用和影响中的用电方的权 利、责任和义务，也包括电力用户是否按期、如数交纳电费等。 国内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成统一的共识。但大多数专家认 为，对现代电能质量的定义应理解为 “ 导致用户电力设备不能正常工作的电压、电 流或频率偏差， 造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题” 121 ， 根据这一定义，电能质量除了保证额定电压和频率下的正弦波形外，还包括所有电 压瞬变现象，如冲击脉冲、电压暂降、瞬间间断等。 由于电能质量问题的种类繁多，各有其不同的特点，当发生电能质量问题时， 有效的找出扰动源，对于明确责任和对电能质量进行治理，具有重要意义。目 前对 部分电能质量扰动的监测和扰动源的识别还存在一定的困难，其结果是电能质量扰 华北电力大学硕士学位论文 动原因不明，找不到引起电能质量问题的责任者，导致供电公司和用户之间的矛盾 日 益突出，同时也使得改善电能质量，对电能质量进行治理缺少针对性的措施。 近十多年以来，在电能质量问题的各种现象中，电压暂降是造成电压敏感设备 不能正常工作的主要原因， 通常可以认为70% 9 0 %的电能质量问题是由电压暂降引 起的t31。 实际上电压暂降并不是一个新问题。但由于以往的绝大多数用电设备对电压的 短时突然变化不敏感， 因此该问题并未引起人们的关注。 随着用电设备的技术更新， 特别是20世纪80年代以来，数字式自动控制技术在工业生产中得到大规模应用，如 变频调速设备、可编程逻辑控制器、各种自 动生产线以及计算机系统等敏感性用电 设备的大量使用，对供电系统的电压质量提出了更高的要求，该问题才引起各有关 部门与研究人员的广泛关注，并逐渐成为主要电能质量问题。另外，电压暂降会导 致企业生产率和产品质量下降、制造成本增加，阻碍企业正常的生产计划。同时， 对各电力部门来说，由电压暂降引发的客户抱怨以 及经济纠纷增多，会影响其在电 力 市 场 环 境 下的 竞 争 力 4j 。 电压暂降的扰动源辨识是指根据检测到的电压暂降数据特征识别暂降源的类 型及暂降源在电网中的相对位置，准确的千扰源辨识不但有助于评估区域配电系统 和选择合理的治理措施，而且可以作为电力市场环境下供电部门、用户以及设备供 应商之间协调纠纷的重要依据。其主要意义体现在以下几个方面: ( 1) 协调供电和用电矛盾。 如果明确了引起暂降的责任方，由电压暂降造成的供 电公司和用户之间的矛盾就迎刃而解，并有利于提高供电公司的服务水平。 (2 ) 有利于提高供电质量. 通过对电 压暂降规律的探索， 供电公司从电压暂降事 故中，总结经验，采取有针对性的措施，提高电能质量水平。 因此，进行电压暂降辨识的仿真研究，为实际中辨识电压暂降，确定暂降扰动 源提供可行性方法。 1 . 2本课题的研究现状 电压暂降问题己经引起世界各国的广泛关注， 许多国家已开展了电压暂降的 长期监测工作，如在系统中的特殊点处装设专门的电能监视装置，及时准确地检测 出电压暂降的发生情况，为抑制和改善电压暂降获取了直接的数据信息。下面是一 些电压暂降的监测结果: ( 1) 美国e p ri对电压暂降进行了长期、 广泛的实测， 结果表明许多电压暂降的幅 值是变化的，且有的还伴随着相位的突变、不对称以及波形的畸变，另外绝大多数 的电压暂降幅值小于40%额定值，且持续时间不足10个周期，因此如果能够持续 华北电力大学硕士学位论文 20o m s 补偿3 0 % 的负荷容量，则估计可以消除95%以上的电压暂降扰动15. (2 ) 英国1 9 9 5 年就电能质量问题对容量超过i m w的1 00家用户做了调查。结果显 示: 在监测的12个月里， 69% 用户的生产过程因电能质量问题而受到破坏， 其中45% 的用户遭到多次扰动，在事故原因调查结果统计中发现，83%的事故由电压暂降和 短时间断造成t51。 (3 ) 自 19 91年起， 加拿大电 气协会(ce a ) 开始了一项为期三年的电能质量调查， 调查的主要目的是了解加拿大电能质量的现有状况。共有2 2 个电力公司参加了本次 调查，在5 50个地点 ( 工业、事业和民用)进行了监测。其工业用户组的调查结果 表明:每个用户侧监测点每相每月平均发生38次暂降，电源侧平均为4 次。用户侧 85%的监测点每相每月平均发生过1 0 2 0 次电压暂降，电源侧为5 一 6 次。商业用户组 的调查结果表明: 用户侧70%的监测点每相每月平均发生过2 3 次电压暂降， 电源侧 发 生1 2次电压暂降61 ， (4 ) 在欧洲， 企业已 普遍认识到电能质量对其生产的影响， 在与供电部门签订供 用电协议时，对电能质量做出了严格限定，并明确双方各自的权利和义务。如美国 d e t t o ite di 即 n 公司根据电压暂降幅值和与之对应的频次指标，对用户监测点做了电 压暂降评分计算，若分数不合格，用户有权向供电方索赔所造成的全部损失。 这些调研结果无疑为解决电压暂降问题提供了重要的参考。与此同时，许多专 家在以 下几个方面对电 压暂降问 题进行了 深入研究:电压暂降指标体系的建立17 : 电压暂降产生的机理151 、电压暂降对用户设备的影响以 及减小电 压暂降的技术措施 19 :电 压暂降的监测技术、 随机预测和统计 分析1 10 ; 不平衡电 压暂降的 特性 11 j 、 分 类以 及电 压暂降在不同电压等级间的 传播112 】 ; 电 压暂降 域的 研究以 及电 压暂降过程 的 仿真 计算; 电 压暂降 对配电 系统可靠性的 影响113 1 等， 取得了 许多重要的理论和应 用成果。 在电压暂降扰动源辨识方面文献【 14 中作者给出了扰动功率与扰动能量的定 义，在电力系统稳定运行期间认为系统是平衡的，此时扰动功率是一常数。当发生 电压暂降时，系统潮流发生变化，使得瞬时扰动功率发生变化，利用监测装置记录 的电压电流数据通过计算暂降发生后扰动功率与扰动能量确定暂降扰动源所处位 置，即位于监测装置之前还是之后;文献 1 5 首先定义了暂降源的相对位置，即相 对于监测点的上行系统和下行系统，分析了产生暂降的原因，根据不同原因的特征 来判断扰动源位置。以上两文只是针对电网中某点确定扰动源的相对位置，并未明 确判断暂降扰动源所处电压等级和馈线，也未对扰动原因进行判别。文献【 1 6 用 e mt p 建立了一个配电网电压暂降仿真系统，并对多种原因引起的电压暂降进行了 原理分析，利用暂降电压的波形特征对扰动原因进行识别，但未对扰动源位置进行 判断。可见，目前对于暂降扰动源辨识的研究不够完善，还需要进行深入的探讨。 华北电力大学硕士学位论文 1 . 3本文的主要工作 通过上述对电压暂降问题的认识，以及该领域研究现状分析可知，确定暂降扰 动来源和原因，是一个迫切需要解决的新课题，对电力系统和用户都具有重要的意 义。 本文对暂降传播特征和暂降源辨识进行了研究， 主要做了以下几个方面的工作: ( 1 ) 从理论上分析了三种主要原因， 即系统短路故障、感应电动机启动、 变压器 激磁引起电压暂降的过程，并根据电压暂降过程中电压、电流的变化分析总结三种 原因造成电压暂降的特征，为后文电压暂降扰动原因识别提供理论基础。 (2 ) 分析电压暂降在配电网中传播特性。 将短路故障引起的电压暂降分为五种类 型，结合不同变压器绕组连接方式推导计算了不同类型电压暂降在单电源辐射状网 络中的传播情况:通过 ma t l a b仿真试验分析了变压器激磁和感应电机启动引起 暂降的传播规律与变压器绕组连接方式的关系:分析了系统短路容量的大小对电压 暂降传播的影响，最终得到电压暂降传播规律，为电压暂降扰动原因识别及扰动源 定向提供依据。 (3 ) 根据电压暂降在配电网中传播规律， 提出了通过计算电压暂降能量比和母线 电压与各馈线电流相关系数来判断暂降源来源的方法:根据三种原因引起的电压暂 降特点，引入了二次谐波含量指标，并结合暂降结束幅值信息指标、故障电流线模 量指标对电压暂降扰动原因进行识别。 (4 ) 在m 八 i l a b / si m u l 取k中建立了 简单的电 力系统模型， 通过模拟线路故障、 变压器投运、电动机启动，使监测点发生电压暂降。提取监测点电压、电流数据。 对所提出的暂降扰动源辨识方法进行验证。 华北电力大学硕士学位论文 第二章 电压暂降 2 . 1电压暂降的定义 电压暂降是指供电电压有效值在短时间突然下降的事件，其典型持续时间为 0. 5 一 30 个周波.国际电 气与电 子工程师协会(i e e e)将电 压暂降定义为供电电 压有效 值快速下降到额定值的 90% 一 1 0 % ;而国际电工委员会(i e c)定义为下降到额定值的 90% 一 1 %。本节在介绍电压暂降基本概念的基础上，着重分析暂降起因及其幅值特 征。 2 . 1 . 1暂降幅值 暂降幅值可以反映电压下降的程度，是描述电压暂降的一个非常重要的参数。 图2 一 1 为一次电压暂降幅值示意图。 (日。)封 图2 一 1电压暂降示意图 在电压暂降的分析中， 通常将电压瞬间跌落后供电系统中的残留电压有效值与 额 定 电 压 有 效 值 的 比 值 定 义 为 电 压 瞬 间 跌 落 的 幅 值 ， 如 图2 一 1 所 示低， 但 在 使 用 电 压幅值时容易出现混淆. 例如， “ 20% 暂降” 可能是指结果电压为0. s p. u. 或0 .2 p. u . 。 虽然现在还没有特别规定说明， 国内和国际标准多采用后者。 “ 2 0 % 暂降” 含义是“ 下 降为2 0 %”，即在此期间有效值降低了80%。 2 . 1 . 2 电压暂降持续时间 电压暂降持续时间是指从电压有效值下降到一定闽值( 一般取 90% ) 开始到电压 恢复到此阐值所经历的时间( 如图2 一 1 所示) 。如果电压暂降是由于系统发生瞬时短 5 华北电 力大学硕士学位论文 路故障引起的，那么这段时间通常受重合闸时间的影响，比故障的恢复时间要长一 些。一般说来，由输电线路发生故障引起的电压暂降持续时间较短，原因就是输电 线路上距离保护和差动保护用得比较多，保护动作时间和断路器的动作时间都短。 而配电线路的保护大部分都是过流保护，分段式过流保护更增加了故障切除时间， 导致电压暂降的持续时间增加。 通常，人们将电压暂降从发生到结束之间的时间定义为持续时间，这对矩形形 状的电 压暂降 来说是准确的， 但对非 矩形形状则不 够准确。 文献 1 7 指出 ， 约有1 0 % 的电 压暂降幅值是非矩形的，对于这种非矩形形状的幅值，其跌落持续时间的界定 是近似的， 也是比较困难的。 对于所谓“ 故障后电压暂降” 事件， 就存在这种问题。 当线路故障被清除时，电压还未立即恢复，这时若公共母线上接有大容量电动机负 荷，电动机在电压上升时，重新加速启动，导致母线电压下降，从而形成 “ 故障后 电压暂降”，对于这种电压暂降事件，电压暂降持续时间的界定是困难的。 文献【 1 8 提到了确定电压暂降持续时间的另一种方法: 对周期为t 的单相电压， 当在一个时间窗口( 其宽度是t 1 2的倍数) 内计算的r ms值小于90% 标称电压时， 就发生了电压暂降它开始于上述条件被确认的窗口中第一个窗口的起点，结束于 最后一个窗口的终点。 图 2 一 2是电压暂降的持续时间和幅值的统计图。其中:1 一 输电系统故障;2 一 限 流熔断器:3 一 当地配电网故障;4 一 远方配电网故障;5 一 大型电机启动;6 一 短时供电 中断。这张图大体显示了不同深度、不同持续时间的电压暂降分布情况。 脸 oolf 00 .乃翻 0 . 10 . 20 . 5 图2 一 2电压暂降幅值和持续时间的统计 华北电力大学硕士学位论文 2 . 2电压暂降的起因 电压暂降是配电系统中最为常见的一种电能质量扰动，由于其发生频率高、造 成经济损失严重在近年来引起了各方面的关注。造成电压暂降的原因总的来说是由 于流经系统电源阻抗的电流突然增大，造成电源阻抗分压增加，进而引起公共供电 点 ( p o into f c o mmo n co 即 1 1 昭， p c c ) 电 压 暂降. 电压暂降按照产生原因可以分为故障类暂降和非故障类暂降。故障类暂降主要 为短路故障。故障导致持续停电或瞬时停电，并在相邻馈线产生电压暂降.由于输 电线路和配电馈线大多暴露在自 然环境中，瞬时性故障相比持续性故障更加频繁， 因此从用户角度讲，电压暂降的频率往往高于持续故障。输配电系统中的多数故障 为单相接地故障，该故障将引起该相电 压暂降，是产生电压暂降的主要原因之一。 据统计，单相、两相和三相电压暂降占全部由短路导致的电压暂降的比例分别约为 “% 、1 7 % 和 1 7 %;非故障类暂降包括变压器激磁涌流、感应电机的启动、电弧炉、 轧钢机等冲击性负荷的投运等， 但与前者相比并不太严重。 感应电机全电压启动时， 需要从电 源汲取的电 流值为满负荷时的5 00% 8 00%11 ，这一大电 流流过系统阻抗 时，将会引起电压突然下降。这种暂降的持续时间较长，但暂降程度较小，相对短 路故障引起的电压暂降，对用户造成的影响较小。 2 . 3 不同原因导致的电压暂降幅值特征 2 . 3 . 1短路故障引起的电压暂降t lg 短路故障是引起系统中电压暂降的主要原因之一，通常由雷电、大风、雨雪等 天气因素造成， 动物或树枝搭接线路、 绝缘差、 工程运输活动等也会引起线路故障。 它们在系统中传播会对用户造成严重的影响，因此得到了用户的密切关注。系统中 某一点发生这种电压暂降时， 其暂降幅值的确定主要取决于短路类型、 故障点位置、 变压器接线方式和短路阻抗。 故障可能是对称的( 三相短路) ， 也可能是非对称的( 单 相接地故障或两相相间短路或两相短路接地) 。因此，每一相的电压暂降幅值可能 相同( 对称故障) ，也可能不同( 非对称故障) 。 华北电力大学硕士学位论文 如图2 一 3 是短路故障引起电压暂降的系统模型。 图2 一 短路故障引起电压暂降 图2 一 3 中 ， 2 ， =r 。 +jx 。 是p c c 的 电 源阻 抗; z f = r f + jx， 是 故 障 馈 线 线路的阻抗。 p c c是同时给馈线线路和负荷线路供电的网络节点，即负荷电流与故 障电流分流的节点。 假设 故障 发生前后 负 荷电 流可以 省略， 则电 源阻 抗25上 流经的电 流js 为: e 15 瓦 丁 不 (2一 1) 当 短 路 故 障发生 后，zr减小，1 : 增大. p c c电 压可以 表 示为: k 气 = e 一 25几( 2 一 2 ) 故障后，由于电源阻抗分压增加，p c c电压下降，发生电压暂降。假设电源容 量 无限 大， 即 恒有电 源的 标么 值e= 1 ; 且故障 阻抗几= z x l = (r 十 jx ) ， 其中2 为 故 障线路单 位距离阻抗， l 为故障点到p c c 距离， 将公式( 2 一 1 ) 代入( 2 2) 可得电 压暂降 幅值为: 玄xl 25+ z x l ( 2 一 3 ) 一一 叹 由式(2 一 3) 中可以看出，l 越小，即故障点离p c c越近， p c c电压暂降越严重。 p c c 经受的电压暂降幅值变化是由电源阻抗、 线路单位阻抗、 故障点与p c c之间的距离 决定的。并且负荷终端设备经历的电压暂降与网络中变压器绕组连接方式、中性点 华北电力大学硕士学位论文 接地方式以及设备接线方式都有关系。 配电网或工厂内部发生的故障一般只在本条支路及附近支路产生电压暂降，而 发生在输电线路上的故障则会引起较大范围的电压暂降。暂降电压波形中的陡降处 对应故障的发生时刻，而电压恢复处对应故障自消除或被保护装置的切除，因此， 故障引起电压暂降的持续时间基本和保护装置发现并清除故障时间一致。 图2 一 4 是配电网中 单相接地故障引 起的电 压暂降 仿真结果。 其中 ( a) 为电 压瞬时 值变化过程伪 ) 为电 压有效值变化过程. 盖 沁 .一 m一 熊! 瓤蒸 需 户 一六!.一陷! 一l 厂 丫丫 ( 一一 洋 六 五 一 (! 撰 .万 峨 l 从 ( ( v v 以 万甲( 现7 药 )产 护 刀沪 口 又动 夕 撇 ) ) 洲 一 w一 - 如 ( a) 电压瞬时值变化过程 同! ! ! 一一 ;- -. - -. 一 甲 一 二 ! ， c一 一) - 一广l丫 妙 一一一 飞 f 一 了 一， 黔 一 !一!一井 二 百 .一了 - !.一 丫分 从 一豁 一厂 沁 !、 一 歹 一 !一x 一 i- 一一 丫 一 一一 甲一 一 ，/ - 一 一.!.一 .一 ，洛 血 电压有效值变化过程 单相接地故障电压波形 (b)2-4 图 9 华北电力大学硕士学位论文 综上分析，故障引起的暂降电压波形的典型特征为:电压暂降发生和恢复波形 陡，基波电压的幅值变化过程呈矩形:故障期间可能出现多级暂降;突变点之间的 电压幅值基本不变;不同的故障类型会引起不同的三相电压暂降程度和相角变化。 2 . 3 . 2 感应电机启动引起的电压暂降z0l 感应电动机因其结构简单、运行可靠等优点在工农业生产和日常工作中得到广 泛应用。在电网的总负荷中，感应电动机用电量约占60%以上，是电网中的重要负 荷，它在启动时会引起附近区域的电压暂降。 如图2 一 5 是感应电动机启动引起电 压暂降的系统模型。 图2 一 5感应电动机启动引起的电压暂降 忽略其它负荷电流，当感应电动机启动后，定子电流增加( 一般是正常工作电 流的2 一 8 倍) ， 则流过系统阻抗25的电 流增加， 使得系统阻 抗的分压增大， 导 致p c c 点电压下降，引起电压暂降。 感应电动机启动电流大是引起电压下降的根本原因，但它并不是电压下降深度 的决定因素。电动机启动容量和上级变压器的剩余容量以及局部电网容量共同决定 了电压暂降程度。如果电动机启动容量接近上级变压器剩余容量，则会引起较大的 电压暂降，并对其他用电负荷造成影响:否则电压暂降程度轻微。 图 2 一 6给出了三相感应电机启动时引起的电压暂降仿真结果。t = 0. 1 秒时电动 机启动，三相电压同时下降，随后慢慢恢复，直到t = 0. 2 秒，电压趋于稳定。其中 ( a)为电压瞬时值变化过程( b)为电压有效值变化过程。 华北电力大学硕士学位论文 ， 己卜 一) 阶 毛 i a日 姗 f ! 一 一 ) !一 一 一 ! 千 ! ) ! !j一 一 一 一一 一 . (十 l!几 )ill 一 ! tis ( a) 电压瞬时值变化过程 1 _ 苗 -!一 l 、c 沪 尸一 .-:十.-，: 日 -。宁-!+-;-斗.-了: 一窝- 户 - . ， 卜 。 - - “一 卜- 二。一一个一。 - - 寸 。 . ， 卜 - 曰二。 - 二卜 。 。 肠d 0 5。 . 乃。 .书d . 4 呱09晰叨叭 ，d (b )电压有效值变化过程 图2 一 6三相感应电机启动时电压波形 由此得出感应电动机启动引起的电压暂降波形特征:三相电压暂降相同， 电压 暂降达谷底后立刻恢复， 恢复过程是渐变的， 相角基本不变。 l 1 华北电力大学硕士学位论文 2 . 3 . 3 变压器激磁引起的电压暂降121 】 变压器是电力系统中十分重要的供电元件，当变压器终端电压发生剧烈变化 时，由于变压器铁芯的饱和效应可能产生很大的激磁涌流，将引起所连接母线电压 下降。如图2 一 7 是变压器激磁引起电压暂降的系统模型。 图2 一 7变压器激磁引起电压暂降 当 变压器空载投入时，暂态主 磁通护 、 稳态最大主磁通凡与投入初相角a 的 关 系近似表达如式(2一 4)所示。 护 = 凡c o s a + 汽c o s ( 四+ “ ) ( 2 一 4 ) 变压器在稳定状态下，铁芯中的磁通为一特定的值，对应电压波形的每一个特 定的点。当对变压器加电压时，铁芯中磁通的初始值不是一个不变的值，发生瞬变 过程后，磁通逐步恢复为稳定状态。因此，磁通将会每个周期高于饱和值一次，直 到其平均值衰减到几乎为零。这种暂时的变压器铁芯过磁通会导致很高的磁化电 流，这种现象被称为磁化涌入电流，其大小和变压器投运时正弦电压的初相角及铁 芯剩磁有关。由上式看出，当零初相角投入时，暂态最大主磁通是稳态时的2 倍。 考虑剩磁因素，甚至达到 2. 2 2.3倍。由于变压器正常运行时铁心已较为饱和，使 得激磁电流可达正常值的几十倍甚至几百倍( 相当于额定电流的卜8 倍) 。因此初相 角为0 时产生最大的涌流，此时电压暂降程度也最深;相角为9 0时，则不会产生 涌流。由于变压器投运时三相的初相角始终互差1 20 ，因此，变压器投运引起的电 压暂降总是三相不平衡。线圈铜损导致暂降电压的恢复是个逐渐过程，小型变压器 的电阻较大，电抗较小，约几个周期就达到稳态;而大型变压器由于电阻较小，电 抗较大，一般需要几十个周期才能达到稳态。如图2 一 8 所示变压器激磁引起的电压 华北电力大学硕士学位论文 暂降仿真结果: 姗 卿卿 撇 骊 ! ) 一 一 一 一 一 j 一 一 1一 一 睁 l ! 一 一_ 一 ! !一 1 一 一 (l ;从 i l 1 i l) i 儿 澜! l ，d 确 ;d 电压瞬时值变化过程局部放大 l 3 华北电力大学硕士学位论文 12 1 _ 1 1 哭 09 己 卜 d _8 d .7 06 一一!一一一一一 _一_ _ 一 1 - 一 百 - / ic l ; / !一一 一 甲一 !一 止 !一一 几 ， 川 州万 州 -，尸 呼. 七斗 一 尸 一尸 一 臼 书 j 一产 r 卜一尸 一 沙 分 一 曰 一 一 u 厂 爪 _一 一!” .一，!. .一 一 .” !一一 一 一!一 o1d _ 1 50 .20 .250 3。 t翁。 滩 tib 。 . 巧。 石0 肠0 石 (c )电压有效值变化过程 图2 一 8 变压器投运时电压波形 变压器投运过程中由于三相不对称和正负半周不对称，形成较大的三次谐波分 量 和偶次谐波分量( 主要是二次 和四次 ) t22 1 。图2 一 9 为图2 一 8 暂降过程中 谐波电 压含 量变化曲线。 ! 丫 厂 三灰气 密 菠 甲 犷 ! _ 飞人_ 尸沪 .一 . 反 醉 次诺波 一 一卜戒、 气 卜厂一 黔 说等苏三 二 一 一”一 下 尸又.一拼 于 节 认 、_、 . 、 ， . ; l 立 伏 1 甘 凌 i ，d ti s 图2 一 9变压器激磁期间的谐波含量变化曲线 l 4 华北电力大学硕士学位论文 基于上述分析可以得到变压器投运引起的暂降电压波形特征:三相电压暂降程 度不同:暂降电压逐渐恢复，无突变;暂降电压波形中含有高次谐波。 2 . 4 本章小结 不同干扰源引起的电压暂降，其波形变化过程是不同的: ( 1)短路故障引起的电压暂降，由于保护动作，其有效值变化迅速; 饱和和感应电机启动引起的电压暂降，有效值骤降后恢复缓慢。 (2 ) 由于变压器每一相的饱和程度不同，引起的电压暂降是非对称的 电机是平衡负荷，引起的电压暂降是对称的。 由此可见，暂降的电压变化特征是和特定的千扰源相联系的，因此， 这些特征来辨识电压暂降的干扰源。 而变压器 而感应 可 以利用 华北电力大学硕士学位论文 第三章 配电网电压暂降传播特性 3 . 1 电压暂降的传性 图3 一 1 所示为一具 有架空 线的 配电 系统l 。 在架空线路上发生的多数故障属于 暂态性质。 图3 一 1 中的分支线路采用慢速熔断器保护， 当主馈线断路器( 重合闸装置) 清除暂态故障时，熔断器不动作。 断器 变电所 图3 一 1带有熔断器和重合闸的架空线路的配电系统 当分支线路 1 在0. 35发生三相瞬时性故障时，线路1 和线路2 处的电压有效值 变化如图3 一所示. 假设断路器在故障发生后0. 35开始动作， 则图3 一 2 中0. 3 司.3 45 为故障切除时间，0. 3 4 一 2. 3 45为重合闸所需时间。故障发生后，分支线路 1 经历一 次电压暂降， 0. 3 45时故障清除， 线路 1 电压中断。若重合闸重合成功，线路1 电压 恢复正常.在此期间，非故障线路2 承受一次电压暂降( 见图3 一中虚线) 。可见当 配电系统中某处馈线或分支线发生瞬时性故障将会引起相邻分支线路和平行馈线 电压暂降，电压暂降具有传播特性。 1 - 一 一 一 一 一 一 一 一 尸 - 少 电压暂降 刁， 短时电压中断 0.60.40.2 .昌二 00 . 3 0 一 3 411 522 . 3 43 tls 图3 一 分支线 1 和 2 处电压有效值变化情况 目 前我国电力系统的网络结构主要为5 00kv 和2 20k v构成的输电系统: 1 10kv l 6 华北电力大学硕士学位论文 的高压配电系统、3 5 k v和 10k v的中压配电系统以及4 0 0 v低压网络。 50o kv 和2 2 0 k v以上的输电系统， 网络结构强、 短路容量大、 系统故障率较低。 虽然短路电流也较大，电压暂降幅值瞬间下降严重，但是输电系统普遍采用基于双 端量的快速纵联保护，如高频保护、差动保护等，保护动作速度快、电压暂降持续 时间较短( 一般低 10o m s)，对于低压用户的影响也较小。反而是 110 kv 以下的配电 系统，由于网络庞大复杂，继电保护也主要是基于单端量的距离保护、电流电压保 护等，故障发生率较大、电压暂降持续时间较长， 严重地影响着低压用户的正常工 作. 虽然敏感负荷主要位于低压网络中，但是故障可能发生在电力系统的任一电压 等级的任意节点。实际系统中大部分电压暂降问题存在于配电系统中，输电系统故 障引 起的电 压跌落影响 低压用户也必须经过配电 系统的 传播123 1 。 因 此详细地分析电 压暂降在配电系统中的传播规律，对于电压暂降扰动源辨识具有重要的意义。 3.2 故障类暂降类型l 大多数电压暂降都是由短路故障引起的，各种类型的短路故障都能够引起电压 暂降:三相短路故障、单相接地故障、两相短路故障以及两相短路接地故障，这些 短路故障引起的电压暂降一般都比较深，并且在输配电系统中影响范围比较广。为 分析故障类暂降在电网中的传播，对图2 一 3 所示电路模型作如下假设: (l ) 电 源电 动势标么值e= 1 ; (2 ) 正、负序系统阻抗相等: (3 ) 忽略故障发生前、 发生期间与发生后的负荷电流. 根 据故 障原因 将暂降 分为以 下四 种 情形124 : a型暂降:是由 三相短路故障引起的电压暂降。三相电压幅值下降大致相同， 且相角不发生变化。其电压表达式见式( 3 一 1 ) 。 氏= u 一 告 u 一 ， 一 告 u + ， 万， ， 口 2 万， ， -口 (3一 1) 一一-一 矶uc r.j.! 式(3 一 1) 中，u 为发 生暂降 后a相电 压幅 值的 标么 值。 华北电 力大学硕士学位论文 b型暂降:是由单相短路故障引起的电压暂降。故障相电压幅值下降，且由于 零序阻抗与正序阻抗的不同导致非故障相电压也受到影响，但在暂降分析时认为非 故障相幅值保持不变。a相接地故障的电压表达式见式( 3 一 2)。 (3一) 万-2万一2 刁1尸如 氏 f.|拟1.巴 式(3 一中，u 为发生暂降 后a 相电 压幅值的标么 值。 c型暂降: 是由两相相间短路引起的暂降。 非故障相电压幅值和相角保持不变， 两故障相电压幅值降低且发生相角变化，同时向远离非故障相偏移。b c两相短路 故障电压表达式如式( 3 3 ) 所示。 认= 1 一 百 一 j 一 喜 * j 万， ， v 2 万， r -口 ( 3 一 3 ) flwe拟!卜 式(3 一 3) 中，u 为0 u 1 的一个系数。 d型暂降: 由两相接地故障引起的电压暂降。 当系统正、 负、 零序阻抗相等时， 两故障相幅值降低，相角保持不变;非故障相电压幅值和相角均不变。b c两相短 路接地故障的电压表达式如式(3 一) 所示。 ( 3 一 4 ) uu 石一2万一2 二 一 告 。 一 ， = 一 告 。 + ， 式(3 一中，u为发生暂降 后b 、 c相电压幅值的标么 值。 华北电 力大学硕士学位论文 以上四种型式的电压暂降向量图如图3 一 3所示，图中虚线为故障前电 压向量，实线对应于暂降电压向量。 丫一_ 了 竺 障 相 ( a )a 型暂降( b )b 型暂降 障相 了 故 障 相 故障相 ( c )c 型暂降( d )d 型暂降 图 3 一 3四种类型电压暂降向量图 3 . 3 变压器绕组连接形式对电压暂降传播的影响 变压器有很多种类型，为描述暂降在不同电压等级之间的传递， 按照变压器绕 组连接方式可将变压器分为以下三种类型: (l ) 一、 二次侧电 压标么值相等的 变压器， 即一、 二次 侧中 性点 均接地的y ， y 接线变压器。称为 1 型连接方式。 (2)去掉零序电压的变压器，变压器二次侧电压等于一次侧电压减去零序分 量。 属于该类型的 变压器有: 单边或两边均不接地的y ， y 接线变压器、 d ， d 接线 和d ，2 接线变压器。称为n型连接方式。 (3 )线电压与相电压互换的变压器，变压器二次侧电压等于两个一次侧电压的 差。d ， y 、y ，d 接线和y ， 2 接线变压器属于该类型变压器。称为m型连接方式。 设u 沁 邢、口 。 分 别 代表 变 压 器原 、 副 边 相电 压， t 为 变 压器原 边到副 边的 变 换矩阵，则变压器两侧相电 压之间的关系如式( 3 一 5) 所示。 u 诚 = t x u ( 3 一 5 ) 式(3 一 5)中， 变换矩阵t 对应三种连接方式的变压器分别如式( 3 6)、 ( 3 一 7)、 ( 3 一 8) 华北电 力大学硕士学位论文 所示125 . ( 3 一 6 ) ，几nn rlseeel -一 丁j ( 3 一 7 ) 以2-l 2月月 res.1.l 113 -一 兀 ( 3 一 8 ) ，.!.卫lesj 刁10 10-l 0刁1 r.1.月eseej j一石 - 兀 3 . 3 . 1 变压器绕组连接形式对故障类暂降传播的影响 由于变压器是电力系统中各电压等级之间主要的连接元件，因此分析变压器对 暂降类型的影响将有助于确定暂降源的位置。 本节以c型暂降为例分析其经过变压 器的变换情况。 设呱 、 编 、 吸 分 别 为 变 压 器 原 边a 、 b 、 c相电 压 : 兔、 九、 久分 别 为 变压器副边 a 、 b 、 c相电压;0 u l 为实系数.则式( 3 一 3)可进一步表示为式 ( 3 一 9 ) 。 l l 一 万 一 j 一 粤 十 j 名 1 匕 0 a 匕 一 1 5 0 + a !川 乙80 一 “ ( 3 一 9 ) 一一 uu 万-2石-2 .嘛.vha.蝙 式(3 一 9) 中 ， !川 =生 + 兰 u ， 1 . 44 a = 刊 m 加 叮 决心 将式( 3 一 9)代入式( 3 一 5)中， 依次选择兀 、兀、兀 作为变换矩阵， 结果分别如式 ( 3 一 1 0 ) 、( 3 一 1 1 ) 、( 3 一 1 2 ) 所示。 通过 1 类变压器: 华北电力大学硕士学位论文 resweestj - ，.1esesesesj 1 匕 0 a 之 一 1 5 0 + a 1 艺0 a 匕 1 8 。 一 。 汉 匕 一 1 8 0 + “ 1通 艺 1 8 0 一 a ( 3 一 1 0 ) x 们|引|月 .蝙嘛.呢 个 一一 吸几吸 通过n类变压器 - ，.!.卫.j x 刁-12 -l2刁 2-l-l -!1一 113 一- 胜.j .嘛.蝙.蝙 尸.十.月 = 兀x 1 艺 0 a 一 1 8 0 + a 1 匕0 ( 3 一 1 1 ) a l匕 l 8 0 一 a a l匕 一 l s 0 + a a l乙 1 8 0 一 a 叽呱吸 通过111类变压器 reese.j - ，les几.j u艺0 回 艺 一 l8 0 十 “ 刁 艺 l 8 0 一 “ b 乙 一 1 8 0 + 声 b ! 1 8 0 一 刀 ( 3 一 1 2 ) x ，.胜.刁 -l10 10-l 0-l1 j-万 f .嘛.蝙.蝙 今 -一 嵘嘛叽 式 中 : !川 =旦 + 生 u ， 气时，电压暂降 是 由 变 压 器 激磁引 起的 ;当气 气时，电 压暂降 是由 短 路故障 或感应电 机启动引 起. 4 . 2 . 2 电压暂降结束幅值信息129 1 观察图2 一 4 伪 ) 和图2 一 6 ( b) 可知，对短路故障引起的电压暂降，当故障清除后电 压幅值立即恢复，在电压暂降结束瞬间三相基波电压幅值仍很低;由感应电动机启 动引起的电压暂降幅值恢复缓慢。因此，取电压暂降结束幅值信息可以区分短路故 障和感应电机启动引起的电压暂。当电压暂降结束瞬间基波三相电压幅值最小值 叽抽 之 叽时， 判断为 感应电 机启动引起的电 压暂降， 否则为 短路故障引 起的电 压暂 降。 4 . 2 . 3 短路故障类型识别 对第3 . 2 节中短路故障引起的a型、 b型、 c型和d型暂降作对称分量变换129 ， 变换后所得正序、负序、零序电压分量如表4 一 1 所示。 表4- 1 对称分量变换 电 压序分量a型暂降b型暂降 (u + 2 ) / 3 c型暂降 (l+ u ) 1 2 d型暂降 (2+ u ) / 3 ( u一 1 ) / 3(l一 u ) 1 2(l 一 u ) j 3 uo 认矶 华北电力大学硕士学位论文 续表牛1对称分量变换 电压序分量a型暂降 c型暂降 u0 b型暂降 ( u一 1 ) 1 3 d型暂降 (l一 u ) / 3 表今 1 中 ， 矶、 矶、 uo分 别 是电 压的 正 序、 负 序、 零 序 分 量. 从表4 一 1 中 可以 看出， 当uo= 0 时，说明 发生a型暂降 ( 三相短路故障引 起) 或发生 c型暂降 ( 两相相间短路引起) ，且由于a型暂降三相电压对称，所以不存 在负 序电 压; 当矶笋 。 时， 说明发生b 型暂降( 单相故障引 起) 或发生了d型暂降 ( 两相相间短路接地引起) 。 为进一步确定故障原因，需充分考虑各种类型故障下电流的特征，在此引入电 流线模量13 0 ， 如式( 今 1 1 ) 所 示。 ( 4 一 1 1 ) jb刀 .1.1 - 州fcfa .了jj才.了 一-一一- jj了 ，且23