（电气工程专业论文）110kv变电站暂态过电压研究.pdf

重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t s w i t c h i n gc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r sa n ds w i t c h i n gt r a n s f o r m e ra r et w ok i n d so ft h e m a i nc a l l g e so f o v e r v o r a g ea n df a i l u r eo f p o w e re q u i p m e n t t h i sp a p e ra n a l y s e sc a u s e so f t h eo v e r v l o t a g em e n t i o n e da b o v e t h es i m u l a t i o nm o d e li sb u i l to nt h eb a s eo f a t p e m t ps i m u l a t i o np r o l v a m , a c c o r d i n gt ot h ex i a o h e1 1 0 k vs u b s t a t i o n t h et w o k i n d so fo v e r v o l t a g ea r cs i m u l a t e du n d e rv a r i o u ss u b s t a t i o nw o r ks t a t i o n t h es i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h eo v e r v o l t a g ed u et os w i t c h i n gc o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r si sw e a k , b u tt h e v o l t a g eo ft h ei n t e r f a c ei sm u c hg r e a t e rw i t h3 0p ua m p l i t u d e d u r i n gt h es w i t c h i n go f n o - l o a dt r a n s f o r m e r , t h eo v e r v o l t a g ew i t hb r e a k e rr e s t r i k e di sm o r es e r i o u st h a nt h eo n e w i t hb r g a k e rn o - r e s r i k e d o t h e rw a y , w h e nt h el e n g t ho fe l e c t r i c a lc a b l eb c t n v nb r e a k e r a n dt h et r a n s f o r m e ri sl o n g e rt h a n5 m , t h eo v e r v o l t a g eo f s w i t c h i n gn o - l o a dt r a n s f o r m e ri s m u c hw e a k e re v e nt h eb r e a k e rr e s t r i k a d k e yw a r d s ：c o m p e n s a t i n gc a p a c i t o r , s w i t c h i n gn o - l o a dt l r l l s f o r m e r , a t pb r e a k e r , s u b s t a t i o nm o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废太堂 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谢意。 学位论文作者签名：李饵 签字日期：上。彳 年奎月矽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作者签名：李女旱 导师签名： 签字日期：上t ，7 年皇月耳日 更 签字日期：司年广月 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 。1 真空断路器在电力系统中的应用 随着电力工业的飞速发展，输、变、配电技术水平越来越高，用电的安全可靠 性等要求也越来越苛刻，这就要求断路器适应不同场合、不同要求的用电需要，如 能有效切合变压器、架空输电线电缆、电容器、电抗器、电动机、发电机、滤波器 回路、电弧炉等，同时需适应长时间运行、频繁切合操作循环以及切断大电流的要 求。2 0 世纪5 0 年代以来，世界各国在高压断路器理论研究和产品设计方面都取得 了巨大的进展，8 0 年代国际上就把少油断路器列为淘汰产品，开始发展无油开关， 但因少油断路器价钱低廉，我国仍在生产1 9 9 4 年，我国的断路器市场中无油开关 占4 0 ，其中真空开关占3 0 ，而在世界范围内，无油开关占8 0 ，其中真空开关 占6 0 ；在日本真空断路器倍受青睐，占其市场的8 0 i ”。这是由于新型触头材料 的研制和制造工艺水平的提高，使真空断路器在解决开断性能、密封性能等方面取 得了很大进步，代表着当代中压级配电断路器的发展方向，从而在电力系统中得到 广泛应用。真空断路器具有下列优点： 熄弧过程在密封的真空容器中完成，电弧和炽热气体不会向外界喷溅，不会 污染周围环境。 真空的绝缘强度高，熄弧能力强，所以触头的行程很短，一般均在几厘米以 内，因此操动机构的操作功率小，整个断路器体积小、重量轻，使得真空断路器在 箱式变电站、开关柜等装置中成为首选，并且在运输、安装和技术改造等方面变得 更为容易。 熄弧时间短，电弧电压低，电弧能量小，触头的电磨损小，因而分断次数多， 电寿命长，适合于频繁操作和快速切断，在切合电容性负荷的场合中得到首选。 断路器操作时，振动轻微，几乎没有嗓声适用于城市区域和要求安静的场所。 灭弧介质为真空，因而与海拔高度无关，同时没有火灾和爆炸的危险。 真空断路器结构简单，维修和维护工作量小。真空断路器主要部件真空灭弧 室为现场非检修部件，使现场的检修工作量降低到了最小程度。在真空灭弧室的适 用期限内，触头部分不需要维修、检查，即使机构维修检查，也十分简便，所花费 的时间也很短。 由于真空断路器的上述优点，在1 1 0k v 及以下配电系统中，国外真空断路器 的占有率大致已从1 9 8 0 年的1 9 增加到1 9 9 3 年的6 5 ，我国真空断路器的占有率 也在逐年上升，1 9 9 8 年已达6 0 7 0 1 2 。 真空断路器利用真空作为触头间绝缘和灭弧的介质。真空的程度以气体的绝对 重庆大学硕士学位论文1 绪论 压力值来表示，压力越低真空度越高。我国划分的真空区域为： 粗真空：真空压力范围为1 0 1x1 0 5 1 3 3 x1 0 2p a 低真空：真空压力范围为1 3 3x1 0 2 1 3 3x1 0 1p a 高真空：真空压力范围为1 3 3 x 1 0 1 1 。3 3 x l 旷p a 超高真空：真空压力范围为1 3 3 1 0 6 1 3 3x1 0 1 0p a 极高真空：真空压力小于1 3 3 1 0 1 0 p a 真空断路器灭弧室的真空度( 真空压力) 在1 3 3 x 1 酽1 3 3 x 1 0 。6p a 之间， 属于高真空范畴，在这种情况下，气体的密度较低，气体分子的平均自由行程较长， 如表1 1 所示，因此触头间隙的绝缘强度很高。在小间隙时，真空的击穿电场强度 约为1 0 4 5k v m m ，甚至比变压器油、压缩空气和六氟化硫气体高得多，但随着 间隙距离的增大，高真空间隙的绝缘强度出现“饱和现象”，即距离过分增大，击穿 电压增加不多，因此真空断路器往往只用于1 0 k v 1 1 0 k v 的中压等级中。 表1 1 不同真空度下的气体分子密度和平均自由行程 真空度脚 1 0 0 x1 0 56 6 76 6 7 x1 0 - 26 6 7 x1 0 - 4 1 2 研究操作过电压的意义 真空断路器正向高压、大容量方向发展。通用电器公司1 9 8 0 年生产出1 6 8k v 开断电流为4 0k a 的双断口真空断路器；明电公司1 9 8 0 年开始生产1 2 3k v 开断电 流为3 1 5k a 的单断口真空断路器；东芝公司根据其国内外市场的需要，于1 9 8 7 年 在日本首次研制出1 4 5k v 、开断电流为3 1 5k a 的单断口真空断路器及1 6 8 k v 双断 口真空断路器；西屋公司研制的双断口1 2 1 1 4 5k v 真空断路器已开始取代同等级 少油断路器p “。 真空断路器以其较强的灭弧能力得到广泛应用，但由于其灭弧能力太强，易产 生截流过电压，尤其对开断感性小电流时，更易发生截流。为保护电力系统的安全 运行，研究真空断路器的操作过电压具有重要的意义。 电力系统中真空断路器的主要负载有电力变压器，电容器组，开断过电压主要 来自于断路器真空电弧的截流或重燃。一方面由于小电流真空电弧的不稳定性，真 空断路器在开断空载变压器等小感性电流时易出现电弧在电流过零前熄灭的情况， 即截流，使得变压器电感等储能单元在熄弧时存储了能量，而后在负载端振荡，或 转化为电场能量在对地电容上产生过电压；另一方面，分断过程中电弧的重燃使断 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 路器触头间流过高频电流，当其流经对地电容时，产生高频振荡电压，其陡度非常 大。此外，真空断路器在接通电路时，触头问距变小，在触头接触之前产生预击穿， 断路器触头间流过高频电流，而引起过电压。 当前从触头材料方面降低截流值的研究在国际上有很大进展，并取得了实效， 但同时，截流值很低的触头材料会降低断路器的开断能力。英国真空灭弧室公司和 德国西门子研制出含铬高的低截流水平c u c r 触头材料，结合纵磁场灭弧，能大大 提高真空断路器的开断能力，且其耐压强度高。如西门子公司用铜铬合金生产的3 a f 系列真空断路器在1 0 0 次满容量分断时不发生重燃，分断后的耐压水平不下降。富 士公司使用含高蒸气成分的c u c r 合金触头材料和纵磁场触头制成的低过电压真空 断路器，其截流值为普通真空断路器的1 1 0 ，平均截流值0 4a 。日本公司使用的 c o a g s e 触头材料，使真空断路器的截流值低l a 。东芝公司用的触头材料为a g w c ， 结合纵磁场灭弧，提高了断路器的开断容量，其低过电压真空断路器已做到7 2k v 、 2 0k a 。三菱公司的低过电压触头材料为c u - c r - b i - a 多元合金。日本还发明了一种公 开特许，提出用铬和钨粉末烧结的骨架浸渍铜和铋做真空断路器的触头材料，以便 降低截断电流，在其浸渍过程中，铋主要集中于难熔的钨和铬粒子附近，粒子之间 的空隙充填铜，组成的各元素重量，铜占2 0 7 0 ，铬占2 7 5 ，钨占2 7 5 ，铋占1 1 8 。对这几种材料的研究表明，提高铋含量( 1 6 ) 和降低钨含 量( 4 ) 具有最好的特性。铜和铬含量分别为4 5 和3 5 时，截断电流为0 5a ， 在1 0 0 0 0 0 次开断操作后截流值约提高到la 。但应指出，当前低过电压( 低截流值) 与开断大电流有一定的矛盾，想达到低过电压就达不到大容量。东芝公司采用 a g - w c 触头材料加纵磁场触头结构来解决这一矛盾，很有成效。三菱公司正在开发 c u - c r - f e 合金和c r - t a 合金做触头材料1 6 。 真空断路器开断容性负载时，由于开断距离很小，也时常发生重燃。重燃过电 压对电容器组的危害很大，故而这也是应深入研究的课题之一。 在供电系统中，由于电能损耗等多种原因使供电电压不稳定，为提高电网的功 率因数，减少线路上的损耗，常采用无功补偿的方法来维持电网的正常工作电压， 保证供电质量，实现电网的经济运行。这是一种最实用的、最经济的方法。在开断 与关合电容器组时，主要存在两个问题，一是合闸涌流，二是分闸过电压。在大容 量分组自动开断与关合电容器组的装置中，这些问题尤为突出。真空断路器由于性 能不尽完善，在开断与关合过程中，由于合闸涌流多次重燃的出现，产生了高的过 电压，给断路器和电力设备带来严重危害。有些真空断路器在投切电容器组时，重 燃率竟高达l l i o j 。 在以往的真空断路器开断与关合电容器组的实验中，多次发生重燃现象。当时 真空断路器开断电容器组的性能不稳定，就是同一种型号，开断性能也不一定相同， 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 不同型号的差异就更大，其触头材料为c u b i 、c u t i 、c u b i t 、c u b i b e 、c u b i a g 、 c u b i s n 和c u t e a i 合金，这些材料的工艺水平也不高。华北网用z n 1 0 型真空断路 器开断8 0 0 0k v a r 电容器组。曾对3 6 台次做过开断试验，累计开断1 1 2 3 相次，其中 只有9 台无重燃，重燃率高达1 0 ，过电压最高达5 o p u 。东北网曾用z n 2 1 2 型真 空断路器( 开断电流8k a ) ，开断1 0 0 0 1 0 0 0 0k v a r 电容器组，进行了1 5 6 相次开 断试验，结果均未发现重燃，但在合闸时触头有弹跳现象，产生的合闸过电压为 2 7 3 p u 华北网用z n 3 1 0 型真空断路器开断5 6 0 0k v a r 电容器组，曾累计开断1 1 7 相次，其中4 台发生重燃，过电压最高达4 o p u 。东北网1 9 8 6 年曾用z n 4 1 0 型真 空断路器，开断5 1 0 0k v a r 电容器组，进行了5 1 相次开断试验，在开断中发生2 次 复燃，未发生重燃，但在开断中却发生了5 次非自持性放电现象 6 1 。所谓非自持性 放电，通常是指真空断路器开断后几毫秒到几十毫秒，甚至上百毫秒，断路器断口 发生单相瞬间击穿自熄弧现象；在断路器开断1 0 m s 以后，断路器两相同时发生瞬 间断口击穿自熄弧现象，属非自持性放电范畴。我国1 0 k v 电力系统，部分电源中 性点未直接接地，在这种条件下能够发生单相瞬间断口再击穿，显然这种放电是通 过电源和负荷两个中性点对地电容构成回路，所以，这种放电电流的频率很高，但 幅值并不很大。真空断路器在开断状态仍具有灭弧能力，故这种放电无论是单相或 两相同时发生，都是可以在灭弧的试验中发生非自持性放电时产生过电压，最高1 7 e u 。不发生重燃是真空断路器的目标，应对其进行深入的研究。 近年来，由于电网容量的扩大和电压等级的增多，保持各级电网和各个用户的 电压在正常范围内，从而保证电网的安全经济运行和用户的正常用电，对保证国民 经济的发展具有十分重要的意义。尤其是配电网，其设备多、分布广，直接担负着 向广大用户供电的任务，也就直接关系到工农业生产和人民的生活用电。 为了保证电网安全经济运行和用户的正常用电，供电部门首先从减少大量无功 功率的流动着手，对无功补偿的基本原则是尽量使用户的无功负荷和电网无功损失 就地供应。为此通常采取的基本措施是； ( 1 ) 提高用户的功率因数：原水利电力部规定对容量为3 2 0 k v a 以上的大宗用户， 实行按功率因数调整电费的办法，其电费按0 8 5 考虑。功率因数低于或高于o 8 5 时，将增收或减收电费。这样用以鼓励用户多装补偿电容器或采用其它措施，以提 高用户负荷本身的功率因数。 ( 2 ) 配电线路及配电站分散安装补偿电容器：有些国家要求做到配电线路基本上 不送无功负荷，其c o s t p 可达到o 9 5 n 0 9 9 ，在低谷负荷时c o s t 甚至达到l ，就地解 决用户电动机、配电变压器和配电线路上消耗的无功功率。我国一些地区也有在配 电线路构架上和农村1 0 k v 配电站中安装补偿电容器组的经验。 ( 3 ) 一次变电所和二次变电所装设同期调相机和补偿电容器组进行集中补偿，并 4 重庆大学硕士学位论文 l 绪论 根据情况对补偿电容器组装设自动投切装置。 ( 4 ) 对大容量轧钢设备等冲击性的动态无功负荷，装设无功静止补偿装置或采用 可控硅开关自动快速投切电容器组进行无功的补偿。 然而，随着配电网建设的迅速发展，过电压对配电网安全的影响受到越来越高 的重视。特别是近几年来，1 1 0 k v 变电站母线并联补偿电容器在投切过程中发生损 坏的事故越来越多，给电网和工农业生产带来了巨大的损失，如河南省新乡市供电 公司所管辖的l1 0 k v 王村变电站号并联电容器第一次安装时间是2 0 0 1 年9 月， 于2 0 0 1 年1 1 月投入运行，运行半年后故障，2 0 0 2 年5 月拆除返厂大修，2 0 0 2 年7 月修复后安装，第二次投入运行，运行一个月发生故障跳闸，又一次返厂大修，2 0 0 2 年l o 月第三次投入运行，于2 0 0 3 年3 月发生喷油起火事故，2 0 0 6 年5 月3 日，该 局所管辖的1 1 0 k v 平东变电站工号补偿电容器零序过压保护动作，零序过压越限， 经检查，b 相电容基本为零，目前均已退出运行，同月2 6 日，1 1 0 k v 刘庄变电站的 号并联补偿电容器过流保护动作跳闸，经检查电容器已经严重损坏，目前已经返 厂大修，该局所属的在上述所述的各次故障中。虽然没有人员伤亡，但是降低了配 电网的供电可靠性发并且造成了较大的经济损失。此外，其它供电公司所输变电站 也有不少关于补偿电容器投切后发生事故损坏的案例。 真空断路器在开断容性负载时，当电弧熄灭，已成功地进行了开断，但数毫秒 至数十以至数百毫秒后，真空间隙又会击穿或出现燃弧，即发生重击穿或重燃现象。 它会引起高达系统相电压5 倍的过电压，这是导致电容器爆炸，造成很大的事故的 主要原因。因此需要对补偿电容器组在投切过程中产生的过电压作迸一步的研究。 1 9 8 6 年以来，美国、瑞典和丹麦等国家已发表电容器组合闸过电压相关文章， 成为国际大电网会议的热门话题。在合闸的瞬间，因电容器组呈现为很低的阻抗， 而使母线电压突然降低为零。这一电压突变，在电容器组供电的输电线上注入一个 阶跃电压波，这个电压波将沿着输电线进行传播。如合闸的瞬间，断路器的a 、c 相在电压相等、极性相反的条件下同时合闸，而b 相在大约3m s 后合闸，先合的 两相( a 、c 相) 产生阶跃电压波也有相反的极性，各在两条输电线上传播。当输 电线为辐射状时，电压波传播到线路的末端将发生正反射，再由阶跃电压波发生反 射到末端，经多次反复，再线路末端两相对地电压可能分别达到3 3 5 p u 。由于两 相的电压波极性相反，所以相与相间的电压可能达到6 5 p u 。由于线路波阻抗的衰 减作用，实际电压可能降低。 开断空载变压器是真空断路器的基本工作条件之一。断路器主要是按照开断系 统短路电流设计的。由于现代电力变压器的空载励磁电流很小，一般只有几安，用 真空断路器开断空载变压器时，变压器线圈中的电流在自然通过零点之前就可能被 强迫截断。电流被截断后，线圈中储存的磁场能量将以振荡的形式转换成同线圈并 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 联的杂散电容上的电能。由于此电容一般很小，因此即使较少的磁场能量也可能产 生较高的过电压。计算真空断路器分断变压器过电压的一般方法可以归结为以下几 种【7 羽： ( 1 ) 将变压器简化为电感与对地电容并联的模型，从能量守恒的观点出发，按照 截流前储存在变压器中的磁能完全转化为电能，并考虑一定的能量损耗系数，计算 单相最大截流过电压的大小。从理论上估算燃弧和熄弧时间及重燃过电压，再推导 三相的情况。 ( 2 ) 建立系统的等值电路模型，考虑变压器的变比、短路阻抗、负载损耗、空载 损耗等参数，运用电磁暂态通用程序( a r p e m t p ) 进行仿真计算。它能够比较真 实地反映出整个开合过程的暂态变化，不足的是没有涉及真空断路器在恢复过程中 的特性无法实现对开断过程的仿真计算。图1 1 为系统等值电路图。 篱 v c b 厶 陟 j 札 i。 一j - 上一一上l c ： t rt r 一 五r 电源的短路电抗，工r 真空断路器与变压器之间的连线电感。 c 卜系统电源的对地电容，c 广_ 疲压器高压侧的对地电容， 图1 1 系统的集中参数等值电路图 f i gi ie q u i v a l e n tc i r c u i to f s y s t e m 鉴于真空断路器操作过电压在实际运行中不可避免，当前要推广使用真空断路 器就迫切需要解决变压器、真空断路器及过电压保护装置之间的绝缘配合，而操作 过电压的理论分析和仿真计算则是解决这一问题的第一个步骤。 1 3 本文的研究内容 电力系统中的电容、电感均为储能元件，当操作或故障使其工作状态发生变化 时，将有过渡过程产生。在过渡过程中，由于电源继续供给能量，而且储存在电感 中的磁能会在某一瞬间转变为静电场能量的形式存储在系统的电容之中，可产生数 倍于电源电压的操作过电压，它们是在几毫秒至几十毫秒之后消失的暂态过电压。 电力系统中常见的暂态过电压总体分为中性点不接地电网中的间隙电弧接地 6 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 过电压、开断电感性负载( 空载变压器、电抗器、电动机等) 过电压、投切容性负 载( 空载线路、电容器组等) 过电压、空载线路合闸( 包括重合闸) 过电压和系统 解列过电压等。而这其中以切空变为代表的开断感性负载过电压和以投切电容器组 为代表的投切容性负载过电压对电力系统安全运行危害最大，应特别弓i 起重视。对 于上述两种过电压研究，合理建立断路器模型至关重要。 本文研究的主要内容为： 对真空断路器在电力系统中的应用前景进行展望，针对真空断路器迅猛的发 展势头和较大的发展潜力，掌握目前对真空断路器操作过电压的研究现状，明确研 究方向。 由于真空断路器的电弧重燃对投切电容器组过电压有巨大影响，而a r p e m t p 软件本身不具有考虑燃弧特性的断路器模块，本文从断路器的介质恢复特性 入手，利用a t p e m t p 提供的m o d e l 语言建立了真空断路器模型。 根据在贵州省贵阳市南供电局小河变电站采集的现场数据及变电站的实际 主接线，分别建立了电源、线路、变压器和各个电气元件计算模型。最终在a r p e m t p 平台上建立t 4 河变电站的暂态过电压的仿真模型。 基于该变电站仿真模型，对该变电站断路器投切电容器组、切空变等操作过 电压情况进行了研究。 7 重庆大学硕士学位论文 2 仿真参数的处理及模型的建立 2 仿真参数的处理及模型的建立 2 ，1 参数处理 2 1 1p t 参数处理 p t 铁心线圈非线性电感既有储能特点，又有耗能性质，电流通过线圈的实际过 程是相当复杂的，但有一个主导因素，铁磁材料的非线性磁化特性。非线性电感的 特性常用磁化特性来描述，但实际试验测得的通常是铁心的伏安曲线，仿真模型中 p t 参数采用精度较高的逐点转换法( 相对给定表达式和e m t p 模拟法) 。具体转换 原理如下1 9 - 1 1 】： 对于含有铁心的电感线圈，由于铁心的饱和特性因而导致了其励磁特性彻曲 线的非线性。设电源电压为正弦波，礅心中的磁通删与所施电压之间有如下 关系： 譬= “( f ) ：4 5 u c o s ( 耐)( 2 1 ) 口i 因此：妒( ，) ；4 2 _ _ u _ us i n ( r o t ) ，吸r ) 的幅值为塑。 删 由此可见与电压有效值u 之间有直接对应关系，但反o 曲线中的f 与电流有 效值，之间没有直接对应关系，图2 1 显示了在交流正弦电源u ( 0 f 拘作用下则，f ) ， 钗o 曲线的关系。 图2 19 ( f ) ，i ( 0 ，氟o 曲线的关系 f i g2 1r e l a t i o n s h i pa m o n gp ( f ) ，( 0 ，珥f ) 已知c ，一，的( o ，o ) 点对应双d 的( o ，0 ) 点，由( 矾，i l ) 点求( 研，f 1 ) 有如下关系： 8 重庆大学硕士学位论文2 仿真参数的处理及模型的建立 仍：垫( 2 2 )仍= =【2 矽 哟曲线上的( o ，o ) 点到( 仰，i o 的直线方程为： f(f)=l妒(f)(23) 仍 抓芊= 2 1 i 2 ( r o o d ( o 甜) = 昙瑶 粤 2 s i n 2 ( c o t ) d ( c o t ) = 2 1 j 2 c 川u ： = 4 2 1 , ，同理可由已知( 醍，如) ，( 仍， ) 求( 仡，屯) 。 此时，由于“( f ) ：芝以c o s ( c o t ) ，仍：4 2 u 2 ，分别将( o ，o ) 及( 仇，f 1 ) 到( 伫，功 线性化可得： 岛。：i 妒：i 盟s i n ( c o t ) 竹媚 “ 之：= 毛+ 上_ i ( 矿一仍) = 毛一生_ 土( 伊一仍) + 立i 盟s i n ( c a t ) ( 2 4 ) 仍一竹仍一仍一媚 詈霹= j 矗( 耐) d ( 叫) + f i 杰( r o t ) d ( c o t ) 由张：掣s i n ( t o o ；。r 2 u 1 ：亟蛳啦) 可得： 毗= 躺s i n ( 鼍 g j ， 同理，( 仇，妨到( m l ，i k + z ) 的直线方程表示为： f = 一b l 二l 吼+ 虹l 二k 矿( 2 6 ) “一竹“一 其中：纯：塑堕s i n ( 嚷) 基于以上数学原理采用m a t l a b 编写了相应的转换程序，将试验所得励磁曲 线的伏安特性转换为电流磁通峰值关系。 9 重庆大学硕士学位论文 2 仿真参数的处理及模型的建立 表2 1 是1 0 k v 母线p t ( 型号为j d c f - 1 0 ) 如图2 2 所示的励磁曲线转换前后的数 据比较，其中转后的数据是折算到一次侧的数据。 重庆大学硕士学位论文2 仿真参数的处理及模型的建立 表2 11 1 0 k v 励磁曲线转换前后数据比较 t a b l e2 1c o m p a r i s o nb e t w e e nd a t ao f e x c i t a t i o nc u r v eb e f o r ea n da f t e r t r a n s i t i o n p 型号电压( v ) 4 0 6 01 0 01 1 01 2 0 j d c f - 1 0 c 相电流m a0 0 1 20 0 2 50 0 3 70 0 4 10 0 4 40 0 4 8 转换后 磁通w b1 8 0 0 62 7 0 0 93 6 0 14 4 24 9 5 15 5 6 电流m a0 1 6 9 70 3 9 9 30 4 9 20 5 60 5 9 60 6 6 9 0 7 o 6 0 5 邑0 4 赠0 3 蓬0 2 o 1 o 。 o1 02 03 04 05 0 电流( m a ) 图2 2 1 0 k v p t 中c 相励磁曲线 f i g2 2e x c i t a t i o ng u r v eo f p h a s eco f1 0 k vp t 6 0 重庆大学硕士学位论文 2 仿真参数的处理及模型的建立 2 1 2 变压器参数处理 小河变电站为单母线单电源进线方式，变压器铭牌参数如下v s o - d l ，额定容量 为3 1 5 m v a ，额定电压为1 1 0 k v 1 0 5 k v ，阻抗电压为1 0 9 7 ，短路损耗为3 8 0 4 2 k w ，空载损耗为2 9 3 5 2 k w ，空载电流为0 3 1 。 变压器模型参数主要包括变压器漏抗和励磁回路两部份，其中励磁回路中励磁 电感励磁曲线的计算同p t 这里就不再详述。变压器漏抗参数计算原理如下： 1 绕组电阻的计算原理( 参数计算结果为转换到一次侧结果) 对于双绕组变压器，由于短路损耗尸k 近似等于额定电流流过变压器时高低压绕 组中的总铜耗因此有【1 2 1 ： 丑= 名= 3 1 寻r r = 掣辱 ( 2 7 ) u 因此： p v = 箍 变压器短路电压百分比和变压器电抗关系为： 以。每x l o o ( 2 9 ) u _ 因此： 墨* 瓣 ( 2 1 0 ) 由于a t p 的饱和变压器元件模型在漏阻抗参数方面有特别要求1 1 3 1 ，漏阻抗输入 参数值需要与漏阻抗所在电压等级平方成正比，因此须将计算所得变压器物理参数 进一步等价处理以满足a t p 要求。按所在电压等级平方成正比关系分配到各个电压 等级侧则： 如= 生 甩 和警 如：墨1 墨：= 簪 其中：疗为绕组数此处为2 ，矾为高压侧额定电压1 1 0 k v ，u 2 为低压侧额定电压等 级1 0 5 l i v 。 2 变压器励磁电阻计算原理 1 1 0 k v 变压器励磁电阻可由下式计算 1 2 重庆大学硕士学位论文2 仿真参数的处理及模型的建立 r ：华：掣：2 6 1 吨 ( 2 1 2 )” 只 4 9 9 2 、 由上述理论分析可得11 0 k v 变压器a t p 仿真模型参数如表2 2 所示。 表2 21 1 0 k v 变压器a t p 仿真模型参数 t a b l e2 2p a r a m e t e r so f s i m u l a t i o nm o d e lo f1l o k vt r a n s f o r m e r 变压墨型曼堡! f 婴! 幺q !墨! ( 婴毖避) 盟婴 s f z 9 - 4 0 0 0 0 1 1 00 9 70 0 9 5 62 2 82 2 82 6 0 0 0 0 2 1 3 线路参数的处理 导线参数可以根据钢芯铝绞线主要技术参数( g b l l 7 9 _ - 8 3 ) 查取，导线弧垂可 近似取为5 m ，避雷线弧垂可近似取为2 m ，仿真时，忽略3 5 k v 进线段弧垂。本文 仿真的11 0 k v 进线南孟小线长度为l1 5 k i n ，导线无分裂无换相，型号为l g j - 1 5 0 ， 避雷线型号为g j - 3 5 5 0 ，采用a t p 中的l c c 架空模型模拟，其主要参数如表2 - 3 所示。 表2 3 小河变电站进出线线路参数 ! ! ! ! ! ! ：磐苎巴! ! 麴i ! g 翌! ! 竖塑竺! ! 銎磐生趔坚! 垒! i 竺 线路名称 长度半径电阻率相间杆塔处平均电缆 蛔)娅)迪! 墅g 尘亘堡鱼2塑堡l 堂堂! 进南 导线l i 50 8o 1 9 3 92 2 1 0 5 7 线 孟 1 1 50 44 2 0 0 01 2 21 0 2 小岩线1 20 80 1 9 3 91 5 5 出小武线6 50 7 30 2 3 4 51 5 5 线小剪线40 80 1 9 3 91 5 5 小坝线40 80 1 9 3 915 5 5 5 5 5 5 5 5 5 6 1 6 5 8 0 7 0 2 2 模型的建立 2 2 1p t 及变压器模型的建立 p t 的工作原理近似于变压器，只是其变比大小和励磁性能部分不同，但由于电 磁式电压互感器第三绕组为开口的三角绕组，而a t p 本身所提供的变压器模型均不 是开口三角接口的模块，因此需要在a t p 基础上建立新的带开i ：1 - - - - 角的变压器模 块。单相三绕组p 1 r 的a t p 的仿真模型可根据变压器的t 形等效电路( 如图2 3 ) 建立 如图2 4 所示。利用a t p 的打包功能可得单相三绕组p t 的a t p 仿真模块如图2 5 重庆大学硕士学位论文2 仿真参数的处理及模型的建立 所示。 r 2l 2 i = = 仁二二h 一 o 。- 。_ 。 r 2 l 2 。仁二= h 一二一 、一l ， 盔曩羹压 图2 3 单相三绕组p t 模型原理图 f i g2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f s i g e l p h a s ea u e e - w i n d m gp t 一 次 理想变压器1 图2 4 单相三绕组p t 的a t p 仿真模型 f i 9 2 4 t h e a t p s i m u l a t i o n m o d e l o f s i g e l - p h a s e t h r e e - w i n d i n g p t = 次硼 一次倒 接口 并口 三角鲥 图2 5 单相三绕组p t 的a t p 模块 f i 9 2 5 t h e a t p m o d u l e o f s i g e l - p h a s e t h r e e - w i n d i n g p t 利用单相三绕组p t 的a t p 模块，根据其物理连接情况可搭建出带开口三角的 三相p t 的a t p 仿真模型如图2 6 所示，同样可得其三相打包模块如图2 7 所示 1 4 重庆大学硕士学位论文2 仿真参数的处理及模型的建立 图2 6 三相p t 的a t p 仿真模型 f i 9 2 6 t h e a t p s i m u l a t i o n m o d e l o f t h r e e - p h a s e l 7 1 = 次捌 一席开口 瓷嚣君 图2 7 三相p t 的a t p 模块 f i g2 7t h ea t pm o d u l eo f t h r e e - p h a s ep t 变压器模型基本原理同p t 基本一致，且a t p 中有成熟的变压器模块，因此本 文根据2 1 2 中计算得到的参数利用a t p 自带的饱和变压器模块( s a t u r a b l e ) 模拟 1 1 0 k v 变压器。 2 2 2 线路模型 线路单元主要使用的模块是l c c 模块，l c c 功能强大有多种使用模式，尤其 是它的考虑了暂态频变影响j m a r t i 模式在国内外线路仿真模型中被普遍使用，因此 本仿真模型中的进、出线部分包括架空线和电缆单元都将采用l c c 模块。 2 2 3 电源、等效负荷模型 电源部分可分为理想电压源部分和内阻部分如所示。 图2 8 电压源模型 f i g2 8m o d e lo f v o l t a g e $ o t l 3 c e l e = us i n ( d o t + 仍o ) 岛= 以s i n ( c o t + 口 o 一2 , r 3 )( 2 1 3 ) 【乓= s i n ( o j t + 口 o + 2 纠3 ) 1 5 重庆大学硕士学位论文2 仿真参数的处理及模型的建立 其中：【，m 为相电压幅值，细为初相角。 电源内部阻抗可表示厶为： l = 矿2 ( 埘s ，) ( 2 1 4 ) 其中：v 为系统线电压有效值，k v ，& 为系统短路容量，1 0k v 系统取1 2 0m v a ， 3 5k v 系统可取2 2 0m v a ，1 10 k v 系统6 6 0 m v a 。 由于不清楚系统实际的负荷分布，以及实际负荷昼夜变化较大，将各个出线负 荷考虑一样大小。负荷采用电阻和电感并联三相星形接法来等效，负荷的功率因数 通过调节电阻和电感的比值来进行，如式( 2 1 5 ) 所示。 z = r + j _ ：r = 研s ，x = z s i n 够, r = z c o s # 7 ( 2 1 5 ) 其中：衲功率因数角，s 为等效的负荷大小，z 为负荷的等效阻抗可以根据等校 的负荷大小来调整阻抗z ，如：取负荷某出线s = 2 m v a ，功率因数c o sd p - - - - 0 8 则1 0 k v 出线的负荷z = 5 0 f ! ，r = 4 0 q ，x = 3 0 f 2 。仿真中，负荷采用a t p 中星形连接的r l c 模块表示。 现场记录的各出线正常投运情况下，某一时刻的负荷所对应电流和计算所得的 等值阻抗如表2 4 所示，其中功率因数取0 8 ，母线线电压1 0 ，5 k v 表2 41 0 k v 出线负荷参数 里塑坦：! 垡型p ! 堡! 生堡堕! ! 竖唑! ! ! 笪 序号线路名称 电流( a ) 等效电阻q 等效电抗n l小岩线4 6 9 09 9 4 47 4 5 8 2 小武线9 5 6 54 7 1 8 3 5 1 8 3 小剪线 1 2 9 3 3 3 4 8 1 2 6 1 0 4小坝线1 3 5 0 73 42 5 5 2 2 4 断路器模型 虽然a t p 中提供的开关模块能够比较真实地反映出整个开合过程的暂态变化， 但其均未涉及真空断路器在恢复过程中的特性，因此需要根据真空断路器开合过程 中介质的恢复特性建立新的断路器仿真模型。 小河变电站在1 0 k v 侧采用的是z n 2 8 a 型真空断路器，断路器电弧状态取决于 电流过零后开关触头间介质恢复强度与恢复电压的比较。王季梅老师掣1 4 】曾对优化 后的真空灭弧室模型，在不同触头开距下，作了冲击耐压特性的测量，将实验得到 的触头冲击耐压特性拟合成触头间距善的函数： 以= 5 1 1 5 5 x o 瑚= 5 1 1 5 5 ( w ) o 。“( 2 1 6 ) 其中：1 ，是分合闸过程中是平均分闸速度。 当触头间电流小于断路器的截流值后，通过比较触头冲击耐压特性阮和暂态恢 1 6 重庆大学硕士学位论文2 仿真参数的处理及模型的建立 复电压k 即可判断断路器的开合状态。本文采用a t p 软件提供的m o d e l 语言依据 上述分析建立断路器模型，截流值取为1 a ，其流程如图2 9 所示。 t o 为设置的断路器动作时间；瓦为真空断路器的截断电流； 【为断路器断口的恢复电压，砺为断路器介质恢复强度。 图2 9 断路器模型流程图 f i g2 , 9f l o wp n 3 c a s so f c i r c u i tb r e f k e rm o d e l 2 2 5 并联补偿电容器 小河变电站为了对用户无功进行补偿，在l o k v 母线上并联了两组补偿电容器 具体参数如下： ( 1 ) 电容器组 型号为b a m h l1 3 - 4 9 0 0 - 3 w ，额定电压为11 3k v ，额定电流为2 5 2 屯额 定容量为4 8 0 0 k v a r ，实测电容值为1 5 0 9 f ，连接方式为星形连接。 ( 2 ) 空心电抗器 型号为c k w k - 3 9 6 1 1 3 6 ，额定电压为o 3 8 k v ，额定电流为2 5 2 a , 额定容 量为9 6 k v a ，实测电抗为1 6 q ，等值电感为5 m h ，与电容器串联，用于抑制谐波 以及限流，此外实测电容器组电阻1 1 q 。 2 3 变电站整体模型 根据所建立的变电站内各部分设备的仿真模块，可建立变电站的整体仿真模型 如所示。 1 7 重庆大学硕士学位论文2 仿真参数的处理及模型的建立 小河壹仿真梗墅 学技负荷 图2 1 0 小河变电站仿真模型 f i 9 2 1 0 t h es i m u l a t i o n m o d e lo f x i a o h e p o w e r s t a t i o n 2 4 小结 本章基于a t p - - e m t p 建立了具有开i z l - - - 角p t 模型和重燃特性的断路器模型 以及变压器、线路、电源模型，并在此基础上建立了小河变电站的总体仿真模型， 为下一步开展过电压分析计算奠定基础。 1 8 重庆大学硕士学位论文3 投切电容器组过电压仿真分析 3 投切电容器组过电压仿真分析 3 1 引言 为提高电网的功率因数。电力系统常使用无功补偿电容器组来调节线路的功率 因数，根据需要用真空断路器投、切电容器组。但真空断路器在开断容性负载时， 电弧熄灭数毫秒至数十以至数百毫秒后，真空间隙又会击穿或出现燃弧，即发生重 击穿或重燃现象。其可能引起高达系统相电压5 倍的过电压【m 期，从而可能导致电 容器爆炸，造成很大的事故。本章在第二章建立模型的基础上，对小河变电站投、 切1 0 k v 电容器组过电压进行了研究。 3 2 合闸电容器组过电压的理论分析 在实际配网系统中，无功补偿电容器常采用星形不接地方法接入1 0 k v 系统( 如 图3 1 ) ，当电容器投入时假设断路器三相同期合闸，其暂态过程可按单相电路进行 分析，忽略线路电阻，单相等值电路【1 8 1 如图3 2 所示。 s a l 邑c a 昏 图3 1 无功补偿电容器的近似投切等效电路图 f i g3 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mw h i l es w i t c h i n gr e a c t i v e - l o a dc o m p e n s a t i o nc a p a c i t o r s 喇尊 图3 2 投入电容器单相等值电路 f i