高压电器综合实训报告

1、 课 程 设 计中文题目高压电器方向综合实训任务书英文题目Comprehensive training plan descriptions of the direction of high-voltage electrical appliances 院 系：电气工程与自动化学院年级 专业：2010级电气工程及其自动化组员（学号）： 吴 帅 1006022147 康 彬 1006022121 黄家敬 1006022120 庄哲鑫 1006022104 王智鹏 1006022103 叶跃生 1006022105 刘永彬 1006022113 张哲诚 1006022146 廖世明 100602213

2、4 陈诗莹 1006022153 指导 教师： 邵振华职 称： 讲 师 2013年 7 月 25 日高压电器综合实训【摘要】随着电力系统的迅速发展，人们的安全可靠的用电企业的经济可靠用电等等已成为社会关注的热点，人们在致力于用电的安全可靠运行的基础上，不断探寻并解决各种危害安全可靠用电的情况，使之可靠性达到一个比较高的百分点，所以应运而生的单相短路，两相短路，三相短路等等的研究。瞬态恢复电压（Transient Recovery Voltage,TRV）是校对断路器开断能力的重要指标，近区故障因其TRV起始部分的上升速率高，电弧难以熄灭。针对Mayr电弧只适用于描述电流过零后高电阻状态，而Ca

3、ssie模型只适用于描述过电流过零前低电阻电弧状态，研究表明，开断近区故障对断路器性能要求更高。绝缘子沿面放电也是一个重要的部分，研究并探索绝缘子的疲劳测试实验已越来越受到业内人士的关注。通过分析测试对各部分进行研究分析。【关键词】短路测试、瞬态恢复、绝缘子疲劳测试。High-voltage electrical appliances integrated training【 abstract 】 with the rapid development of power system, the people's safe and reliable electricity enterpri

4、se economic and reliable electricity, and so on, has become a hot social concern of people working on electricity, on the basis of safe and reliable operation, constantly explore and solve a variety of safe and reliable electricity hazards, make the reliability of achieved a higher percent, so arise

5、s at the historic moment of the single phase short circuit, two phase short circuit, three-phase short-circuit, and so on. Transient Recovery Voltage (Transient Recovery Voltage, three) is one of the important indicators, proofreading circuit breaker open circuit ability area near fault because of t

6、he three start part of the increase rate is high, the arc is difficult to go out. For Mayr is only applicable to describe after current zero arc high resistance state, and Cassie model is only applicable to describe the CLP arc through the zero before the low resistance state, research has shown tha

7、t area near open circuit failure of circuit breaker performance requirements are higher. Insulator creeping discharge is an important part of research and exploration of the insulator fatigue test has become more and more attention by the industry. Through the analysis of each part for this paper.【

8、key words 】 transient recovery, short circuit test, fatigue test in detail.目录第一章 绪论.41.1课题研究的意义.4第二章 线路短路故障恢复高压仿真试验.42.1 任务目的 .42.2任务要求.42.3电力系统短路故障分析.42.4 实例分析.62.5型等效电路分析.9第三章 单相单频双频回路瞬态恢复电压研究.103.1瞬态恢复电压.103.2单相单频回路.103.3单相双频电路.10 3.4 结论.113.5波形分析.11第四章10KV开关柜实物测量与绘制工作.174.1设计要求1.174.2设计要求2.184.3

9、设计要求3.19第五章 线路短路故障恢复高压仿真试验.215.1任务目的.215.2任务要求.265.3绝缘子沿面放电实训.275.4实验内容.27第六章 心得体会.35第1章 绪论1.1课题研究的意义 随着电力系统不断迅速发展，人们用电及企业用电的安全可靠已成为人们日益关注的焦点，研究各种短路情况，单相单频双频回路的瞬态恢复电压，和绝缘子沿面放电的研究可以让我们对电力系统有更进一步的认识，从而更好地更可靠的去使用电，去预防，减少因突然的断电引起的经济损失，将经济损失降低到最小。第2章 线路短路故障恢复高压仿真试验2.1 任务目的 通过高压电器中对于短路故障相关知识的学习，本次实训目的在于巩固

10、和提高已有知识框架，通过matlab实验平台系统学习电力系统仿真的相关知识，完成相对短路故障恢复电压的计算与仿真。2.2任务要求参考教材高压电器中短路故障的相关内容，特别是课本47页中表3-3。故障种类中性点不接地系统中性点接地系统三相接地1.51.3三相短路1.51.5两相接地0.8661.3单相接地无1.0参考辅导资料电力系统的matlab/simulink仿真与应用一书中第219页中电力系统机电暂态仿真一章，对下述书店系统以及输电线路的短路故障的短路电流波形和断路器两端的恢复电压波形进行仿真。其中以35KV短路点距离断路器 55KM 中性点接地系统为例。2.3电力系统短路故障分析2.31

11、.短路产生的原因有很多，主要有以下几个方面：（1）.元件损坏例如绝缘材料的自然老化，设计，安装维护不良所带来的设备缺陷发展成短路等，(2).气象条件恶化例如雷击造成的闪络放电或避雷器动作，架空线路由于大风或导线覆冰引起电杆倒塌(3）. 违规操作，例如运行人员带负荷拉刀闸，线路或设备检修后未拆除接地线就加上电压等；(4). 其他，例如挖沟损伤电缆，鸟兽跨接在裸露的载流部分等。2.32.短路的危害 随着短路类型、发生地点和持续时间的不同，短路的后果可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统的安全运行。短路的危险后果一般有以下的几个方面：（1）.短路故障使短路点附近的支路中出现比正常值大许多倍

12、的电流，由于短路电流的电动力效应，导体间将产生很大的机械应力，可能使导体和它们的支架遭到破坏。（2）短路电流使设备发热增加，短路持续时间较长时，设备可能过热以致损坏。（3）. 短路时系统电压大幅度下降，对用户影响很大。系统中最主要的电力负荷是异步电动机，它的电磁转矩同端电压的平方成正比，电压下降时，电动机的电磁转矩显著减小，转速随之下降。当电压大幅度下降时，电动机甚至可能停转，造成产品报废，设备损坏等严重后果。（4）.当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并列运行的发电厂可能失去同步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。这是短路故障的最严重后果。（5）.发生不对称短路时，不平衡电流能产生足够

13、的磁通在邻近的电路内感应出很大的电动势，这对于架设在高压电力线路附近的通讯线路或铁道讯号系统等会产生严重的影响。2.33.短路故障分析的内容和目的 短路故障分析的主要内容包括故障后电流的计算、短路容量的计算、故障后系统中各点电压的计算以及其他的一些分析和计算，如故障时线路电流与电压之间的相位关系等。短路电流计算与分析的主要目的在于应用这些计算结果进行继电保护设计和整定值计算，开关电器、串联电抗器、母线、绝缘子等电气设备的设计，制定限制短路电流的措施和稳定性分析等。2.34.仿真模型的设计与实现2.4 实例分析 使用理想三相电压源作为电路的供电电源；使用型等效电路（23kv-110kv）输电线路

14、作为输电线路，输电线路line1长度为55km，输电线路line2的长度为55km；使用三相电路短路故障发生器进行不同类型的短路。拟定仿真的电力系统如图所示，中性点不接地;使用型等效电路输电线作为输电线路,，使用三相短路故障发生器使电路发生单相接地（A相接地短路），两相接地（A、B相接地短路），三相接地，三相短路。 图1 仿真模型的设计与实现2.41 仿真参数设置 当电路图设计完成后，对其进行仿真，达到观察短路接地电路中暂态变化情况。在设置的三相电路短路故障发生器，将接地短路时间设置为0.1 0.4之间。根据接地短路发生时间设置仿真参数。在电路图的菜单选项中，选择仿真菜单，激活仿真参数命令，弹

15、出参数对话框。 根据对暂态过程时间估算，对仿真参数进行如下设置：三相电源：电压初始相位为0，频率为默认50Hz不变。输电线路：线路长度55Km，其余参数保持为默认值不变。三相短路故障发生器：0.1s发生短路，0.4s排除故障。断路器设置参数：0.15s开断开启时间，0.4s开端中止时间。仿真参数的设置：起始时间为0s，终止时间为1s，变步长，MATLAB 针对刚性系统提供了ode15 s，ode23 s，ode23 t 与ode23 tb 等算法。本文采用ode23 t算法。2.42 仿真结果分析故障种类中性点接地系统中性点接地系统三相接地1.337.15kv三相短路1.542.86 kv两相

16、接地1.337.15 kv单相接地128.58 kv2.43各种接地波形图单相接地（A相接地短路）图2 35输电kv线路短路故障的短路电流波形图3 35输电kv断路器两端恢复电压波形两相接地（A、B相接地短路） 图4 35输电kv线路短路故障的短路电流波形图5 35输电kv断路器两端恢复电压波形三相接地 图6 35输电kv线路短路故障的短路电流波形图7 35输电kv断路器两端恢复电压波形三相不接地 图8 35输电kv线路短路故障的短路电流波形图9 35输电kv断路器两端恢复电压波形2.5型等效电路分析R=0.01273*55L=0.933273* *55C=12.74* *55Branch=0

17、.70015+j0.05135Branch1= Branch2= (7.007*)第三章 单相单频双频回路瞬态恢复电压研究3.1瞬态恢复电压 瞬态恢复电压（Transient Recovery Voltage,TRV）是指在电压恢复过程中，首先出现弧隙两端的具有瞬态特性的电压。TRV主要取决于回路参数（电感、电容、电阻、波阻抗等）和断路器特性（电弧电压、弧后电导、电容、和开合电阻等）。国内外关于TRV研究主要集中在超、特高压短路故障上，而在各种瞬态恢复电压中，近区故障开断是最难开断的。典型近区故障TRV起始部分是三角波，尽管其幅值不是很高，但上升率却很高，电弧难以熄灭。GB19842003交流

18、高压断路器规定，直流和架空线连接的、额定电压72.5kV及以上且额定短路开流电流超过12.5kA的三极断路器要求具有开断近区故障的性能；实验时的开断电流应选择为额定开断电流的75%，90%。 瞬时恢复电压上升率和幅值是影响断路器开断的重要因素，因为断路器灭成功与否，主要取决于瞬态恢复电压上升率和幅值，瞬态恢复电压存在时间非常短，只有几十微秒至几毫秒。3.2单相单频回路 单相单频回路是最简单的一种情况，断路器QF打开，在触头两端产生恢复电压。电源出口发生短路时，断路器中流过短路电流i，当电流过零时，电弧熄灭，出现电压恢复过程Utr，发生短路时，电源测侧对地电容C恰好与断路器弧隙并联。瞬态恢复电压

19、中含有高频震荡，其振荡频率与L、C有关，但衰减很快。当t约等于1/2时，瞬态恢复电压，一般为工频恢复电压的1.41.5倍，即。3.3单相双频电路单相单频电路仅仅考虑了一个简单情况，在绝大多数实际电路中，当断路器开断时，瞬时电压分别出现在断路器的两侧，瞬时恢复电压应是两个瞬态电压之和，一般这两个瞬态电压频率不同，分别有断路器两侧的回路参数决定。3.4结论 由系统故障统计可知，远离断路器架空线故障是系统最频繁的故障之一，在这些情况下,加断路器两端的便是一个双频恢复电压瞬变过程，是电源侧和线路侧瞬态恢复电压的矢量值，当在架空线远地点发生短路故障电源侧和线路侧都会在断路器触头上产生电压，线路侧电压是一

20、个振荡衰减波，振荡幅值和频率以及衰减时间取决于线路侧的参数。若故障发生在距离几千米的的地方，则将出现最恶劣的开断条件，这种形式的故障就是通常所说的近区故障，近区故障是分析双频回路的最好例子3.5波形分析此图表示的是单相单频回路短路，根据电气工程基础教材附录三，我们选择线路，近区故障我们选择短路点在据电源两千米以内取电阻取0.5欧，电感取0.7欧，经过大量实验，电容选择数量级为1e-10，在数量级变小时波形震荡时间会减少，但是其整个衰减时间不变，当电阻电感增大时其衰减时间增大，以下将用matlab仿真其波形并予以呈现。参数选择衰减时间为0.005s最后是眼观察在选择电容为10负12此方时，侧波形

21、与参考高压电器技术49页波形更为相似，更接近实际但相单频故障。单相双频短路波形第四章10KV开关柜实物测量与绘制工作4.1设计要求1： 要求根据实验室、网上相关资料以及相关参考书籍，给出10KV开关柜的一次线路图、二次线路图等 查找资料，如下图所示：4.2设计要求2： 根据实测数据，要求给出10KV开关柜刨面的正视图、俯视图、左视图。全部要求明确标记尺寸。到实验室通过卷尺和直尺对10KV开关柜进行实物测量，先对整体进行测量，确定长宽高的尺寸，之后测量开关柜的各种部件，从三个视图的角度都得出相对应的尺寸，具体的三视图如下所示：10kV开关柜CAD平面图4.3设计要求3： 要求根据组别分别给出10

22、KV ABB VD4断路器的正视图、俯视图、左视图，并标记相关尺寸，明确各个部件的名称。给出断路器相关分合闸的一次回路和二次回路匹配图。 到实验室通过卷尺和直尺对ABB10KV断路器进行实物测量，先对整体进行测量，确定长宽高的尺寸，之后从三个视图的角度去测量断路器各个部件的尺寸，对于断路器内部比较难测量的部分通过直尺进行比对，如无法进行就拍照完按比例计算争取尽量精确。详细的三视图如下所示：10kV ABB VD4断路器 10kV开关柜 侧视俯视后视主视 第五章 线路短路故障恢复高压仿真试验5.1任务目的：通过高压电器中对于短路故障相关知识的学习，本次实训目的在于巩

23、固和提高已有知识框架，通过matlab实验平台系统学习电力系统仿真的相关知识，完成相对短路故障恢复电压的计算与仿真。5.2任务要求（1）参考教材高压电器中短路故障的相关内容，特别市课本47页中表3-3请参考辅导资料电力系统的matlab/simulink仿真与应用一书中第219页中电力系统机电暂态仿真一章，对下述书店系统以及输电线路的短路故障的短路电流波形和断路器两端的恢复电压波形进行仿真。要求根据辅导资料的相关数据特别是输电线路长短和型等值电路（23kv-110kv）、分布参数电路（220kv及以上）的相关指标进行计算和仿真，并将实验结果和仿真波形进行汇总。（2）有关瞬态恢复电压的相关实验仿

24、真。教材47-49页中，有关单相单频回路和单相双频回路的相关实验。系统参数的说明，以第一次实验为准，电源电压已知，rlc的相关参数可参考相应型等值电路和其他电力系统仿真书籍进行合理设定。要求给出课本49页图3-21所示的电路波形。理论计算与仿真结果要进行验证性对照。（3）实物测量与绘制工作目的：要是元器件的选型、结构的布置，动热稳定性的校验。电气设计师利用autocad、ug等三维软件进行设计，设计图严格遵照标准进行绘制，以保证设计的科学性与合理性。设计要求1：要求根据实验室、网上相关资料以及相关参考书籍，给出10kv开关柜的一次线路图、二次线路图等。设计要求2：根据实测数据，要求给出10kv

25、开关柜刨面的正视图、俯视图、左视图（有能力的给出立体图）。全部要求明确标记尺寸。设计要求3：要求根据组别分别给出10kv ABB VD4断路器的正视图、俯视图、左视图，有时间的给出立体图。并标记相关尺寸，明确各个部件的名称。给出断路器相关分合闸的一次回路和二次回路匹配图。设计要求4：根据前述的相关要求，各个小组需要完成10kv开关柜的等比例制作，绘制比例为1:20或者1:40。材料除了有机玻璃板材外，其他材料自备最后验收。5.3绝缘子沿面放电实训任务目的：通过高电压技术和高压电器中对局部放电和绝缘材料的相关知识学习，巩固已有知识，根据相关培训资料，进一步掌握局部放电的相关特点和绝缘子的疲劳测试

26、实验。实验器材：局部放电测试仪、复合绝缘子、陶瓷绝缘子、电力变压器、300kv无局放变压器。 5.4实验内容A实验的测试回路B局部放电起始电压与熄灭电压之间的关系C对不同层数瓷绝缘子局部放电试验的研究D阴雨条件下与干燥环境条件下对比5.41实验的测试回路 测试回路多用于试品电容比较小的情况，耦合电容Ck能够抑制部分外部干扰以及具有提高测试灵敏度的效果。Ck/Cx的比值越大，其灵敏度越高。实验当中的绝缘子其电容值也不是很大，为了提高实验的灵明度，故可采用串联回路来对绝缘子进行局部放电的实验。其中Zl为滤波阻抗，其有效滤除来自电源侧的干扰，Cs是对地的杂散电容，Cx为校准电容，U为脉冲发生器的校准

27、电压。Z为检测阻抗。5.42方波电压的校准 局部放电的脉冲电压波形为一个阶跃脉冲信号，校正用的脉冲电压信号应与局部放电的脉冲信号波形一致，这样才能保证校正的准确性。由于局部放电的脉冲信号为指数函数的阶跃信号，故校正用的电压信号可用方波来进行模拟。校正用的方波信号的电压为：上式中的a是方波电压的衰减系数。 其中，t是方波的陡度，一般是之波形从0.1Uo上升到0.9Uo所需要的时间，Uo是局部放电阶跃电压的稳态值。然而，实际上实验室的JFD-301校准脉冲发生器已调节好脉冲陡度，不需要再进行调整。5.43 局部放电起始电压与熄灭电压之间的关系局部放电的起始电压指的是试品刚开始产生局部放电的时候所施

28、加的电压，熄灭电压指的是试品局部放电消失时所对应的外施电压，现以10kv陶瓷绝缘子为例，研究起始放电电压与熄灭电压的关系。每层进行五次实验，测得起起始电压与熄灭电压，每层共五组数据，取其平均值，得到如下起始电压与熄灭电压的关系表（上至下分别是陶瓷绝缘子1、2、3、4层时的数据）5.44起始电压与熄灭电压关系表起始放电电压（kv）熄灭电压（kv）两者之差（kv）7.85.72.125.820.35.530.227.82.449.146.42.7起始电压与熄灭电压关系（一）起始电压与熄灭电压关系（二层）起始电压与熄灭电压关系（三层）起始电压与熄灭电压关系（四层）5.45实验结果分析： （1）熄灭电

29、压都是比起始电压略小一些。 （2）表图中可以看出，陶瓷绝缘子4、3、1层时，起始电压与熄灭电压之间差值在2左右，但2层时，起始电压与熄灭电压平均相差5左右，可能是由于加压后电压尚未完全退，导致部分残压留在试品上。5.46对不同层数陶瓷绝缘子局部放电的研究。 由于实验室实验设备的限制，并没有所有层数的陶瓷绝缘子来进行实验，为解决此问题，可以利用铜箔纸，将多余的出来的层数用铜箔纸短接起来。例如，一个10kv的陶瓷绝缘子，共有七层，要做6层的放电研究时，只要把上或下两片用铜箔纸短接起来，即可当做6层的使用，其余层数的也用这个方法。5.47起始电压与熄灭电压数据表起始放电电压（kv）熄灭电压（kv）7

30、.85.725.820.330.227.849.146.45.48实验结果分析： （1）由上折线图可知，数增多时，无论是起始电压还是熄灭电压都上升，即绝缘层数越多，绝缘能力越强。，（2）层数变化时，起始电压和熄灭电压的变化规律相同，即在1、2层时相差较大，在2、3层时相差较小，在3、4层时相差较大。5.49阴雨环境与干燥条件的对比 通过向陶瓷绝缘子喷水来模拟阴雨天气。由于实验过程中水膜会逐渐消失，需要不时对绝缘子喷水以保持绝缘子处在阴雨环境中，保证实验数据准确。干燥环境阴雨环境干燥环境阴雨条件实验结果分析： （1）通过比较分析起始电压在干燥条件和阴雨条件下的数据折线图，发现即使阴雨条件下仍然遵守层数越多绝缘能力越强的规律。 （2）陶瓷绝缘子由于其表面不具备憎水性，留在绝缘子表面的水可以连成片，容易直接导通，因此陶瓷绝缘子在阴雨天气的条件下绝缘能力很差。 （3）10kv的陶瓷绝缘子在干燥条件和阴雨条件下绝缘能力相差很多，而35kv的却相差不大，可能是因为10kv的陶瓷绝缘子较短，阴雨天时，雨水更容易将绝缘子中的某两片短