電力系統(tǒng)過電壓計算及避雷器的數(shù)字仿真研究_secret

1、 電力系統(tǒng)過電壓計算及避雷器的數(shù)字仿真研究 摘 要 采用貝瑞隆特征線法建立計及損耗的輸電線路數(shù)學(xué)模型和氧化鋅避雷器的數(shù)學(xué)模型，采用分段函數(shù)法建立電力系統(tǒng)操作過電壓和雷電過電壓的數(shù)學(xué)模型 ，在此基礎(chǔ)上編制了一系列與天津大學(xué)交直流系統(tǒng)數(shù)字仿真軟件ADCMX交換數(shù)據(jù)的接口程序用于計算電力系統(tǒng)過電壓。進行的操作過電壓、雷電過電壓和過電壓過程中電力避雷器工作情況的仿真，對于電力系統(tǒng)過電壓的分析研究具有積極的意義。 關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng)過電壓 數(shù)字仿真 避雷器0 引言 電力系統(tǒng)過電壓是危害電力系統(tǒng)安全運行的主要因素之一。過電壓來自兩個方面，一類是雷電過電壓；另一類是內(nèi)部過電壓，主要是操作過電壓。而電力避雷器對

2、限制電力系統(tǒng)的過電壓起著舉足輕重的作用。為了對電力系統(tǒng)過電壓進行精確的仿真，本文從實際出發(fā)，利用現(xiàn)有的技術(shù)和成果，完成了電力系統(tǒng)過電壓仿真計算和過電壓對電力避雷器工作影響的數(shù)字仿真；并與電力系統(tǒng)仿真軟件包相聯(lián)接，進行了大量的仿真分析。1 數(shù)學(xué)模型1.1 輸電線路的數(shù)學(xué)模型 等值電路見圖2。 設(shè)三相輸電線路均勻換位，LO、MO為導(dǎo)線單位長度的自電感和互電感，CO、O分別為導(dǎo)線單位長度對地電容和互電容，則參數(shù)矩陣： 其中Rd和Ro分別為線路的自電阻和互電阻。 應(yīng)用模量變換理論，采用、0模量計算3，歸一化模量變換矩陣為： 為、模量傳輸時間，o為零模傳輸時間，矩陣因子Z、H、Ao、Bo的表達式見文獻4

3、。 這樣將三相線路作為一個整體計算，模量變換只作為中間過程，網(wǎng)絡(luò)的求解仍是基于相量基礎(chǔ)上的，因而使用方便。盡管三相輸電線路采用分布參數(shù)，但是其特征線法的等值電路使得線路兩側(cè)是獨立分開的，兩端電量靠等值電流源的歷史記錄互相聯(lián)系，在拓撲上沒有聯(lián)系；因此可以在長線處將系統(tǒng)分塊計算，使得系統(tǒng)節(jié)點電壓方程的階數(shù)大為降低，從而提高了計算速度。1.2 操作過電壓數(shù)學(xué)模型 標準操作過電壓的數(shù)學(xué)模型分為兩段： 由0升至0.9峰值段指數(shù)函數(shù)：1.3 雷電過電壓的數(shù)學(xué)模型 圖4雷電沖擊電壓仿真數(shù)學(xué)模型的建立： b.由“相速”概念，根據(jù)（0.5+8U/h)/f(f為分裂導(dǎo)線系數(shù)，h為導(dǎo)線對地平均距離)求出大于起暈電壓

4、各點的電壓U經(jīng)距離l后的延時；作出考慮電暈影響衰減變形后的雷電波形。圖5為傳輸1km后衰減變形后的雷電波。 c.對衰減變形后雷電波的數(shù)學(xué)模型，BE、ED段用直線描述，其它段求法與1.3a相同。 雷電波的波前截斷和波尾截斷的數(shù)學(xué)模型也用同樣方法求出。 1.4 氧化鋅避雷器的數(shù)學(xué)模型 非線性氧化鋅元件的伏安特性函數(shù)U=f(i)=Ci中，C為材料特性常數(shù)，為非線性系數(shù)。電壓上升初期避雷器可視為線性，其數(shù)學(xué)模型是線性函數(shù)U=ki；而后則對應(yīng)非線性函數(shù)U=Ci中。仿真程序中令i=p(U/Un），其中Un為額定電壓，p和q的數(shù)值由U=Ci推算出。計算時取避雷器所在節(jié)點U、I，并求出每個時刻避雷器所對應(yīng)的電

5、導(dǎo)G(t)，然后返回系統(tǒng)，如此疊代計算。2 過電壓及避雷器仿真程序框圖 緊密結(jié)合貝瑞隆法有損線路數(shù)學(xué)模型、避雷器數(shù)學(xué)模型和過電壓數(shù)學(xué)模型與天津大學(xué)開發(fā)的電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真分析軟件ADCMX，建立數(shù)據(jù)交換接口程序。圖6為電力系統(tǒng)過電壓及避雷器的暫態(tài)仿真主程序流程圖。 線路可外加等效電壓源模擬操作過電壓和雷擊。計算時換算成等效電流源，再對過電壓節(jié)點進行預(yù)處理，增加總計算節(jié)點數(shù)，最后求解系統(tǒng)方程。3 仿真分析 圖7中500kV電力系統(tǒng)避雷器起始動作電壓選650kV，線路起暈電壓取2100kV。3.1 操作過電壓的仿真分析 在8、9、10三節(jié)點同時加入幅值Uf3.5E的等效電壓源的仿真結(jié)果表明：產(chǎn)生過電

6、壓側(cè)的避雷器在其電壓波上升部分動作，使電壓迅速恢復(fù)。同時，電流幅值增加。而過電壓波傳送到另一側(cè)時，因其幅值的衰減小于避雷器動作值，所以該側(cè)避雷器沒有動作，僅母線電壓電流波形有畸變。3.2 雷電過電壓仿真分析 設(shè)全波直擊雷落于距左側(cè)母線2km處。在該點三相中同時加入幅值Uf4000kV，183.5,20.404的等效電壓源。從其仿真結(jié)果可見，雷擊時左側(cè)避雷器迅速放電使系統(tǒng)電壓電流恢復(fù)。在雷電幅值和起暈電壓不變前提下，雷擊地點距避雷器安裝處5km時，避雷器處雷電幅值已經(jīng)衰耗至起暈電壓；5km時將進一步降低，這對于電力系統(tǒng)防雷保護設(shè)計是有利的。4 結(jié)語 采用貝瑞隆特征線法建立的考慮損耗的輸電線路數(shù)學(xué)

7、模型可在輸電線路處將系統(tǒng)分塊計算，使系統(tǒng)節(jié)點電壓方程的階數(shù)大為降低，提高了計算速度。給出的氧化鋅避雷器數(shù)學(xué)模型較真實地仿真了其非線性特性。采用分段函數(shù)法建立的操作過電壓和雷電過電壓數(shù)學(xué)模型提高了仿真的精確度。大量仿真結(jié)果表明：避雷器對防止過電壓引起的電壓波動有顯著作用，它的放電可使系統(tǒng)電壓迅速恢復(fù)。 參考文獻1 重慶大學(xué)，南京工學(xué)院高電壓技術(shù)，北京：電力工業(yè)出版社，19812 Dommel H W. Digital computer solution of electromagnetic transients in single and multiphase networks. IEEE Trans PAS, 1969, 88(4):3883 Paul C R. Finitedifference timedom