電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓畢業(yè)設計方案

工頻過電壓分析及其仿真課程名稱：高電壓技術(shù)任課教師：高金蘭所在學院：信息技術(shù)學院專業(yè)：電氣工程及其自動化班級：電氣8班學生姓名：劉昌明學號：20084073804中國·大慶2018年12月摘要工頻過電壓是造成電網(wǎng)內(nèi)高電壓設備損壞的重要原因之一，它伴隨著電網(wǎng)的正常操作過程、故障過程而生。如果在電網(wǎng)建設初期不認真分析、計算這類過電壓，采取相應防護措施，特別是500kV電壓等級的高壓設備，由于對地電容電流較大，過電壓水平會更高，那么在以后設備運行過程中就心中無數(shù)，可能造成設備損壞，帶來極大的經(jīng)濟損失。由于過電壓的水平不僅與具體的電網(wǎng)環(huán)境有關，而且與投切對象及裝設的相關設備有關，所以，具體到每一實際工程，都必須進行過電壓的計算，了解過壓情況，以便采取防護措施，指導生產(chǎn)運行和科學實驗，防止過電壓損壞設備。關鍵詞：高電壓、工頻過電壓、電磁暫態(tài)分析目錄TOC\o"1-2"\h\z1工頻過電壓的理論分析-1-1.1輸電線路的工頻過電壓-1-1.2空載長線路的電容效應及系統(tǒng)阻抗對工頻過電壓的影響-1-1.3不對稱短路引起的工頻電壓升高-2-1.4線路甩負荷效應-3-2輸電線路工頻過電壓仿真分析-4-2.1單端電源與帶有并聯(lián)電抗器補償?shù)拈L線相連-4-2.2雙端電源與帶有并聯(lián)電抗器補償?shù)拈L線相連-6-2.3雙端電源供電且線路首末兩端及中間均并聯(lián)有電抗器-9-3線路不接并聯(lián)電抗器仿真數(shù)據(jù)-11-3.1僅線路首端接并聯(lián)電抗器-11-3.2僅線路末端接并聯(lián)電抗器-11-3.4線路首末兩端及開關站處均并聯(lián)電抗器-12-4結(jié)論-13-參考文獻-14-1工頻過電壓的理論分析內(nèi)部過電壓是電力系統(tǒng)中的一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象，它可分為暫時過電壓和操作過電壓兩大類。在故障和/或操作時，瞬時發(fā)生的過渡過程過電壓稱為操作過電壓，其持續(xù)時間一般在幾十毫秒之內(nèi)。在暫態(tài)過渡過程結(jié)束以后出現(xiàn)持續(xù)時間大于0.1秒至數(shù)秒甚至數(shù)小時的持續(xù)性過電壓稱為暫時過電壓，暫時過電壓又可分為工頻過電壓和諧振過電壓。220kv及以下系統(tǒng)中，內(nèi)部過電壓是由系統(tǒng)本身絕緣來承擔的。有必要對輸電線工頻過電壓的產(chǎn)生，影響及其相應的限制措施進行深入的研究。1.1輸電線路的工頻過電壓工頻過電壓產(chǎn)生的原因包括空載長線的電容效應，不對稱接地故障引起的正常相電壓的升高，甩負荷等，它與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、容量、參數(shù)及運行方式有關，其頻率等于或接近于工頻。1.1.1均勻長輸電線的分布參數(shù)模型描述輸電線路波過程的微分方程式如下：<1-1）則根據(jù)邊界條件可以求解得沿線電壓表達式如下：=<1-2）對于三相輸電線路，由于導線彼此間存在著電磁耦合聯(lián)系，在電磁暫態(tài)計算中，往往用等值阻抗和電流源來等效其分布參數(shù)模型。1.2空載長線路的電容效應及系統(tǒng)阻抗對工頻過電壓的影響如果輸電線路突然從負荷側(cè)斷開，那么線路就進入了開路狀態(tài)。此時線路上，特別是其末端上，會出現(xiàn)較高的電壓升高；在系統(tǒng)并車前，先從電源側(cè)投入線路時，也會導致同樣的情況，這些過電壓就是由空載線路的電容效應引起的。求解該復合二端口網(wǎng)絡得：=<1-3）由空載線路邊界條件=0，聯(lián)合<1-2）<1-3）式，可得沿線電壓的表達式：<1-4）=cos=<1-5）顯然，當x=0，即線路末端時的工頻過電壓最高。電源電抗相當于增加了線路長度，使諧振點提前了。1.3不對稱短路引起的工頻電壓升高不對稱短路是輸電線路最常見的故障形式，短路電流中的零序分量會使健全相上出現(xiàn)工頻電壓升高<常稱為不對稱效應）。系統(tǒng)中的不對稱短路故障，以單相接地故障最為常見，且引起的工頻電壓升高也最為嚴重。下面就以單相接地故障為例，分析不對稱短路故障引起的工頻電壓升高。設系統(tǒng)中A相M處發(fā)生單相接地故障，如圖1所示：XMNCBA圖1單行接地故障圖其邊界條件為：=0，==0，所以有：++=0(1-6>++=++<1-7）由式<1－7）可得：==；(1-8>又有—=，0—=，0—=<1-9）由上面幾式聯(lián)立求解便可得出健全相電壓：<1-10）=－j<1-11）1.4線路甩負荷效應當輸電線路重負荷運行時，由于某種原因線路末端斷路器突然跳閘甩掉負荷，也是造成工頻電壓升高的原因之一，通常稱為甩負荷效應。此時，影響工頻過電壓的因素主要有四個：1.甩負荷前線路輸送的潮流，特別是向線路輸送無功潮流的大小，它決定了電源電動勢E的大小。一般來講，甩負荷前，若線路上輸送相當大的有功及感性無功功率，電源電勢必然高于母線電壓。甩負荷后發(fā)電機的磁鏈不能突變，可簡單認為電源暫態(tài)電動勢在短暫時間內(nèi)維持原來數(shù)值，向線路輸送功率越大，電源的暫態(tài)電動勢也越高，計算工頻電壓所用等值電勢越大，工頻過電壓也就越高。2．電源的容量，其決定了電源的等值阻抗，電源容量越小，等值阻抗就越大，可能出現(xiàn)的工頻過電壓也就越高。3.線路長度，線路越長，充電的容性無功就越大，工頻過電壓就越高。4.發(fā)電機組調(diào)速器和制動設備的惰性，甩負荷后其不能立即起到應有的調(diào)速效果，導致發(fā)電機轉(zhuǎn)速加快，電動勢及頻率上升，從而使空載線路的工頻過電壓更為嚴重。2輸電線路工頻過電壓仿真分析交流高壓工程的建設包括變電和輸電<線路）兩部分，涉及特高壓輸變電設備的制造，輸變電系統(tǒng)的絕緣配合，電磁環(huán)境，輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)問題等研究內(nèi)容。輸變電電氣設備和線路合理的絕緣水平的確定是影響整個工程技術(shù)經(jīng)濟指標的一個重要因素。電氣設備和線路在運行中除要長期承受額定工作電壓以為，還必須承受各種原因引起的波形、幅值及持續(xù)時間各異的過電壓。限制高壓線路工頻過電壓的措施有多種，如使用高壓并聯(lián)電抗器補償特高壓線路的充電電容；使用良導體地線或光纖復合架空地線減小不對稱故障時的接地系數(shù)；使用線路兩端聯(lián)動跳閘或過電壓繼電保護縮小工頻過電壓的持續(xù)時間；使用金屬氧化物避雷器限制短時高幅值工頻過電壓；選擇合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行方式等等。在所有的這些措施中，并聯(lián)高壓電抗器是限制工頻過電壓最基本同時也是最要的手段，因此有必要對其進行深入的研究。2.1單端電源與帶有并聯(lián)電抗器補償?shù)拈L線相連由于并聯(lián)電抗器的電感能夠補償線路的對地電容，減小流經(jīng)線路的電容電流，消弱電容效應，所以在特高壓輸電線路上，為了保證遠距離輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡的電壓水平在允許范圍內(nèi)，必須沿線裝設高壓并聯(lián)電抗器。通常將并聯(lián)電抗器的容量與空載長線的電容無功功率的比值稱為并聯(lián)電抗器的補償度。2.1.1單端電源與首端帶有并聯(lián)電抗器的長線相連單端電源與首端帶有并聯(lián)電抗器的長線相連的等效電路和復合二端口網(wǎng)絡：設x為距線路末端的距離，復合二端口網(wǎng)絡方程得：<2-1）<2-2）對于空載線路，，結(jié)合上兩式可得沿線任一點的電壓表達式為：<2-3）2.1.2單端電源與末端帶有并聯(lián)電抗器的長線相連單端電源與末端帶有并聯(lián)電抗器的長線相連的等效電路和復合二端口網(wǎng)絡：設x為距線路末端的距離，求解復合二端口網(wǎng)絡方程得：<2-4）<2-5）對于空載線路，，結(jié)合上兩式可求得沿線任一點的電壓為：<2-6）2.1.3單端電源與兩端帶有并聯(lián)電抗器的長線相連單端電源與線路兩端帶有并聯(lián)電抗器的長線相連的等效電路和復合二端口網(wǎng)絡設x為距線路末端的距離，求解的復合二端口網(wǎng)絡方程得：(2-7>(2-8>對于空載線路，，結(jié)合上兩式可求得沿線任一點的電壓為：(2-9>2.1.4單端電源與線路中點帶有并聯(lián)電抗器的長線相連單端電源與線路中部帶有并聯(lián)電抗器的長線相連,以線路中點接并聯(lián)電抗器為例設x為距線路末端的距離，求解的復合二端口網(wǎng)絡方程得：<2-10）在0—段上：<2-11）在段上：<2-12）對于空載線路，，結(jié)合上三式便可求得沿線上任一點的電壓的表達式。2.2雙端電源與帶有并聯(lián)電抗器補償?shù)拈L線相連2.2.1雙端電源供電且線路一端帶有并聯(lián)電抗器時的沿線電壓分布雙端電源供電且線路一端帶有并聯(lián)電抗器時的沿線電壓分布可以用疊加原理求得。復合二端口網(wǎng)絡以線路受電端帶有并聯(lián)電抗器為例。利用疊加原理可得(2-13>(2-14>由邊界條件，結(jié)合上兩式可求得：<2-15）(2-16>(2-17>由邊界條件，結(jié)合上兩式可求得：(2-18>根據(jù)疊加原理，由式<2-15），(2-18>便可得線路上任一點的電壓表達式為：+<2-19）同理，可以求出雙端電源供電，線路送電端帶并聯(lián)電抗器時的沿線電壓表達式如下：<2-20）2.2.2雙端電源供電且線路兩端都帶有并聯(lián)電抗器雙端電源供電且線路兩端都帶有并聯(lián)電抗器時線路沿線電壓分布同樣可以由疊加原理來求得。(2-21><2-22）由邊界條件，結(jié)合上兩式可求得：(2-23>可得：(2-24>(2-25>由邊界條件，結(jié)合上兩式可求得：(2-26>根據(jù)疊加原理，由式<2-23），(2-26>便可得線路上任一點的電壓表達式為：＋(2-27>2.3雙端電源供電且線路首末兩端及中間均并聯(lián)有電抗器雙端電源供電且線路首末兩端及中間均帶有并聯(lián)電抗器時線路沿線電壓分布同樣可以由疊加原理來求得。(2-28>在0-段上:<2-29）在段上：(2-30>由邊界條件，結(jié)合上三式可求得線路上沿線任一點的電壓表達式?？傻茫?lt;2-31）在0-段上:(2-32>在段上：<2-33）由邊界條件，結(jié)合上三式可求得線路上沿線任一點的電壓表達式。3線路不接并聯(lián)電抗器仿真數(shù)據(jù)3.1僅線路首端接并聯(lián)電抗器Ⅰ電抗器補償度K=60%表1電抗器補償度K=60%時仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.061.091.071.091.071.041.00線路中點0.991.041.091.161.181.151.10線路末端0.940.991.001.031.071.091.12表2電抗器補償度K=80%時仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.011.011.031.031.031.010.99線路中點0.910.930.960.991.031.061.09線路末端0.940.991.041.121.131.101.043.2僅線路末端接并聯(lián)電抗器Ⅰ電抗器補償度K=60%表3電抗器補償度K=60%時仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.121.101.101.071.041.000.91線路中點1.001.041.091.121.091.040.96線路末端0.970.991.001.011.000.990.96Ⅱ電抗器補償度K=80%表4電抗器補償度K=80%時仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.101.091.061.030.990.930.84線路中點0.991.011.041.071.030.970.88線路末端0.960.960.970.960.960.930.883.3線路首末兩端均并聯(lián)電抗器Ⅰ電抗器補償度K=60%表5電抗器補償度K=60%時仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.091.091.091.091.061.030.99線路中點0.991.031.091.151.131.101.04線路末端0.940.971.001.011.031.041.06Ⅱ電抗器補償度K=80%表6電抗器補償度K=80%時仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.061.061.061.031.010.990.93線路中點0.961.001.061.091.091.040.99線路末端0.930.940.970.990.990.990.993.4線路首末兩端及開關站處均并聯(lián)電抗器Ⅰ電抗器補償度K=60%表7電抗器補償度K=60%時仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.091.091.071.061.031.010.97線路中點0.971.011.061.101.081.061.01線路末端0.940.970.981.001.011.021.05Ⅱ電抗器補償度K=80%表8電抗器補償度K=80%時仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.061.051.041.000.980.950.91線路中點0.940.991.011.031.020.990.95線路末端0.930.930.960.960.960.960.98⑴若不接并聯(lián)電抗器，則在健全相上將產(chǎn)生嚴重的工頻過電壓，在并聯(lián)上電抗器后過電壓得到了明顯的抑制，且并聯(lián)電抗器補償度越高，限壓效果越好。⑵同一補償度，同一故障位置下，線路首末兩