雷击引起的电压凹陷及其PSCAD／EMTDC仿真.pdf

第 3 o 卷第4 期 2 O 0 7年 0 8 月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c c a i c P o we rT e dmo l o Vo 1 3 0 N o 4 Au g 2 O O 7 雷击引起的电压凹陷及其 P S C A D E M T D C仿真 李逢。 唐起红， 刘冰洁， 弭磊， 刘茂军 ( 四川大学电气信息学院， 四川 成都6 1 0 0 6 5 ) 摘要： 雷击是电力 系统 中频次最高的故障原因， 由雷击引起的电压凹陷等电能质量问题及其影响和危害已经成为 当前国内外广泛关注的问题， 针对雷击过电压的不同保护方式， 立足于分析雷击引起的电压凹陷进行了研究， 建立了 基于P S C A D E M T 的仿真模型， 仿真结果证明通过 E M T D C仿真能揭示雷击引起的凹陷的基本特征， 对于进一步深 入研究雷击引起的保护 系统、 自 动化系统以及敏感设备的受雷击的影响， 以及研究更好的雷击保护方案具有一定的 理论和应 用价值 。 关键词： 雷击； 电压凹陷； E M T D C仿真； 绝缘子闪络； 波形特征 A b s t r a c t ：t a g h t n i n g s t r o k e i s t h e ma i n e a r 1s o f p o w e r s y s t e m f a i l u r e s ，a n d t h e v o l t a g e s a g o w i n g t o l i g h t n i n g s tr o k e h a s b c w o m e t h e mo s t imp o r t a n t i s s u e s f o r p o w e r i n d u s t r y T h e d i ff e r e n t s i mu l a t i o n mo d e l s f o r d iff e r e n t l i g h t m p r o t e c t i n g mo d e a r e p r o o o 1 T h e s i mu l a ti o n r e s u l t s b y联 E l ：DC f o r a r e a l s t e m p r o v e t h e p o s s i b i l i t y a n d v a l i d i t y Ke y w o r d s ：l i g h t n i n g s t r o k e ；v o l t a g e s a g ；E MT D C s i m u l a ti o n；i n s u l a t o r a I 一o v e r ；w a v e f o r m c h a r a c t e r i s t i c 中图分类号： T M8 6 6 文献标识码： A 文章编号： 1 ( 10 3 6 9 5 4 ( 2 o o 7 ) o 4 0 0 1 4 0 5 电力系统 中雷击引起的故障最多， 对雷击引起的 过电压及其保护已经有大量的研究， 实际上雷击除了 直接产生过电压影响设备和系统绝缘外， 引起的电压 凹陷( v 0 l t a g e S a g ) 和短 时 中断 ( S h o r t D u r a t i o n I n t e r mp fi o n ) 对系统保 护与控 制、 敏感用户产生的影 响越 来越引起人们的重视。基于计算机网络与信息系统 的电力系统保护与控制系统是现代电力系统安全稳 定运行重要保证 ， 因此针对系统 中可能产生的各种扰 动及其可能导致的影响进行研究具有重要的理论和 现实意义。 电力系统的电能质量分为稳态和暂态两类 ， 稳态 电能质量问题 以波形 畸变 为特征 ， 主要包括谐 波、 问 谐波、 噪声、 电压以及频率波动、 三相不平衡等， 暂态 电能质量问题以频谱和暂态持续时间为特征， 分为脉 冲暂态和振荡暂态两类 ， 包括电压 凹陷、 电压骤升 、 短 时断电等。其中， 稳态电能质量问题更多由用户产 生 ， 而暂态电能质量问题除了用户 产生 以外 ， 系统操 作运行、 开关投切、 雷击等产生的冲击和大电流变化 是重要原因。 欧洲国家的调查表明， 电压凹陷引起的用户投诉 占整个电能质量问题 的 8 0 以上 ， 而由谐 波、 开关操 作过 电压等引起 的 电能质量 问题 投诉不到 2 0 ， 凹 1 4 陷的严重性受到世界各国的广泛关注 ， 国际电工委员 会( 正C ) 、 美国电气 电子工程师协会 ( I E E E ) 以及欧洲 标准化委员会( E N C ) 在 2 0 世纪 9 O 年代先后制定了 相关标准对电压凹陷进行了定义， 近年来国外学术刊 物对电压 凹陷的讨论明显增多 ， 某些理论成果已经用 于工程实际。随着 电力 系统 的快 速发展 ， A C D C互 联的超高压、 特高压输电系统逐步形成， 这些系统的 正常操作均可能引起电流的快速变化， 均可能在系统 中产生电压凹陷， 而电力系统的运行 、 调度、 控制以及 大量用户对电压 凹陷均很敏感 ， 电压 凹陷问题逐渐成 为电力工作者关注的重要问题。在中国， 因雷击引起 的电压凹陷约占总数 6 o 左右 ， 因此 ， 对雷击 引起的 电压 凹陷作系统的研究有重要意义。 从 电力系统雷击特征 、 不 同雷电保护方案 出发 ， 建立了相应的 P S C A D E M T D C 模型， 对雷电引起的各 类凹陷特征进行了仿真研究， 为下一步进一步研究雷 击引起的系统故障、 用户设备故障提供了理论基础。 1 电压凹陷的定义与危害 I E E E将电压凹陷定义为供电电压有效值快速下 降到额定值的 9 o 一1 0 ， 持续时间为 0 5周波 一 维普资讯 第 3 o 卷第4 期 2 0 0 7 年 0 8月 四 川 电 力 技 术 S i e h u m a El e c t r i c P o we rT e c h n o l o g y Vo 1 3 0 No 4 A I l g 2 O 0 7 2 s 。系统中线路电流的短时增大是导致电压凹陷产 生的根本原因， 实际电力系统中的电压凹陷主要由短 路故障、 开关操作、 变压器以及电容器组的投切、 大容 量感应电机起动等原因造成。从产生电压凹陷的原 因来看 ，系统 即使按最 高可靠性 设计 也无法避 免。 目前 ， 新型电力 电子设备在 系统 和用户 中的广泛使 用 ， 使电压凹陷成 为干扰 电力 系统、 工业过程和软件 应用的重要原因。电压凹陷能够对计算机、 复杂电子 设备、 精密仪器、 可编程控制器、 变频调速电机等电器 设备造成不利影响 ， 基于芯片处理的设备 ， 如计算机 及其网络系统、 控制系统、 保护系统、 电梯、 自动取款 机等会因电压瞬间跌落出现故障， 表 1 列举了电压凹 陷给各种敏感设备带来 的不 良影 响。 表 1 电压 凹陷对 电子设 备的影响 设备名称 电压凹陷描述 可能产生的影响 珐 鼻 篓 控 制 系 统 蒿 魍 u 计 算 机 程 序 紊 乱 ， 数 据 丢 失 程 序 失 控 ， 需 要 很 一 长 时 间 才能重新启动 篓 斐 被 迫 退 出 运 行 速 设 备 受 到 影 响 一 一 表 测 电 压 低 于 s s 茬 子 电 路 主 板 电 动 机 蒿 电 压 电 机 减 速 ， 减 速 程 度 和 降 落 幅 值 、持 续 时 间 有 关 电压低于 5 0 P I E可编 电压低于 9 o ， P I E停止工作 程控制器 持续仅 仅 几 个I O设备被切除 周波 3+N N 源 塞 子 电 压 低 于 8 0 控 制 器 一 控 制 器 动 作 将 制 冷 电 机 切 除 2 雷击过程的麦也尔电弧模型 1 9 4 3年 ， 麦也尔假定 ： ( 1 ) 弧柱为直径不变的园柱体， 其温度随离开轴 线距离的增大而降低； ( 2 ) 认为电弧电压等于弧柱压 降， 不计沿轴向和从电极散发的热量； ( 3 )弧柱功率 散发仅考虑传导和部分辐射， 不考虑对流作用 ； ( 4 ) 不考虑弧柱中气体的热物理性质随温度变化的关系； ( 5 ) 弧柱中的热游离情况可按沙哈公式确定。 基于以上假定， 得出电弧电导 g和弧柱含热量Q 之间的关系为： g： 1 ( 1 ) 式中， 为常数； Q o 为参考含热量， 当将等于此数量 的热量输入弧柱或从中取出时， 电弧电导 g变化 e ( =2 7 1 8 ) 倍。 将式( 2 ) 对时间 t 求导， 得 字： 盖 ( 2 ) 一 ,4 t Q o 、 根据能量平衡原理 ： i N ( 3 )d t 、 ， 式中， 为电弧电压； i 为电弧 电流 ； N 为弧柱散发功 率。 将式( 3 ) 代入式( 2 ) 并令 r =Q 。 N， 得 三 = 一 1 ( 4 ) g d t N 一 叶， 因为 i =g u ， 式( 4 )可写为： r挛 ： i 2 一 g ( 5 ) 一 一 = 一 1_ ( u i 一 ) ( 6 ) 了 一 一一一 一 如令 电弧 电阻 r =1 g ， 则式( 4 ) 、 ( 5 ) 可改写成 ： = 1 一 等 ( 7 ) 一 ， r d r：r 一等 ( 8 ) 一 式( 4 ) ( 8 ) 即为按麦也尔电弧数学模型得出的 电弧特性微分方程的五种表达形式。实际使用时， 可 按已知参数和待求参数的情况， 选用上列公式之一进 行计算 。如 ， 已知 i 随t 的变化情况 ， 欲求 g随 t 的变 化时 ， 可用式 ( 5 ) ； 如 欲求 随 t的变 化 ， 则 可用式 ( 6 ) 。 在麦也尔模型中， 假定 r和 均为常数。当电 流按下列规律变化时 ： i = s i n ( + ) ( 9 ) 式中， 为触头分离瞬间电流的相位角； 为电源的 角频率。 将式( 9 ) 代入式( 5 ) ， 一般在燃弧时间大于几毫秒 1 5 维普资讯 第 3 o 卷第 4 期 2 O O 7年 0 8月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n El e c t r i c P o w e rT e c h n o l o g y v0 1 3 0。 N o 4 Au g ， 2 O 0 7 后 ， 可以求得 g的变化规律为 ： 2 co r +s i n 2 ( co t + ) 一 a rc s in ( co t +翌 ) g N( 1 + 4 co 2 r ) ( 1 0 ) 虽然麦也尔电弧数学模型是在上述五个假定 的 条件下建立起来的， 但在不符合上述假定的情况下， 该模型也可适用， 且研究发现 r和并非常数， 因 此 ， 在使用该模型时 ， 不再计及所作的假定和对 r和 的限制 。 1 9 7 1 年 ， 德 国学者 A H o e h r a i n e r 利用控制论 ， 模 型得出描写电弧特性的微分方程为： r = Gi - g 式 中， G 为对应于某一电流时电弧的稳态 电导 ； r f 为 对应 于某一 电流时电弧电导的时间常数。 式( 1 1 ) 的物理意义 为， 电弧瞬态 电导 g力 图向 相应电流的稳态 电导 过渡， 电弧瞬态 电导 随时间 变化的速率正比于相应电流的稳态电导与瞬态电导 之差 ， 其 比例系数即用时间常数 r i 表示。这里 G f 和 仅为 电流 i 的函数。 若把电弧稳态 电导 G定义为 ： G=i 2 N ( 1 2 ) 将此式代入式( 5 ) ， 消去 ， 即可以得： r =Gg ( 1 3 ) 比较式( 1 1 ) 和式( 1 3 ) ， 可见不用通过控制论模型 的推导 ， 只需对麦也尔数学模型的方程稍加变换即可 得出式 ( 1 1 ) 的形式。式 ( 1 1 ) 实质上乃是麦也尔 电弧 数学模型的另一种表达形式。同时可以看到 ， 式( 1 3 ) 比( 1 1 ) 表达的内容更普遍， 因为前者的 r 和 G不受 任何限制， 而后者的 r i 和 G i 被规定为电流的函数。 式( 1 3 ) 可以看做是麦也尔 电弧数学模型的第六种表 达形式 。 3 不同雷击故障的仿真模型 雷击引起的凹陷主要是由于绝缘子闪络、 电弧接 地 、 保护间隙放电引起过 电压 ， 从 而导致母线 电压 凹 陷， 因此， 分析雷击引起的电压凹陷就需建立相应的 仿真模型。 3 1 电弧接地模型 1 6 电弧分为一次电弧 ( 断路器开断前) 和二次 电弧 ( 断路器跳闸后) 两种。继电保护装置所关心的是接 地故障电弧， 即一次电弧。已知 i 随 t 的变化情况， 欲求 g随 t 的变化时， 可用式( 5 ) 。 业 d t =专 ( G g ) ( 1 4 ) 用下标 p ( p r im a r y ) 表示一次电弧， 则式( 1 4 ) 为： ri g , = ( 一 ) ( 1 5 ) 显然 ， 是关于 的微分方程， 确定了 和 即 可求解。 3 2 绝缘子串闪络模型 根据物理过程确定绝缘子是否闪络的判据主要 有两种 ， 如图 1 。 (b ) 伏 秒 特 性 无 交 点 1 ， 2 一绝缘子串两端电压曲线； 3 一绝缘子串伏秒特性曲 线 ； 一闪络时绝缘子的电压； u s o 一绝缘子串的 5 0 放电 电压。 图 1 绝缘子闪络判据 如绝缘子串两端电压曲线 1 在 时刻与绝缘子 伏秒特性 曲线 3 相交 ， 即判为闪络 ， 如图 1 ( a ) 所示。 如绝缘子 串两端电压按曲线 2变化 ， 虽未与伏秒 特性曲线 3相交， 但其峰值超过了绝缘子串的 5 0 冲击闪络电压 5 0 ， 也判为闪络。以曲线 2和 第二次相交的时刻 作为 闪络发 生时刻 ， 如 图 1 ( b ) 所示 。 维普资讯 第 3 o 卷第 4 期 2 0 0 7年 o 8 月 四 川 电 力 技 术 S i c h u a n E l e c t r i c P o w e rT e c h n o l o g y Vo 1 3 o。 No 4 Au g 。 2 O O 7 采用的伏秒特性曲线， 其表达式为 一 =4 0 0 L+7 1 0 t 一 0 ( 1 5 ) 式中， 一 。 为闪络 电压 ， k V； L为绝缘子 串长度 ， m； t 为从雷击开始到闪络所经历的时间 ， s 。 标准盘形悬式绝缘子串和长绝缘子 串的 U 5 o 仅 与干闪络距离 ( 1 g = ) 有关 ， 且基本呈线性增长关 系 ： =5 3 3 L+1 1 0 ( 1 6 ) 式中， U s o 的单位取 k V ， 的单位取 c m 。 在干燥 及淋 雨条 件下 ， 当 电压 为 3 0 06 0 0 k V 时 ， 可近似求出各极线 的 5 0 冲击 闪络电压 。 5 0 = U s o +1 0 0 ( 1 7 ) 式中， 。 5 o 为 5 0 冲击闪络电压 ， k V。 仿真模 型中绝 缘子 型号为 C A一7 3 5 E Z ， 每 串有 3 2 片。计算出的正极线绝缘子串的 5 0 = 2 6 0 9 5 k V 。算出闪络电压后 ， 用 P S C A D E M T D C进行仿真。 3 3 保护间隙放电模型 国家电力公司颁发的 D L 7 5 52 0 0 1 电力系统安 全稳定导则 规定： 电网应遵循分层分区的原则， 避免 和消除严重影响电网安全稳定的不同电压等级的电 磁环网 ， 以及发 电厂不宜装设构成 电磁环网的联络变 压器。因此不同电压等级 电网的接地方式不同， 其 目 的是降低绝缘水平和造价。输 电系统一般采用 中性 点直接接地方式 ， 以解决系统接地故障时的非故障相 电压升高问题， 降低设备绝缘水平， 但是同样存在一 些问题， 因此可以通过间隙保护( 零序过压、 间隙过流 保护) 来解决， 因此在分析雷击引起的母线电压凹陷 时， 需要对间隙保护进行分析， 此时可以采用电阻串 联电弧来建立模型 ， 也可使用麦尔也电弧数学模型。 4 P S C A D E M T D C模型 ( 1 )麦也尔电弧仿真模 型( 见图 2 ) ( 2 )绝缘子闪络( 见图 3 ) ( 3 ) 单相接地短路( 见图4 ) ( 4