（电气工程专业论文）35kv变电站铁磁谐振过电压仿真研究.pdf

重庆大学工程硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t f a 口o f l 篦帅锄c co v e r v o l t a g ei s 咄o f t h ei n n e ro v e r v o l t a g et h a ta l w a y so c c u r r i n gi n n c u l 3 - a li s o l a t e ds y s t e ma n ds o m e t i m e si nn e t l 砌g r o u n d e ds y s t e m t h eo v e r v o l t a g ea n d o v e r c m r e n to f f e r r o r e s o n a n c od o e sg r e a th a r mt os t a b l ea n ds a f er u n n i n go f p o w e rs y s t e m f o rk e e p i - gt h et r a n s m i s s i o na n dd i s l r i b u f i o ne q u i p m e n t so u to fd a m a g e ，i ti s v e r y i m p o r t a n tt or e s e a r c ht h ef e r r o r e s o n a n c es i m u l a t i o nm o d e la n dd e t e c t i o nm e t h o d a i m 斑o n cp o w e rs u b s t a t i o no fg u i z h o t lp r o v i n c e b a s e do nt h ei n t e m a t i o n a l c o n v e n t i o n a ls i m u l a t i o np r o g r a ma t p - e m t p , t h es u b s t a t i o nf e r r o r e s o n a n c es i m u l a t i o n m o d e li sb u i l t , a n dt h ef e r r o r e s o n a n c es i t u a t i o no ft h i ss u b s t a t i o n3 5 k vb u s 盯i s s i m u l a t e de x c i t e db yt h es i n g l e - p h a s eg r o u n d e df a u l t t h es i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t et h a t t h em o m e n to ft h es i n g l ep h a s eg r o u n d i n gf a u l td i s a p p e a r i n gi sak e yf a c t o rt oe x c i t e f e r r o r e s o n a n c e v a r i o u ss u p p r e s s i o nn l e a 鞠嬲s u c ha sc o n n e c l i n gn o n l i n e a rr e s i s t a n c et o t h en e u t r a lp o i n to ft h r e e - p h a s ep t h i g h - v o l t a g es i d e ，c o n n e c t i n g 锄a r c - e x t i n g u i s h i n g w i n d i n gt ot h en e u t r a lp o i n to fp o w e rs y s t e m , c o n n e c 垃n gd a m p i n gr e s i s t a n c et ot h e b r o k e nd e l t aw i n d i n go f t h r e e - p h a s ep ta r er e s e a r c h e da n dc o m p a r e d k e yw o r d s ：f e r r o r e s o n a n c o , s u b s t a t i o nm o d e l ，s u p p r e s s i o n , a t p e m t p 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 中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重鏖盔堂 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： 套 锰 签字日期：司年夕月2 7 日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重鏖太堂有关保留、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“4 ”) 学位论文作者签名：丞一瑶 签字日期：加7 年j - 月2 7 日 名：2 - j 嫁 签字日期：弘刁年r 月月 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究的目的和意义 电力系统中具有许多电感元件例如：发电机、变压器、电压互感器、消弧线圈 和并联补偿电抗器等，这些元件和系统的线路导线的对地和相间电容、补偿电容器、 高压设备的杂散电容等电容元件组成许多复杂的振荡回路。根据系统元件电感类型 不同，谐振可分为线性谐振、非线性( 铁磁) 谐振和参数谐振三种。在电力系统的振 荡回路中，非线性电感元件( 大多为铁磁元件) ，如果在某种大的扰动或操作作用下， 就可能进入饱和区，从而与线路和设备电容形成特殊的单相或三相共振回路，激发 起持续的较高幅值的过电压，根据非线性元件参数的不同和激发条件的不同可能会 产生分频谐振、基频谐振和高频谐振，这就是铁磁谐振过电压。 1 1 1 电力系统几种常见的铁磁谐振过电压 ( 1 ) 断线谐振：断线泛指导线断落，断路器非全相操作以及熔断器的一相或二 相熔断等，只要电源侧和负荷侧中任一侧中性点不直接接地，在断线时就可能发生 谐振过电压。这种过电压的出现会导致系统中性点位移、负载变压器的相位反倾、 绕组电流急剧增加、绕组两端及导线对地过电压等。 ( 2 ) 传递过电压；在低压配电网络中当高压线路中发生不对称接地或断路器不 同期操作时，就会出现明显的零序工频电压分量，通过静电和电磁耦合在输电线路 之间或变压器绕组之间会产生工频电压传递现象，若与接在电源中性点的消弧线圈 或电压互感器等铁磁元件组成谐振回路，就可能产生铁磁谐振过电压。 ( 3 ) 电压互感器引起的铁磁谐振过电压：在电力系统中，为了监视绝缘，发电 厂，变电站的母线上通常接有接线的电磁式电压互感器。当进行某些操作如中性 点不直接接地系统非同期合闸或接地故障消失时，电压互感器的励磁阻抗与系统对 地电容易形成谐振回路，激发谐振。 ( 4 ) 在对断口两端带有均压电容的断路器进行分闸操作时，由于电路内受到足 够强烈的冲击扰动，使得系统电感两端出现短时间的电压升高、大电流的震荡过程 或铁心电感的涌流现象，很容易使励磁电感和断路器的均压电容一起形成铁磁谐振。 以上是常见的几种铁磁谐振过电压形式【l 】，其中电压互感器引起的铁磁谐振过 电压是中性点不直接接地系统中最为常见、造成事故最多的一种内部过电压，严重 影响供电安全，必须予以重视。 1 1 2 电力系统铁磁谐振特点 ( 1 )中性点不直接接地系统 在中性点不直接接地系统中，系统中性点对地绝缘未钳定，谐振过电压在系统 重庆大学工程硕士学位论文 l 绪论 的零序通道内产生，谐振产生时通过检测分析中性点的零序电压就能判定铁磁谐振 过电压的类型。以电压互感器铁磁谐振过电压为例，发电厂、变电站的母线上通常 接有y o 接线的电磁式电压互感器，系统对地参数除了输电导线和设备的对地电容 c 0 外，只有互感器的励磁电感厶由于系统中性点不直接接地，y 0 接线的电磁式电 压互感器的高压绕组就成为系统对地的唯一金属通道。正常运行时，三相对地参数 基本平衡，中性点的位移电压很小，但在某些切换操作如断路器合闸或在接地故障 作用下，就可能因p t 三相出现不同程度的饱和，导致系统三相对地参数不平街， 产生中性点零序电压，根据系统参数和p t 饱和程度的不同，零序电压可能是工频 或谐波频率。电压互感器铁心饱和引起的铁磁谐振过电压是中性点不直接接地系统 中最常见和造成事故最多的一种内部过电压，系统基本结构如图1 1 所示。 u r x m p r = t - 图1 1 中性点不直接接地系统铁磁谐振示意图 f i 9 1 1f c n o r e 黜i n n e l 血a l p o i n t n o n - d b e c t g r o u n d s y s t e m ( 2 ) 中性点直接接地系统 中性点直接接地系统中，电压互感器绕组分别与各相电源电势相连，电网中各 点电位被固定，不会出现中性点位移过电压；中性点经消弧线圈接地系统中，消弧 线圈电感值远小于电压互感器的励磁电感，相当于电压互感器的励磁电感被短接， 电压互感器的变化也不会引起过电压，但当中性点直接接地或经过消弧线圈接地的 系统中，由于操作不当或某些倒闸过程，也会形成局部电网在中性点不直接接地方 式下临时运行，在中性点直接接地电力系统中，一般铁磁谐振的激发因素为合隔离 开关和断路器分闸。在进行此操作时，由于电路内受到足够强烈的冲击扰动，使得 电感两端出现短时的电压升高、大电流的震荡过程或铁心电感的涌流现象，很容易 使励磁电感和断路器的均压电容一起形成铁磁谐振。中性点直接接地系统的铁磁谐 振过电压除具有零序性质外，还具有线序( 正序、负序) 性质，由于相间关系松散， 故各相的谐振发展可看成是独立的，对于对外呈现正序或负序性质的谐振过电压， 在中性点不直接接地系统中常采用在电压互感器的开口三角绕组串电阻的消谐方法 将不适用 运行经验表明，中性点接地和不直接接地系统中均频繁地发生铁磁谐振，但出 现最多的主要是发生在配电网中的中性点不直接接地系统中，由于电磁式电压互感 2 辱却 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 器饱和而引起的铁磁谐振过电压。到目前为止，由于系统结构的复杂和运行参数的 随机性和现有各种消谐器的局限性，在中性点不直接接地系统中p t 饱和引起的铁 磁谐振过电压仍然是威胁电力系统安全运行的重要因素。多年来的实验研究表明， 工频谐振过电压和高频谐振过电压的幅值很少超过3 o p u ，除非存在弱绝缘设备， 一般不会威胁系统安全。分频谐振由于频率低，互感器的励磁阻抗随之下降，因铁 芯元件的非线性，使励磁电流大大增加，甚至可达额定励磁电流的百倍以上，互感 器工作在严重饱和状态，虽然过电压被限制不超过2 o p u ，但大电流的持续时间过 长，会烧坏互感器的保险丝，或使互感器严重过热而冒油，甚至爆炸。因此，分频 谐振过电压的危害是最大的。 近年来许多1 1 0 k v 变电站经常发生3 5 k v 系统p t 高压保险烧毁甚至p t 烧毁现 象，同样的情况在1 0 k v 系统也时有发生。因此对1 1 0 k v 变电站及以下系统建立铁 磁谐振的仿真计算模型，检验系统的谐振情况，并提出相应的防止措施，解决配网 中过电压危害的问题，保障供电的可靠性，具有较强的工程实用价值。 1 2 国内外研究现状 数十年来，国内外的专家学者对铁磁谐振进行了大量的研究，包括理论分析、 各种试验以及逐步利用计算机进行数值仿真计算等，从各个不同角度解释了p t 铁 磁谐振的现象及其变化规律，并提出了一系列抑制铁磁谐振的措施，研制了相应的 装置，在系统运行中取得了一定的效果。文献 2 】从理论上定性地分析了谐振产生的 原因及特点，并提出了产生谐振的必要条件。文献 3 】中介绍了增量描述函数法和谐 波平衡法，这两种方法都是针对非线性度较小的情况下使用的。 早在四十年代初h a p e t e r s o n 等对铁磁谐振进行了大量的模拟实验研究，绘制 了谐振区域图，讨论了各种谐振条件对谐振区域的影响。国内的学者也多次做模拟 试验对铁磁谐振的发展过程和谐振条件进行了大量的研究l ，得出的结论和 p e t e r s o n 谐振区域图有一定出入，但大体上趋势还是一致的，这些成果进一步揭示 了铁磁谐振的内在规律，有助于全面认识铁磁谐振的特点，一些学者在此基础上研 制了几种消谐装置睁吲 1 2 1 铁磁谐振的理论分析和仿真计算发展 ( 1 ) 在早期的理论分析中，分析铁磁谐振常用的方法有图解法、相平面法、多 是对铁磁谐振发生机理进行定性的分析，这些方法简捷、直观，是对模拟实验方法 的很好的补充。但是，它们的研究对象仅限于单相r l c 串联的非线性谐振电路。 ( 2 ) 6 0 年代后，开始使用各种非线性系统的分析法对谐振电瞎非线性二阶 电路进行分析。如，幅频法、描述函数法、平均法、谐波平衡法等。这些方法都属 于近似的解析法，只能对稳态情况进行分析。随着计算方法和计算机技术的发展， 3 重庆大学工程硕士学位论文 l 绪论 人们将数字仿真引入到铁磁谐振的研究中来，对其暂态特性进行了研究。 ( 3 ) 8 0 年代后期以来国外学者又把铁磁谐振与非线性动态系统和混沌分析结合 起来，将分叉理论、奇异和非奇异吸引子概念引入铁磁谐振的研究领域利用功率谱 密度和庞加莱映射方法和数字仿真技术对其进行动态分析。将铁磁谐振电路的响应 分为三类：周期响应、拟周期响应和混沌响应。并证实在一定的初始条件下，电力 系统也会出现混沌现象【1 1 ( 4 ) 利用数字仿真方法对铁磁谐振进行稳态和暂态计算 将系统模型转化为能在计算机上计算的仿真模型，在计算机上进行实验研究。 因为铁磁谐振是在三相回路内统一产生，不能将其转化为一个单相电路进行分析， 这就使得理论分析十分困难。虽然几十年来专家学者进行了大量的探讨，有图解法、 相平面法、谐波平衡法、描述函数法等，但这些方法只能进行定性的分析或稳态情 况下的计算，对于三相非线性电路的定量计算方法缺少全面有效的算法。而实验方 法又显然有它的局限性。随着计算机和计算技术的发展，近年来出现了用数字仿真 分析铁磁谐振的方法，利用计算机进行数字仿真，可以方便的改变系统中的各种参 数，使得分析更加全面。 现有铁磁谐振的仿真研究主要可分为三类： ( 1 ) 将三相系统按照电路规律近似转换成单相系统的简化模型，转换过程对线 路、母线等分布参数元件仅考虑它们的对地电容影响，用集中参数电容模型进行等 效。在这种简化的模型基础上，通过多种数学方法建立数学模型进行的数字仿真 0 2 - 1 s 。由于在实际电网中铁磁谐振是在三相回路内统一产生的，将其转化为一个单 相电路进行分析必然会带来较大误差，尤其是对于参数不是很对称的系统，对称分 量不适用的情况下误差尤其大。 ( 2 ) 采用已有的仿真软件进行更全面的仿真，此类软件有电磁暂态仿真程序 e m t p 、m a t l a b 1 6 j 、p s c a d 等。这其中e m t p 通过多年的不断完善和发展已经 发展成熟且在国际上通用，但由于它需要在d o s 下面进行操作，元件模块编写调 试比较繁琐，给系统仿真带来了较大的不便。它的改进版本a t p - - e m t p 是一款建 立在e m t p 计算方法基础上的模块化软件，它可以在w m d o w s 平台下工作，操作十 分简便。它的模型库里面包含了大量常用的元件模型，能够满足仿真的需求。由于 它的简便和强大的功能，在电力系统暂态仿真中得到了广泛的应用f 1 7 - 2 0 。 ( 3 ) 部分学者也尝试应用解析法寻找非线性电感的工频励磁特性与谐振电路戴 维南电源伏安特性是否有交点，从而判断系统谐振情况【2 n 1 2 2 p t 励磁特性曲线的转换方法研究 非线性电感元件既有储能特点，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 4 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 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1 2 2 - 2 3 1 ，这就存 在铁心线圈磁化的特性转换方法问题。由于铁心非线性电感元件对于仿真模型的 重要性，不少学者对含铁心线圈磁化的特性转换方法进行了深入研究，目前的转 换方法主要有： ( 1 ) e m t p 模拟法阴 用e m t p 模拟下图所示简单电路的暂态过程，三为以t y p e 9 8 型元件( 软件本 生自代的模型) 表示的非线性电感。置为阻尼电阻，给定电源电压幅值b 模拟开 关闭合后的电路响应。模拟时间应足够长，以使回路能达稳态。在e m t p 输入文 件中加入有关傅利叶分析的数据行，以分析电感电压和电流中的工频分量。 自 图1 2e m r p 模拟法求非线性电感工频励磁特性 f 9 1 2i n d u c t a n c ep o w e rf r e q u e n c ym a g n e t i cc h a r a c t e r i s t i co ne m t ps i m u l a t i o n ( 2 ) 假定表达式解析求解法 常用的表达式以奇次幂多项式f ( o = 口：，+ 。确“为主陋婀，也有采用反正切 s - 0 函数等表达式 2 7 1 或其它形式数学表达式，假定顾叨关系式后，利用试探法、两 点法、最b - 乘法等数学方法将试验获得的伏安曲线转换成颅5 f 。 ( 3 ) 逐点转换法 2 9 l 根据有效值和瞬时值之间的关系，将伏安曲线上相邻几点考虑到一个周期内， 从而根据对应点处电流有效值解出该点处电流瞬时值 对于e m t p 模拟法，由于本身仿真软件存在误差，模拟模型是在极其简化情 况下进行的，效果不是很好，假定表达式解析求解法将本来就是非线性的励磁曲 线用特定表达式来限定，误差相对更大一些。逐点转换法是根据相邻点大小来确 定该点的瞬时峰值大小，相比较而言精度最高。 一直以来，对于消谐措施的研究从未间断。无论对于中性点不直接接地系统 还是对于中性点直接接地系统，由于接线的复杂性和故障、操作形式的多样性， 所形成的铁磁共振回路千差万别，国内部分学者针对不同的情况提出了多种抑制 措施，研制出了一系列消谐装置，这些措施的提出与应用为系统的安全运行都提 供了一定保证 2 9 - 3 2 ，尽管如此，电网中的铁磁谐振还是时常发生，严重影响着系 统的安全运行。实际中甚至还出现系统中发生过铁磁谐振，在采取消谐措施( 加 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 装消谐器) 后，又发生消谐器烧毁情况。这说明在实际系统中，由于电网具体情 况的不同，铁磁谐振的发生与否以及性质都有很大的差别。鉴于此，我们必须针 对电网的具体情况进行仿真研究分析，在此基础上合理地选用一种或综合采用几 种措施才能有效地防止事故的发生。 1 2 3 仿真模型比较 在中性点不直接接地系统中，由于铁磁谐振发生在零序回路中，大多仿真模 型忽略了系统的相间电容等非零序参数量，然而中性点不直接接地系统大多为配 网系统，进出线路基本不换相，系统三相参数不对称，各序分量并不独立，尤其 是对于进出线路较长的配网系统，忽略非零序参数后模型误差更大。对于中性点 直接接地系统，由于中性点电压钳位三相对称，近似把三相回路简化成三个相同 的单相回路，模型简化为单相系统进行分析，这使得仿真和实际情况相差较大， 特别是对于有双电源进线的变电站系统，结果差异更大。以某l l o k v 变电站，如 图1 3 所示，在简单单相模型和三相系统模型仿真对比为例说明上述情况。 图1 3 某l l o k v 变电站一次接线图 f i 9 1 3 t h e w 嫡l 唱d i a g r a m o f ( m el l o k v s u b s t a t i o n 通常简化模型是利用两段母线的对称性，对其中一段作等效简化，在空载情 况下忽略母线对地电导、相间电容得到单相简化仿真原理图如下： 图1 4 简单模型等效电路图 f i 9 1 4t h es i n g l e - p h a s ee q u i v a l e n ts c h e m eo f s i m p l es i m u l a t i o nm o d e l 图1 4 中瓦= s i n ( 国t ) 为系统电源，c l 为均压电容，c 2 为等效系统对地电容； 6 重庆大学工程硕士学位论文l 绪论 j k ，厶u 分别为p t 的铁心损耗、励磁电感、一次侧电压，为励磁电流。 u 咱卜爿 图1 5 对应简单系统的a l p 仿真模型 f i 9 1 5t h es i n g l e - p h a s es i m p l es i m u l a t i o nm o d e l 图1 6 三相仿真模型 f i g1 6t h r e ep h a s es i m u l a t i o nm o d e l 简化模型中没有考虑母线对地电导、相间电容对模型精度的影响，而且模型中 将母线的两进线电源等效成了一个来考虑，由于1 1 0 k v 系统中性点是接地的，等效 后忽略了一个电源进线的开关动作时，另一个电源对p t 电压的钳制作用。例如在 变电站一次接线图上变压器1 进线断路器动作时，虽然对母线有较大扰动，但由于 变压器2 对母线及p t 电压的钳制作用，大大减小了扰动范围，p t 谐振的可能性大 大降低了，即使在两进线断路器同时动作时，由于采用的是分布式参数，考虑了母 线的相间电容、电感及对地电导增加了谐振回路阻尼，谐振被激发的可能性相对简 化系统大为减小，而在简化模型中忽略了以上两个对谐振过电压的限制因素，p t 较 容易受干扰饱和而激发谐振。对应简单模型中c i = o 0 0 3 1 【心，c 2 = o 0 0 1 妒，断路器 k 在t = 0 2 s ，断开激发p t 电压电流波形如图1 7 所示。 7 重庆大学工程硕士学位论文 1 绪论 f 州吣- _ 4 o 哪瞄 图1 7 简单模型铁磁谐振过电压波形( p t 电压) f i 9 1 7t h ef a 口。北s o r 埔脚o v e r v o l t a g eo f s i m p l es i m u l a t i o nm o d e l 图1 s 简单模型仿真波形( p t 电流) f i g1 8t h ef e 椰竹岱咖a n c eo v e r c u r r e r l to f s i m p l es i m u l a t i o nm o d e l 在三相系统采用近似简单系统的元件参数，考虑极端情况：两进线断路器k l 和k 2 的a 相同时断开，等同于简单系统断路器k 动作( 见图1 5 ) ，动作没有产 生任何谐振迹象，见图1 8 和图1 9 。 图1 9 三相仿真模型电压波形 f i 9 1 9t h ev o l t a g ew a v e f o r mo f f l u e e - p h a s es i m u l a t i o nm o d e l 8 重庆大学工程硕士学位论文1 绪论 比较图1 7 和图1 9 ，针对于变电站同一种操作情况下，简单的单相仿真模型由 于忽略了另一相进线电源的钳位作用而激发了p t 谐振过电压，而三相仿真模型则 很好的反映了这一时期系统电压的变化情况。 1 3 论文的主要内容 国内现有的数值仿真一种是建立在简化模型上的理论研究，还没有进入实际领 域；而另一种是应用e m t p 等已有仿真软件，但由于该软件的操作和维护的繁琐， 建立的模型大多过于简单，很多因素如：电源内阻，变压器模型，线路、母线的分 布特性等都未考虑，因此，现有的数值仿真计算都不能满足实际的工程要求，仍需 要我们做进一步的研究。本文基于a t p - - e m t p 软件，建立的变电站谐振仿真模型 解决以下问题：模拟系统正常或在多种故障情况下的主要参数变化情况，对线路中 发生的铁磁谐振现象的事故进行分析；对设计或实际运行中如何避开铁磁谐振的发 生进行指导；对各种消谐措施进行综合比较，以确定最佳的消谐方式 本文的主要工作如下： 1 ) 针对中性点不直接接地系统三相参数不对称特点，以贵州1 1 0 k v 龙洞堡变 电站为原型，对变电站铁磁谐振的仿真模型进行了研究； 2 ) 仿真计算3 5 k v 进线母线p t 在单相接地并消失瞬时产生的谐振情况，并结 合单相接地故障不同消失时刻系统过电压情况，对谐振激发机理进行了深入分析； 3 ) 针对以上谐振过电压情况并结合目前中性点不直接接地系统中常用的消谐 措施，对多种谐振过电压抑制方法进行仿真比较得出了最佳消谐方式 9 重庆大学工程硕士学位论文2 仿真参数处理及模型的建立 2 仿真参数的处理及模型的建立 2 1 引言 在中性点不直接接地系统中，谐振过电压在零序回路内产生，但由于中性点不 直接接地系统大多属于配网，进出线路一般未经过换相处理等原因造成系统三相元 件参数并不对称，对称分量法的各序分量并不独立，因此出线负荷、相间电容等参 数都会对谐振的激发产生一定影响。并且中性点不直接接地系统铁磁谐振在三相回 路内同时产生，不能建立简单的单相等效仿真模型进行分析，本文模型是在基于大 量现场和试验数据的基础上建立的三相、三个电压等级变电站仿真模型基于配网 系统三相线路参数不对称特点，模型中充分考虑母线的零、正序参数和进出线路的 相间参数及分布特性，架空线采用a t p 中是l c c 模块的j m a r t y 模型，母线采用的 是l i n e z t3 模块提高了计算精度。变电站主接线如图2 1 。 图2 1 变电站系统结构图 f i 9 2 1t h ec i i td i a g r a mo f s u b s t a t i o n 2 2 参数处理 参数处理部分主要包括p t ，变压器，线路，避雷器等模型参数。 2 2 1 励磁曲线转换 变电站中的谐振主要是由具有非线性电感的电磁式电压互感器饱和引起的，铁 警m q q 叫 一 t l 下l l _ 卜 重庆大学工程硕士学位论文2 仿真参数处理及模型的建立 心线圈非线性电感元件既有储能特点，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，需要进行转换， 仿真模型p t 励磁参数采用精度较高的逐点转换法计算得到。具体转换原理如下： 对于含有铁心的电感线圈，由于铁心的饱和特性导致了其励磁特性烈o 曲线的 非线性。电源电压为正弦波，由铁心中的磁通砸) 与所施电压( ，) 之间关系 掣：o ) ：_ u s ( 耐) 得： 砸 ，矗7 p ( f ) = 兰! 旦s 叫耐)( 2 1 ) 埘 ，：_ r ， 稳态时刻烈r ) 的幅值为= ! 坐由此可见与电压有效值眩间有直接对 珊 应关系，但烈d 曲线中的尚电流有效值，之河没有直接对应关系，图2 2 显示了在交 流正弦电源”( f ) 的作用下q t ( t ) ，i ( t ) ，哟曲线的关系 图2 29 ( f ) ，距r ) ，烈o 的关系图 f i 9 2 2r e l a t i o n s h i pa m o n go f 烈t ) ，稚) ，“o 已知u - - i 的起始( o ，0 ) 点对应烈o 的( o ，o ) 点，c a ( u l ， ) 点求( 竹，) ， n ；兰堕，彻曲线上的( o ，o ) 点到( n ， ) 的直线方程为： ，( f ) = ：l 砷)( 2 2 ) = 昙2 一= 搿阿s 舒缸荆= 争一 由式( 2 2 ) ，( 2 3 ) 得： = 4 2 h ( 2 4 ) 重庆大学工程硕士学位论文2 仿真参数处理及模型的建立 由式( 2 1 ) ，从( ，如) ，觇， ) 求( 讫，毛) ，此时删：觑c o 耐) ，仍：4 2 u 2 ， 巧 i z 的求取，分别将( o ，o ) 及慨， ) 到娩，屯) 线性化，得到方程： ”鲁p = 鲁丝i d 叫硼 纯n 垃z i l + 碧劬训- _ n 1 2 一- 朔6n + 格孚卿砷 ( 2 6 ) 吾霹。k ( 研) d ( 耐) + z 忙2 ( d 矽( 甜) 2 - 7 ) 由仍：亟姐矾) ；盟：亟州矾) ；得： 即喇 ( 2 8 ) 所以：( 娥i ) ，f ( ”) 到( 双。) ，m ) ) 的直线方程为： f - 一毒= l ! l 仇+ 上! 矗矿；纵：! 型苴蛳矗。) ( 2 9 ) 9 i + i 一9 i9 i + l 一9 k 口 表2 11 1 0 k v 母线p t - a 励磁曲线的转换数据 p t 型号 电压( 、，) 4 05 06 07 08 09 0 a 相电流a1 6 92 0 11 4 1 99 2 41 8 8 转换 磁通、枷l 粥0 72 4 7 5 92 9 7 13 4 6 6 23 9 6 14 4 5 7 后 电流，m a 2 1 7 2 72 4 5 8 72 7 6 87 7 9 1 91 7 0 83 5 埘 b 相电流a1 7 11 9 92 6 27 拍1 7 j d c f 转换磁i 姗 1 9 8 m2 4 7 5 92 9 7 13 4 6 6 23 9 6 1 1 1 0 a 后 电i c ，a 2 1 7 2 72 4 5 8 7 2 7 6 8 7 7 9 1 91 7 0 8 c 相 电流a 1 7 42 0 92 o l4 3 48 7 21 7 2 转换 磁i 匝、bl 粥0 72 4 7 5 92 9 7 13 4 6 6 23 9 6 14 4 5 7 后 电流，m a 2 2 3 72 5 8 3 7 2 7 3 9 8 1 0 6 2 1 5 6 73 2 0 3 基于以上转换原理采用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- 磁通峰值关系见表2 1 和表2 2 。( 原始试验数据为p t 二 次侧数据，计算所得数据为转换到一次数据) 重庆大学工程硕士学位论文2 仿真参数处理及模型的建立 表2 2 1 1 0 k v 母线p t - b 磁曲线转换 p t 型号 电压0 1 ) 5 06 07 08 09 0 j d c fa 相电流，a1 42 28 - 92 1 1 l o b 转换后磁i 姗 2 4 7 5 92 9 7 13 4 6 6 23 9 6 1 4 电流，l n al j 7 9 9 93 4 5 5 41 7 7 2 13 9 3 2 9 b 相辔i i 扫强l - 41 54 31 4 8 2 0 转换后 m 掘t w b 2 4 7 5 92 9 7 13 4 6 6 23 9 6 1 44 4 5 6 6 电流，n l a1 7 9 9 91 6 5 28 二；6 8 52 9 6 6 23 0 1 3 4 c 相电9 ，a1 43 31 4 87 4 5 转换后磁通用n2 4 7 5 92 9 7 13 4 6 6 23 9 6 1 4 电i e m a1 7 9 9 95 9 22 9 5 51 5 4 7 对应的p t j d c f - 1 1 0 a 的c 相的励磁曲线如下： 5 盆4 0 0 3 0 0 鍪；器 o o1 02 03 04 0 电流( m a ) 图2 31 1 0 k v p t 励磁曲线( c 相) f i 9 2 3 t h e n l a g n e t i c d 柚船c t 口i s 廿c d a t a o f l l o k v b u s p t - a ( p h a s e c ) 2 2 2 p t 和变压器参数处理 变压器参数全部是归算到高压侧进行的。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曲线求取方法见2 1 1 a ) 绕组电阻的计算原理 三绕组变压器各绕组短路损耗与试验所得短路损耗最( ，- 3 ) ，只( 1 - 2 ) ，只( 2 - s ) 三者之 重庆大学工程硕士学位论文2 仿真参数处理及模型的建立 间有如下关系： 最l - - v 2 ( a ( 1 3 ) + 丑( 1 - 2 ) 一丑 2 _ 3 ) ) 丑2f f i l 2 ( p k o 2 ) + 丑( 2 - 3 ) - - p k ( 1 - ，) ) ( 2 1 0 ) 丑3 = 1 2 ( p k o - 3 ) + 最 2 哪一丑o - 2 ) ) 将式( 2 1 0 ) 所得各绕组短路损耗带入得各绕组电阻： = 丽p k l v ；，p o o k 3 _ _ 噼l = 盟1 0 0 0 5 ； 绕组短路试验获得的短路压降和短路损耗之间由类似的关系： l s - - v 2 ( v ( + 以( i - 2 ) - g ( 2 嘲) u 2 = 1 2 ( 以( 1 - 2 ) + 以( 2 _ 3 ) 一以o 3 ) ) ( 2 1 2 ) 以，= l 2 ( + 以- g ( 1 - 2 ，) 由式( 2 1 3 ) 计算各绕组漏抗： 粕= 尝，轮警，如一u 1 0 0 t 3 e 曲, , u 2 n ( 2 1 3 ) b ) 变压器励磁电阻计算原理 变压器励磁支路以导纳表示，其电导对应变压器的铁磁损耗，而电力变压器的 铁损近似与变压器的空载损耗晶，所以有电导： g r = 1 0 0 l o u ； ( 2 1 4 ) 根据以上计算方法计算出变压器三绕组参数分别如下：( 归算到高压侧) 袭2 3 变压器三绕组参数 变压器型号髓i o碍2 q如q x r i o如2 0 工r 3 n岛q s f s z 7 3 1 5 0 0 ，ll oo 8 7 81 2 9o 7 4 32 7 54 0 8 8近似取02 4 0 0 0 0 s f s z 8 - 3 1 5 0 d 1 1 01 2 l0 8 1 20 9 5 l 4 0 3 6近似取00 8 61 5 0 6 0 0 由于a t p 的饱和变压器元件漏阻抗参数计算方法不同，上面计算所得的漏阻抗 输入参数值需要与漏阻抗所在电压等级平方成正比，因此还必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，转换方法如下： 首先计算总的阻抗值： 肆= r 九+ r r 2 + r r 3 ，舛2 j ，n + * 2 + 墨3( 2 1 5 ) 按总阻抗值不变原理，将漏抗按与所在电压等级平方成正比关系分配到各个电 压侧。 1 4 重庆大学工程硕士学位论文 2 仿真参数处理及模型的建立 如2 譬；如2 等；如2 等潞= 铷2 等，2 等 其中以为绕组数，此处为3 ，计算所得的变压器参数见表2 4 表2 4a t p 变压器模型参数如下 变压器型号r no脚2qr r 3nj nq 工r 2ox r 3o焉o s f s j 玎3 1 5 0 0 ，1 l o0 9 70 0 9 5 60 0 0 82 2 82 2 80 1 92 6 0 0 0 0 s f s z s - 3 1 5 0 0 ，1 1 00 9 9o 1o 0 0 8 2 1 3 7 51 3 7 60 1 1 3 51 5 0 6 0 0 2 2 3 线路参数的处理 a ) 母线的参数计算 1 1 0 k v 母线的参数计算 表2 ，51 1 0 k v 母线数据 m i b 2 5 t h e d a t a o f l l o k v b u s 型号l g j - 2 4 0 截面积铝：2 2 8 m m 2 钢：4 3 1 m m 2 材料钢芯铝胶线长度6 0 - 7 0 m 母线对地垂直位置：7 5 m 母线对地及相间的相对位置 母线相与相之间水平位置：2 2 m 母线对支撑瓷瓶金属底座的垂直位置：悬挂 单位长度电阻置。= 等= 掣毒= 0 1 3 8 ( 9 2 k m ) 其中p 为铝的导线电阻率q m m 铂，s 为母线载流部分截面积。 导线半径参考钢芯铝绞线主要技术参数( g b l l 7 9 - - - 8 3 ) ，= 0 8 ( c m ) ， 等值半径，= o 7 7 9 r = o 7 7 9 * 0 8 = 0 6 4 ( c m ) 母线三相问的几何均距巩= 扼；：百= 扼矛瓦雨了= 2 7 7 2 ( m ) 母线三相与其镜像间几何均距 日。= 剐瓦+ 砣吃圪砣+ h l = v 1 5 1 5 1 5 1 5 1 6 2 1 5 1 6 2 1 5 6 3 2 = 1 5 2 1 三相母线几何平均半径k = v r d ：= v o 0 0 6 4 x 2 7 7 2 = o 3 6 m 根据卡尔逊的推导式，近似取导线等值深度4 = 1 0 0 0 m 则有母线三相间的互阻抗： 乙= o 0 5 + 1 0 1 “5 l 目串= o 0 5 + 扣1 “5 l g ；等：o o s + j o 3 7 ( f t k i n ) 重庆大学工程硕士学位论文2 仿真参数处理及模型的建立 自阻抗：z ，= 兄+ o 0 5 + j o 1 “5 l g ( 字) - - 0 1 3 8 + 0 0 5 + ，0 1 “5 l g ( 石；罴苦) = o 18 8 + j o 7 4 8 ( o 妯) 母线的正序阻抗z 0 ) = z j z 一= o 1 3 8 + j o 3 7 8 ( d a m ) 单位长度正序电阻为o 1 3 8 ( f f k m ) ，单位长度正序电抗为0 3 7 8 ( n k m ) 则有单位长度电感为1 2 m h k m 母线零序阻抗为z ( = z i + 2 z 舯= o 2 8 8 + j 1 4 8 8 ( f l k m ) 所以单位长度零序电阻为0 2 8 8 ( ( 妇) ，单位长度零序电抗为1 4 5 2 ( d k m ) 单位长度电感为4 7 4m h k m 。 母线电容参数计算： 由单位长度输电线路正序电容计算公式得： c l2 罴2 矗0 0 2 写4 1 一蛇旷砌q 2 巧2 碚5 。0 舢9 2 删拥 亿1 7 由单位长度输电线路零序电容计算公式得： c o 2硒00241。礤00241319(h。) _ 0 洲胪 2 一。礤划朋0 4 5 胪 亿1 8 3 5 k v 及l o k v 母线参数计算方法与1 1 0 k v 母线相同，不在详述。 表2 6 母线参数 母线实际半径等值半径 电阻率锄) 电抗( n k m ) 电容0 f ，k m ) 电压 ( 啪)( 啪) 正序，零序正序零序正序，零序 1 l o i 【v0 8 5 2 0 6 4o 1 3 8 o 2 8 80 3 7 8 1 4 5 20 j d 0 9 加0 0 4 9 3 5 k v1 0 70 8 3 40 0 8 7 5 0 2 3 80 ”4 ，1 6 50 ，0 1 3 s i 毽，0 0 3 5 l o l 【v1 7 8 41 3 9 00 0 2 9 0 1 7 9 0 2 1 7 ，1 6 70 0 1 6 i 0 0 0 4 6 b ) 进线段参数计算 1 ) ll o k v 进线段参数计算 导线半径参考钢芯铝绞线主要技术参数( g b l l 7 9 - - 8 3 ) ，电阻率尼= p l s 导线 弧垂 近似取为5 m ，避雷线取为3 m ( 忽虑3 5 k v 进线段弧垂) ，导线平均高度，血 = k - 2 3 啊。 以下以l l o k v 其中一条进线参数予以说明： 1 6 重庆大学工程硕士学位论文2 仿真参数处理及模型的建立 表2 7 变电站i l o k v 侧进线段所测数据 t 曲2 7 t h e l c a d - i n t r a n s m i s s i o nl i n e d a t a o f s u b s t a t i o n l l o k v 线路型号l g j - 1 5 0避雷线型号g j 3 5 ，5 0 线路材料钢芯铝胶线避雷线材料钢胶线 线路长度1 1 5 k m避雷线长度1 1 5 k m 线路类型( 是否分裂或换相)无分裂，无换相 杆塔类型 接地电阻 导线半径参考钢芯铝绞线主要技术参数( g b l l 7 9 - - - 8 3 ) r = o 8 ( 锄) ， 电阻率心= 詈= 五3 1 石5 = o 2 l ( f t k m ) ；导线弧垂 取为5 m ，避雷线取为3 m ， 呼称高度巧= 1 0 5 m ，导线平均高度v m i n = - 2 3 。 = 1 0 5 2 3 5 = 7 2 m ，相间 间距鬼= 2 2 m 。线路对地电容计算如式2 1 8 。根据实测