（电力系统及其自动化专业论文）基于虚拟仪器的电力系统过电压分析.pdf

西华大学硕士学位论文 o v e r - v o l t a g ea n a l y s i sb a s e d o n v i r t u a ii n s t r u m e n t t h e s p e c i a l t yo fp o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n m a s t e rz h o uj u a nt u t o rd a iy u s o n gl ij l a n - m i n g t h i sp a p e ri st a k e st h o s ed a t e sw h i c hb eg o tf r o mf i e l de n g i n e e r i n ga st h e r e s e a r c ho b j e c t t h ea n a l y s i ss y s t e mo fo v e r - v o l t a g ed a t e sf r o me l e c t r i cp o w e r s y s t e mb a s e do i lv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya r er e s e a r c h e da n dd e v e l o p e da l s o t o b e g i nw i t h ，t h i sp a p e rd e a lw i t ht h ei m p o r t a n c eo fo v e r - v o l t a g ea n a l y s i ss y s t e mi n e l e c t r i cp o w e rs y s t e m t h ee x i s t i n gr e s e a r c hs t a t u si nt h ew o r l d , t h ed e v e l o p i n g f i e n d sa n dt h ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t sf o ro v e r - v o l t a g ea n a l y s i sa l ei n t r o d u c e di n d e t a i l s l a b v i e wp r o g r a m m i n gl a n g u a g ew h i c hi su s e di nt h ep a p e ri ss i m p l y i n t r o d u c e d l a b v i e wi sa p r o g r a m m i n gl a n g u a g eo fg r a p h i c sa n da d o p td a t as t r e a m p r o g r a m m i n gt h i n k i n g t r a d i t i o n a lp r o g r a m m i n gi si n s t e a do fi c o na n dl i n k , s ot h e t i m eo fs y s t e md e v e l o p i n gi sc u td o w n a c c o r d i n g l y ，t h ea u t h o rf o r m u l a t e sa l lt y p e o fo v e r - v o l t a g ea n dt h e i rw a v e f o r mf e a t u r e sa f t e rn o r m a li n s u l a t i o nc o o p e r a t i o n , i n c l u d i n ga r g u m e n t sa n dt i m eo fd u r a t i o n , e t c ；i n t r o d u c e sc o n v e n t i o n a lm e t h o do f i n s u l a t i o nc o o p e r a t i o nt oa f f o r dat h e o r e t i c a lb a s eo ff o l l o w i n go v e r - v o l t a g ea n a l y s i s t h ea u t h o rp r e f e r s q r 2 0 0 0 - bt r a n s i e n to v e r - v o l t a g em o n i t o r i n ga n dr e c o r d i n g s y s t e m ”d e v e l o p e db ys i c h u a np o w e rt r i a li n s t i t u t e ：t oo b t a i na n a l y s i sd a t a t h e a u t h o rd e v e l o pap r o g r a mt oa n a l y z et h i sd a t ab yl a b v i e w t h ep r o g r a mc a rg i v e e n o u i g ha n a l y s e sf u n c t i o n , n a m e l y t u n ed o m a i na n a l y s i sa n d 缸q u e n c yd o m a i na n a l y s i s a t t h eo v e ro ft h ep a r t , t h ea u t h o rq u o t e ss o m ec l a s s i c a la n df r e q u e n to v e r - v o l t a g e w a v e f o r m sa n da n a l y s i st h e m b ya n a l y s i ss o m ec l a s s i c a la n df r e q u e n to v e r - v o l t a g e w a v e f o r m s ，t h et y p ea n dr e a s 0 1 o fo v e r - v o l t a g ec a bb eo b t a i n e d t h er e s u l to f o v e r - v o l t a g ea n a l y s i s c a nh a v ea ni m p o r t a n ti n f l u e n c eo nt h er e s e a r c h i n ga n d 西华大学硕士学位论文 d e c i d i n gi n s u l a t ei n t e n s i t yo fe l e c t r i ci n s t a l l a t i o n , r e p a i rc y c l e ，e q u i p m e n ti m p r o v e d ， o v e r - v o l t a g e se f f e c to np o w e rs y s t e ma n dp r e v e n t i n go fo v e r - v o l t a g e a tt h ee n do ft h ep a p e r , t h ea u t h o ra l s og i v e ss t a t i s t i ca n a l y s i so fo v e r - v o l t a g e d a t aw h i c hb eg o tf r o ms u b s t a t i o nd u r i n gp e r i o do ft i m e i ns t a t i s t i ca n a l y s i so f o v e r - v o l t a g ed a t a , t h o s ed a t ac a nb ec a l c u l a t e db yu s i n gl a b v i e wa n dt h e o r yo f s t a t i s t i c st og e td i s t r i b u t e df u n c t i o no ft h o s ed a t a i nt h i sp a p e rt w oa s s u m p t i o n sa l e a d o p t e d ：n o r m a ld i s t r i b u t i o na n dm a x i m u md i s t r i b u t i o n ht h ee n d , p h a s e - g r o u n d i n g o v e r - v o l t a g ec a na p p r e c i a t i v e l yb ec o n s i d e r e da sn o r m a ld i s t r i b u t i o n t h er e s u l to f s t a t i s t i ca n a l y s i sc a l ls u p p l yi m p o r t a n tm i a s m a t i cm o d e lf o ri n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n a tl a s t , t h es u m m a r i z a t i o nt ot h i sp a p e rs t u d yi sr e c e i v e da n dt h ep r o s p e c t so ft h e o v e r - v o l t a g ea n a l y s i sa l ed i s c u s s c d k e yw o r d ：o v e r - v o l t a g e , v i r t u a li n s t r u m e n t , m o n i t o r i n go n - l i n e , w a v e f o n na n a l y s i s m 西华大学硕士学位论文 申明 本人申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。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学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作的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签字：同硝铲石月日 l i ， 导师签字聋奎茸蟹 明，日 西华大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 电力系统运行的可靠性主要由停电次数及停电时间来衡量，停电原因很多， 但绝缘的击穿是造成停电的主要原因之一。因此电力系统运行的可靠性在很大 程度上取决于设备的绝缘水平及工作状况。如果系统绝缘只承受正常的运行电 压，就不会有什么问题，因为正常运行电压一般不会对设备造成损坏。但是， 由于各种原因，系统中的绝缘要承受各种过电压的袭击。其波形、幅值、和持 续时间各不相同。过电压的存在，可能导致系统内事故的发生。由于引起事故 的原因可能交织在一起，在事故发生以后，进行分析十分困难。在电力系统中， 对过电压的分析有着极其重要的意义，它可分析过电压在发展过程中，对电网 的影响提供可靠和准确的信息；还可为处理事故，提出改进措施提供参考依据。 为此我们开展这方面的研究。唧 1 2 国内外研究现状 目前国内外对过电压的研究做了不少工作，总的概括起来有以下几种方法： 一、实验室物理模拟研究 在实验室中根据过电压的产生机理以及实际的系统运行情况，来进行物理 模拟。目前在实验室中可以模拟雷电冲击过电压以及操作过电压等。 这种方法对过电压的研究做出了巨大的贡献。但是这种方法也有它的局限 性，因为实际情况是错综复杂的，对过电压的影响因素很多，同时有可能几种 过电压交织在一起因此实验室模拟不可能完全真实的模拟现场过电压物理 模拟需大量基金投入，需要一定建设时间。 二、计算机仿真计算 计算机仿真就是根据电力系统情况来建造一个数学模型，在计算机上进行 实验和研究，以达到对真实的过电压进行研究的目的。这种方法能够克服实验 西华大学硕士学位论文 室模拟的某些物理局限性，近年来得到广泛的发展，比如e m p t 暂态过电压计 算等软件，但是这种方法也不可能作到与真实情况完全一致。 三、在线监测 国内对过电压在线监测装置的研究和开发是2 0 世纪9 0 年代才开始的，但 其发展速度较快，它克服了以上两种方法的局限性，可以记录到真实可靠的过 电压波形。通过r s 2 3 2 端口，将数据传输给计算机，然后通过软件系统，对过 电压进行分析。本课题就是着重从数据分析方面来研究过电压的分布规律，因 此，有很重要的现实意义。 1 3 本论文研究的主要内容 本论文研究的主要内容就是对从电力系统现场收集过来的近半年的过电压 数据进行分析，通过所编写的l a b v i e w 过电压分析软件，可以清楚地显示出 过电压的波形，能够得知过电压的幅值大小、持续时间以及上升陡度等参数， 从而可以大致地判断出该变电站经常受到哪些过电压的袭击，为电力系统安全 运行提供了科学的监测依据，具体工作为： l 、对电力系统的过电压进行了分类，即外部过电压和内部过电压，并对各种 过电压的特点进行了详细的叙述 2 、对本系统编程所用的虚拟仪器进行了简单的介绍。 3 、对四川电力研究院研制的t r 2 0 0 0 过电压在线监测装置的组成及硬件结构 和软件设计作了简单的介绍 4 、针对t r 2 0 0 0 过电压在线监测装置，以l a b v i e w 为操作平台编制了过电 压分析软件，能对采集到的过电压数据给以实时的波形显示，能够对过电压进 行时域和频域两种分析。在时域分析中，能够求得特征值包括最大值、最小值、 最大上升陡度、平均值和标准方差。在频域分析中，主要给出了f f f 变换、功 率谱分析、联合时频分析、自相关分析和谐波分析。利用本软件和相关的过电 压理论，能够对中压系统常见的过电压波形进行判断。即能根据波形和时域、 频域分析中的一些特点来判断出该过电压的类型。本文利用该软件对德阳万春 变电站发生的过电压进行了分析 2 西华大学硕士学位论文 5 、对德阳万春变电站一段时间内的多次数据中的最大过电压进行统计分析， 在统计分析中，运用统计分析理论进行验证，可以得出过电压的分布规律。本 文采用了两种假设分布：正态分布和极大值分布，最后得出相对地的过电压分 布近似服从正态分布。 西华大学硕士学位论文 第二章过电压类型及特点分析 2 1 过电压类型综述【1 】f 3 】 电力系统中的过电压类型多种多样的。它的波形、电压幅值、持续时间以 及产生原因都各不相同，但是就其产生根源来说，过电压分为外部过电压和内 部过电压两大类型。 外部过电压又称雷电过电压或大气过电压，由于大气中的雷云对地面放电 而引起电网电压不正常升高。雷电过电压的持续时间极短，约在5 0 8 0 9 s 之 问，最大雷电流的幅值达到2 0 0 k a 以上，具有脉冲的特性，称为雷电冲击波。 当雷击输电线路或电气设备时，会产生数百万伏以上的极高过电压，足以将所 有的绝缘结构击穿损坏。雷电过电压又分为；直击雷过电压、感应雷过电压和 流动波过电压三种，雷电过电压的特点是，持续时间短，幅值大，危害性大。 内部过电压是电力系统内部的能量转化或传递引起的，由于内部过电压的 能量来自电网本身，所以，它的幅值和电网的工频相电压基本上成正比例，通 常把过电压的幅值与电网该处最大运行相电压幅值的比值称为内过电压倍数。 由于产生的原因不同，内部过电压可分为；暂时过电压和操作过电压，其中暂 时过电压又分为工频电压升高和谐振过电压，一般操作过电压的持续时间较短， 而工频电压升高和谐振过电压的持续时间要长得多。 图2 1 为各过电压类型及相互关系： 4 西华大学硕士学位论文 l 外部过电压( 雷电过电压) 感应雷过电压 f 直击雷过电压 l 流动波过电压 ff障载长线路电容效应( 费兰梯效应) il 工频电压升高j 不对称短路接地 卜叫点嚣 li 谐振过电压 铁磁谐振过电压 内部过电压jli 参数谐振过电压 ir 单相间歇电弧接地过电压 li 切断空载变压器过电压 i 操作过电压j 切除空载线路过电压 il 空载线路合闸、重合闸过电压 il 解列过电压 f i g u r e 2 1t y p ea n dr e l a t i o no fo v e r - - v o l t a s e 图2 1 过电压类型及关系 2 2 外部过电压 雷电过电压幅值很高，危害最大。防止强大的雷电波侵袭电力系统造成设 备的损伤人们想出很多的办法，对线路、变电站和旋转电机等制定相关的防 雷措施。 ( 1 ) 防雷保护装置 a 避雷针与避雷线 避雷针与避雷线是防止直击雷最常用的措施，它是由金属制成，高度高于 被保护设备高，具有良好的接地装置。其作用是将雷电吸引到自己身上并安全 导入地中，从而保护了附近比它低的设备和建筑免受雷击。 b 保护间隙和管式避雷器( g ) ( w ) 保护间隙或避雷器并联在电气设备上以保护设备，它们的放电电压低于设 备绝缘的耐压，一旦出现对电气设备有危险的过电压时，保护间隙或避雷器就 5 西华大学硕士学位论文 会先放电，从而可使电气设备得到保护。 在过电压下保护间隙被击穿后，可能有工频短路电流流过，保护间隙稍有 一些熄灭短路电流的能力，但一般难以使相间短路电弧熄灭，需配以自动重合 闸装置才能保证安全供电。 管式避雷器实质上则是一个具有较高熄弧能力的保护间隙。但也有缺点： 一是它的伏秒特性太陡，难以和被保护设备的伏秒特性理想地配合；二是运行 维护麻烦：三是会产生高幅值的截波，造成变压器的损坏。 c 阀式避雷器( f s 或f z ) 阀式避雷器是由装在密封瓷套中的火花间隙组和非线性电阻( 阀片) 组成。 理想的间隙显然具有平的伏秒特性和强的熄灭工频续流的能力，同时理想的阀 片在大的冲击电流时呈现为小电阻以保证其上的残压足够低；而在冲击电流过 去之后，当加在阀片上的电压是电网的工频电压，阀片应呈现大电阻以限制工 频续流，易于灭弧。阀片的残压一般设计得大致等于间隙的冲击放电电压。 d 磁吹避雷器( f c d 或f c z ) 及复合避雷器 为进一步降低阀式避雷器的切断比及保护比，可以加强火花间隙的磁场以 吹灭工频续流电弧，使灭弧性能得到大幅度的改善；可使用磁吹避雷器或复合 避雷器。磁吹避雷器又叫磁吹阀式避雷器。 e 金属氧化物避雷器( 压敏避雷器) 金属氧化物避雷器是以氧化锌( z n o ) 压敏电阻( 非线性电阻) 组成的。 可不串联火花问隙，具有极强的抗污性能，没有陡波响应特性，对设备的保护 较为可靠；具有通流能力很大，因此动作负载能力较高，残压较低，造价低等 其它优点，使这种避雷器取代其它避雷器已成为大势所趋。应该指出，由于氧 化锌阀体长期接受工频电压的作用，在运行中会有老化现象，需定期监测其泄 漏电流等参数以保证安全。 消弧线圈 在中性点不接地的3 瑚k v 的电网中，由于雷击等原因引起单相闪络故障 比重很大，约占6 5 。在单相接地电流为3 0 a ( 在3 1 0 k v 电网时) 或者i o a ( 在3 5 k v 及以上电网时) 以下时，单相接地电弧能够自熄，所以不会形成跳 闸事故。如果超过以上电流，则需要在电网中性点和地之间接入消弧线圈，它 6 西华大学硕士学位论文 的作用是减少单相接地电流，从而促成接地电弧自熄，以防止发展成相问短路 或烧伤导线。 消弧线圈是一个有气隙铁芯的电感l ，其伏安特性相对来说不易饱和。消 弧线圈一般采取过补偿的方式，正常运行时电感电流大于流过对地电容电流。 安装时应分散安装，宜装在零序阻抗较小的设备的中性点上，例如装在有绕 组的变压器或发电机上，且其容量应该与变压器的容量有一定的比例。 h 防雷接地和线路接地装置 电气设备的接地可以分成3 种：工作接地、保护接地及防雷接地，分别要 求接地电阻为0 5 1 0 0 ，1 - 1 0 0 ，1 - 3 0 0 。对工作接地及保护接地而言，接地 电阻是指在直流或工频电流流过时的电阻；对防雷接地而言，我们感兴趣的是 它在雷电流( 冲击电流) 流过时的电阻，简称冲击接地电阻。 接地电阻及接地网的研究是比较复杂的，很多电力工作者长期进行工作， 在此不再探讨这个问题。 ( 2 ) 送电线路防雷 乱架空线路上的感应过电压 在线路外一定距离s 处落雷情况下，杆塔高h d ，雷电流i ， s 2 = h d 2 , l 寸，雷电过感应过电压u 可写成u 。一2 5 訾 当不满足s 2 = h d 2 黼，但s = 6 5 m 时，u s - 1 2 5 n 【导+ 但雷击于架空线的塔顶( s - - o ) 情况下u 。一衰h d - a l l d 式中a 恰好在数值 上等于雷电流的平均陡度，单位k 眦s 。 以上是指无避雷线的情况。如果线路架设有接地的避雷线，则导线受到它 的屏蔽，感应过电压就会降低。假设k 为避雷线与导线间的耦合系数，感应过 电压u 叫，则线路上实际感应过电压u 。- u 。j o - k ) b 架空线路上的直击雷过电压 架空线路长度大，暴露在旷野，易受雷击电网中的事故以线路雷害占大 7 西华大学硕士学位论文 部分。雷击线路时，沿线路入侵变电所的雷电波，又是造成变电所事故的重要 原因。雷击线路时，线路绝缘不发生闪络的最大雷电流幅值叫耐雷水平，我国 规程规定了各级电压线路的耐雷水平值和超过该耐雷水平的概率，可见线路防 雷是相对安全的，即允许有一部分大雷电流引起的线路闪络。 c 架空线上防雷措施 在确定线路的防雷方式时，应全面考虑线路的重要程度、雷电活动的强弱、 地形地貌的特点、土壤电阻率的高低等条件，根据技术经济比较的结果因地制 宜，从用合理的保护措施。 架设避雷线是高压线最基本的防雷措箍。降低杆塔的接地电阻通常是提高 线路耐雷性能最经济的方法。增加绝缘子串的片数，可使耐雷水平增大一些， 但这样做不仅增大了绝缘费用，而且增大了杆塔尺寸，因此一般不采用这种办 法来改善防雷，只是在高海拔地区可以考虑增加一两片绝缘子。 直击雷过电压要比感应雷过电压( 一般不超过3 1 】o - 4 0 0 k v ) 厉害。因此高 压线路防雷主要是防直击雷。使用避雷线和避雷针可保护导线不受或少受雷击； 改善杆塔的接地电阻特殊情况下，可加耦合地线或适当加强绝缘，或在个别杆 塔上用避雷器，使雷击杆塔或避雷线时减少绝缘发生闪络；减小绝缘上的工频 电场强度，或在电网中性点采用不直接接地的方式，使当绝缘发生冲击闪络时， 尽量减小冲击闪络转变为稳定工频电弧的概率；可采用自动重合闸装置或双回 路以及环网供电，即使跳闸也不中断电力的供应。 按电压等级来说：2 2 0 - 5 0 0 k v 线路应沿全线架设避雷线，3 3 0 - 5 0 0 k v 应采 用双避雷线，3 3 0 k v 线路保护角应在2 0 度以下，5 0 0 k v 线路保护角应在1 0 - 1 5 度以下甚至负的保护角；至于3 5 k v 及以下的线路，因绝缘很弱，装避雷线的 效果不大，其防雷是靠消弧线圈、环网供电以及自动重合闸来解决的。各级电 压线路均应尽量装设自动重合闸装置。 ( 3 ) 变电站防雷 变电站是电力系统的枢纽，一旦雷击损坏，影响严重，因此要求有可靠的 防雷措施。变电站雷害来源：雷直击变电站，沿线路传来的过电压波。 a 发、变电站直击雷保护 发、变电站防雷直击用避雷针，装针后只有在绕击反击或感应雷时会发 8 西华大学硕士学位论文 生事故。一般须考虑避雷针安装和反击的问题，这里不再敖述。 b 发、变电站的雷电侵入波过电压 因为雷击线路的概率远比雷直击发、变电站的多，所以沿线路侵入发、变 电站的过电压行波是很常见的。线路绝缘水平u 5 啷要比变压器或其他设备的冲 击试验电压高得多，所以发、变电站对入侵波的保护十分重要。发、变电站所 有的设备绝缘应受到避雷器的可靠保护不需要用降低重要性差的设备( 如刀 闸) 绝缘水平的方法来保护重要性大的设备( 如变压器) ，也不需要用降低全部 线路绝缘的办法来保护发、变电站。 当雷电波浸入变电所时，设备上会受到冲击电压的最大值 u 一- o 8 v u s + ( 2 a x l k ) v 】，式中o 8 7 为衰减系数，乩为避雷器残压。l 为 避雷器与被保护设备间距，k 为修正系数，a 为斜角波陡度，v 为雷电波速。通 过0 8 7u j ，3 确定避雷器与被保护设备间最大距离l m ，u j 3 为三次截波耐压值。 重要变电站的雷电波入侵保护应通过计算机 c 变电站的进线保护 要使避雷器能可靠地保护电气设备，必须设法使避雷器电流幅值i b l 不超 过5 k a ( 3 3 o o k v 系统为1 0 k a ) ，而且必须保证来波陡度a 不超过一定的允 许值。对3 5 1 1 0 k v 无避雷线的线路来说，如果当雷击变电站附近的导线时， 流过避雷器的电流显然超过5 k a ，而且陡度会超过允许值。所以在这种线路靠 近变电站的一段进线上必须加装避雷线，这样在这一段避雷线上雷绕击或反击 导线的机会就会大大减少，这段导线就是进线段，其长度为1 - 2 k i n 。在进线段 以外落雷时。由于进线段导线的电晕损耗，使i b l 受到限制，而且沿导线的来 波陡度a 也将由于冲击电晕作用而大为降低，此外导线及大地的电阻也对波的 衰减变形会有一定的影响。 ( 4 ) 雷电的主要参数 雷击电力系统形成的雷电压波形幅值与雷电流和传输中波阻抗有关。雷电 压波幅从数十千伏到数百千伏，可按雷电流和波阻抗算得 雷电压和雷电流的波形大多是单极性，即为不振荡的冲击波。通常把幅值 上升的时间称之为波头；把幅值由最大值降低到一半时所需的时间称之波尾， 持续时间称之为波长。通常在高电压试验中，用来代表雷电压的标准冲击电压 9 西华大学硕士学位论文 波是1 2 5 0 a s ，即波头为1 2 a ，波尾为5 0 9 s 。代表雷电流的标准冲击电流 波是1 0 2 0 u s 的波，即波头为1 0 m ，波尾为2 0 a s 雷电流或雷电压在波头部 分上升的速度称为波头陡度，即每微秒幅值增加多少，单位是k a ，坤或k v 一s 。 2 3 内部过电压【9 j 【l l 】 在电力系统内部，由于断路器的操作或系统故障，使系统参数发生变化， 由此发生的电力系统内部电磁能量转化或传递的过渡过程中出现过电压，这种 过电压叫内部过电压。 系统参数变化的原因是多种多样的，因此内部过电压的幅值、振荡频率以 及持续时问不尽相同。通常可按产生原因将内部过电压分为操作过电压及暂时 过电压。操作过电压即电磁过渡过程中的过电压，而暂时过电压包括工频电压 升高和谐振过电压。若以其持续时间长短区分，一般持续时间在0 1 秒( 五个 工频周期) 以内的称为操作过电压，持续时间长的过电压则称为暂时过电压， 它是在一定位置上的相对地或相间的过电压，具有一定的振荡频率，由于无阻 尼或具有弱阻尼，因此持续时间较长。 内部过电压的能量来自电网本身，是在电网额定电压基础上产生的，故其 幅值大小与电网的工作电压大致上有一定的比例关系，因而往往用工作电压的 倍数来表示。内部过电压倍数是指内部过电压峰值与该处工频相电压的幅值之 比。内部过电压的倍数与电网结构、系统容量及参数、中性点接地方式、断路 器性能、母线上出线回数及电网运行接线、操作方式的等因数有关，一般情况 下为2 - , 4 倍。 2 3 1 工频电压升高 在电力系统中，由于运行方式有时在操作或故障下突然改变而出现幅值超 过最大运行相电压幅值、频率为工频或接近工频的过电压，称为工频电压升高。 几种常见的工频电压升高是：空载长线路的电容效应引起的电压升高；不对称 短路时正常相上的工频电压升高；甩负荷引起发电机加速而产生的电压升高等。 西华大学硕士学位论文 工频电压升高一般来说对系统中正常绝缘的电气设备是没有危险的，但伴 随着工频电压升高而同时发生的操作过电压会达到很高的幅值，在这种情况下， 工频电压升高就直接影响操作过电压的数值。另一方面，工频电压升高又是决 定保护电器工作条件的重要因素，饲如避雷器的最大允许工作电压就是按照电 网中单相接地时非故障相上的工频电压升高来确定的，它直接影响到避雷器的 保护特性，影响到避雷器的安全可靠运行，对系统绝缘水平有重大影响。由于 工频电压升高的持续时间长，所以系统中采用并联电抗器或无功补偿装置等措 施来加以限制。 2 3 2 谐振过电压 电力系统中存在着许多电感和电容元件，如电力变压器、互感器、发电机、 消弧线圈、电抗器、线路电感等均可作为电感元件，而线路导线对地和相间电 容、补偿用的并联和串联电容器组、高压设备的杂散电容均可作为电容器。当 系统进行操作或发生故障时，这些电感、电容元件可形成各种振荡回路，在一 定的能源作用下，会产生串联谐振现象，导致系统中某些部分( 或元件) 出现 严重的谐振过电压谐振过电压的持续时间要比操作过电压长得多，甚至可稳 定存在，直到破坏谐振条件为止。谐振过电压幅值可能很大，理论上可以达到 无穷，实际数值小于3 倍。 ( 1 ) 线性谐振 谐振回路由不带铁芯的电感元件( 如输电线路的电感、变压器的漏感) 或 励磁特性接近线性的带铁芯的电感元件( 如消弧线圈，其铁芯中有气隙) 和系 统中的电容元件所组成。在正弦电源作用下，当系统自振频率与电源频率相等 或接近时，可能产生线性谐振。 a - 消弧线圈产生的线性谐振 类似于间歇性接地，接有消弧线圈的系统，只要让消弧线圈工作于脱谐度 不大的状态，即可使补偿网络对地容抗大于感抗，当故障时如断路器非全相动 作、线路发生单相或两相断线时，容抗更大，不满足谐振条件，不会发生严重 的过电压。 1 1 西华大学硕士学位论文 b 传递过电压 当电网中发生不对称接地故障、断路器非全相或不同期动作时，网内可出 现明显的零序电压和三相电流不对称，通过电容的静电耦合和互感的电磁耦合， 在相邻线路之间或变压器绕组之间，会产生工频电压的传递现象。当接有消弧 线圈或电压互感器等接地的铁磁元件时，尚可能组成串联谐振回路，产生线性 谐振或铁磁谐振。这种过电压具有工频稳态性质，传递过来的零序电压将与原 有的正序电压叠加，其结果是造成三相对地电压的不平衡，出现一相高两相低、 两相高一相低、甚至三相电压同时升高的现象。严重时会损坏避雷器或造成绝 缘闪络、击穿事件。 ( 2 ) 铁磁谐振过电压 线性谐振的参数条件如，l l j o j c ，铁磁谐振则c o l 。，1 n c ，对于一定的 l 0 值( l o 为铁芯线圈的初始电感) ，在很大的c 值范围内( 即c ，l o j 2 l 。) 都 有可能产生谐振。有可能是工频的谐振，也有可能是高频谐波和分频谐波，如 2 、3 、5 次等高频谐波或1 2 ，1 3 ，1 5 次等分频谐波。 a 在电力系统中，因导线的折断、断路器非全相动作等严重的运行状态出现的 铁磁谐振过电压，都属于断线谐振过电压。现象：系统中性点位移、负载变压 器相序可能反转、绕组电流急剧增加、铁芯有响声、导线有电晕声，多会发生 传递过电压。非全相运行时，可能组成多种多样的串联谐振回路，这些回路中 的电感是空载或轻载运行的负载变压器的励磁电感以及消弧线圈的电感等。电 容是导线对地和相间的部分电容，电感线圈对地杂散电容等。在一定的参数配 合激发条件下，可能会产生基频、分频或高频谐振。基频谐振时，会出现三相 对地电压不平衡，例如一相升高、两相降低：或两相升高、一相降低；或三相 同时升高的现象。在负载变压器侧会使三相绕组电压的负序分量占主要的成分， 造成相序反倾。实践证明，有可能产生2 ，3 ，5 次高频谐波。 b 系统中出现某些扰动，使电压互感器三相电感饱和程度不同时，电网中性点 就有较高的电位电压，也可能激发谐振过电压。现象：电压互感器的突然合闸， 使某一相、两相甚至三相绕组内出现巨大的涌流；由于雷电或其他原因，线路 瞬间单相弧光接地，使健全相电压突然升至线电压，而故障相在接地消失时又 可能有电压的突然上升，在这些暂态中会产生很大的涌流，传递过电压例如高 西华大学硕士学位论文 压绕组侧发生单相接地或不同期合闸，低压侧有传递过电压使电压互感器铁芯 饱和，出现中性点偏移现象。 虚幻接地现象是电压互感器饱和引起的工频位移过电压的标志，出现两相 升高、一相降低( 有时接近零电位) 。同时，在非线性谐振回路里，也存在分频 谐波和高频谐波，即出现谐波谐振过电压，有时它们可能长久自保持，持续一 段时间后自行消失。电压互感器饱和引起的中性点工频电压位移或谐振显然都 会使网络出现零序电压，只是零序电压的频率不同而已。电压互感器的开i = 1 - - 角形绕组是专门为反映零序电压而设置的，所以，开口三角形绕组能全面反映 电压互感器饱和引起过电压零序电压大小和频率。 谐振过电压幅值可能很大，理论上可以达到无穷。分频谐振由于频率为工 频的一半，互感器的励磁阻抗下降了一半，使铁芯元件的励磁电流大大增加， 互感器严重饱和，过电压被限制了，实际数值小于2 倍，除非有弱绝缘设备， 一般不危险的。对于中性点不接地系统，选用励磁特性较好的电磁式电压互感 器，或用电容分压式电压互感器，并在零序回路中加阻尼阻抗，同时增加对地 电容或在发生谐振时投入消弧线圈，从而避免谐振消除谐振过电压。 2 3 3 操作过电压 操作过电压是由于“操作”引起电网中产生的电压升高“操作”使系统的运 行状态发生突然变化，导致系统内部电感元件和电容元件之间电磁能量的相互 转换，这个转换常常是强阻尼的、振荡性的过渡过程。因此操作过电压不同于 工频电压升高和谐振过电压，它具有幅值高、存在高频振荡、强阻尼以及持续 时间短等特点，一般地，它的持续时间约在2 5 0 2 5 0 0 筒之间。 电力系统中常见的操作过电压有单相间歇电弧接地过电压、空载变压器分 闸过电压、空载线路合闸过电压、空载线路分闸过电压和解列过电压等。主要 防护措施有：装设并联电抗器、采用带有并联电阻的断路器以及磁吹阀型或金 属氧化物避雷器( m o a ) 等。在中性点非直接接地系统中，主要是弧光接地过 电压，其防护措施是使系统中性点经消弧线圈接地。 ( 1 ) 单相间歇电弧接地过电压 电力系统中大多数对地短路均伴有电弧的发生在中性点接地的电网中， 西华大学硕士学位论文 接地短路电流很大，可危及电气设备，因此继电保护将立即使断路器跳闸。而 在中性点绝缘或经消弧线圈接地的电网中，接地短路电流对输电设备不构成危 险，因此不需要立刻跳闸，发生的电弧可能存在相当长的时间 当中性点不接地电网中发生单相接地故障时，如果单相接地电流较大，接 地点的电弧不能自动熄灭，电流值又不至于大到形成稳定电弧的程度( 几百安 培) ，这时将会出现接地电弧时燃时灭的不稳定状态，这种间歇性电弧将导致系 统中电感电容间的电磁振荡过程，造成间歇电弧接地过电压。 切断空载变压器过电压 系统中利用断路器切除空载变压器、并联电抗器及电动机等都是常见的操 作方式，它们属于切断感性小电流的情况。当用断路器开断感性负荷时，当流 过感性负荷的电流在达到自然零值之前被断路器强行切断，电弧熄灭，这就是 截流现象。由于电流被截断，从而使储存在电感中的磁场能量转为电场能量而 导致电压的升高，这称为截流过电压；如果截流过电压作用在断路器的触头上， 由于此时触头间距很小，因而容易被击穿，即发生复燃。在复燃的过程中将产 生高频振荡，产生高频振荡过电压。这两种过电压都称为空载变压器分闸过电 压。在实际情况中，这两种电压往往交织在一起，对电力系统中的绝缘产生危 害。图2 2 给出了电流被截流时变压器上的电压波形，图中，o 为截断电流，截 断的结果使电流f 迅速下降到零，使回路中电流变化率d f d t 甚大，则电感上的 压降u i l d i d t 很大，这就形成了过电压。计及变压器的损耗，回路中电压、 电流呈衰减振荡。 ( 糠况发生崔电磊的上舟船分 ( b t 藏发生在屯苑的下降拇分 f i g u r e 2 2 0 s c i l l o g r a mi m f o r c 缸a n 舒o r m e r ，sc u r r e n tc u to f fm a dl a t e r 图2 2 截流前后变压器波形 西华大学硕士学位论文 切断空载变压器过电压的大小与断路器的灭弧性能及变压器的参数有关， 断路器的灭弧能力越强，其对应的过电压的幅值也越大：变压器的激磁电流越 小，过电压的幅值也越小。限制空载变压器过电压的主要措施是采用避雷器， 且避雷器应接在断路器的变压器侧，还可以采用相对地加装并联电容器和相对 地加装阻容吸收装置来限制。 ( 3 ) 空载线路合闸、重合闸过电压 空载线路的合闸有两种情况，即正常合闸和自动重合闸。就合闸空载线路 所引起的合闸过电压可达到的最大值而言，重合闸时要高于正常合闸时。正常 合闸如图2 3 ( a ) ，合闸前线路上不存在接地故障和残余电荷，合闸后，线路各 点电压由零值过渡到由电容效应决定的工频稳态电压，并出现振荡过电压，由 于长线路的分布参数特性，过电压将由工频稳态分量和无限个迅速衰减的分量 叠加组成，过电压系数一般小于2 ，通常为1 6 5 1 8 5 。 自动重合闸如图2 3 ( b ) 是线路发生故障跳闸后，由自动装置控制而进行 的合闸操作，在断路器重合前，线路上的残余电荷将通过线路泄漏电阻入地， 使线路残余电压有所下降，残余电压下降的速度与线路绝缘污秽情况、气候条 件有关。考虑过电压最严重的情况，即重合闸时电源电压恰好与线路残余电压 极性相反且为峰值，则重合闸时暂态过程中最大过电压约为3 e o u , q u7 【 协 一 。v j 一i 嘞 i k ， 乱 一 ， d f 。 。一 f i g u r e 2 3o s c i l l o g r a mo f o v e r - v o l t a g ew h e n c i r c u i tn o - l o a di sb r o k e n 图2 3 空载线路合闸过电压波形图 合闸过电压与系统的参数、电网结构、合闸相位，线路损耗、线路残压的 西华大学硕士学位论文 衰减快慢、断路器合闸的同期性、母线的出线数等因素有关。限制过电压的措 施主要从以下方面入手： 1 、采用带有并联电阻的断路器 2 、选相( 位) 合闸 3 、采用单相自动重合闸 4 、装氧化锌避雷器作为后备保护措施，以避免避雷器的频繁动作。 ( 4 ) 切除空载线路过电压 切除空载线路过电压产生的原因是断路器分闸过程中的重燃现象。在分闸 初期，由于断路器( 特别是油断路器) 触头间恢复电压上升速度可能超过介质 恢复强度的上升速度，造成电弧重燃现象，从而引起电磁振荡，出现过电压。 空载线路分闸过电压不仅幅值高，而且持续时间长，可达0 5 1 个工频周期以 上。而且断路器灭弧能力越差，重燃几率越大，过电压幅值越高。 影响过电压的因素有：( 1 ) 断路器的灭弧性能及电弧燃灭过程的随机性： ( 2 ) 线路侧的损耗因素；( 3 ) 中性点接地方式。在系统中限制此过电压的主要 措施：( 1 ) 采用灭弧性能强的断路器；( 2 ) 采用带分闸电阻的断路器；( 3 ) 采 用氧化锌避雷器限制；( 4 ) 采取合理的操作方式，使有利因素( 如多条出线运 行等) 发挥作用。 ( 5 ) 解列过电压 在多电源供电的系统中，由于某些原因而失去稳定时，线路两侧电源的电 动势将产生相对摆动( 即所谓失步) 。为避免扩大事故而使系统解列时。可能在 单端供电的空载线路上出现解列过电压。通常，多端供电的系统正常运行时， 线路两侧电源电动势之间按负荷大小总是有一定的相角差，当系统失步时，这 个相角差可能很大，可以是0 1 8 0 范围的任意数值。如果在相角差接近1 8 0 。 时系统解列，可能引起高幅值的过电压。如果线路上有单相永久性故障，单相 重合闸不成功，线路的一侧三相解列跳闸，这时不但两侧电源的相角差较大， 而且线路上还带有接地故障，计及线路的电容效应和不对称效应，健全相上的 解列过电压将会很高。 西华大学硕士学位论文 2 4 小结 本章对电力系统中存在两大类过电压进行了介绍，内过电压主要是由电力 系统内部的能量转化或传递引起的，包括暂时过电压和操作过电压；外过电压 主要是由雷云放电引起的电网电压不正常升高，包括直击雷过电压、感应雷过 电压和流动波过电压，并详细阐述了各种内外过电压的产生机理、电压幅值、 持续时问、危害性和预防措施等。 1 7 西华大学硕士学位论文 第三章虚拟仪器简介 3 1 虚拟仪器概述 5 1 1 6 1 1 3 l 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t , 简称v i ) 是现代计算机技术和仪器技术深层 次结合的产物，是当今计算机辅助测试( c a t ) 领域的一项重要技术。虚拟仪 器是计算机硬件资源、仪器与控制系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有 效组合。 所谓虚拟仪器，就是在以计算机为核心的硬件平台上，其功能由用户设计 和定义，具有虚拟面板，其测试功能有测试软件实现的一种计算机仪器系统。 虚拟仪器的实质是利用计算机显示器的现实功能来模拟传统仪器的控制面板， 以多种形式的表达输出检测结果；利用计算机强大的软件功能实现信号数据的 运算、分析和处理；利用i ，0 接口设备完成信号的采集、测量和调理，从而完 成各种测试功能的一种计算机系统。计算机的显示器类似传统仪器的指示面板， 输入设备( 如鼠标，键盘) 相当于传统仪器的各种功能按钮；输出设备具有很 多形式，打印机、磁盘机，及光存储设备，这些是传统仪器所没有的。同时， 计算机还具有丰富的功能，这些功能可以为虚拟仪器系统所使用。使用者用鼠 标或键盘操作虚拟面板，就如同使用一台专用测量仪器一样。 3 2 虚拟仪器的构成及其与传统仪器相比较的优势 虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求