（电气工程专业论文）500kv南充变电站雷电侵入波及操作过电压仿真研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t t h el i g h t n i n gi n r u s ho v e r v o l t a g ei st h em a i nl - 曲t q o nf o rl i g h t n i n ga c c i d e n to f s u b s t a t i o n sa n dp o w e rp l a n t s h o wt oc o m p u t ea n ds i m u l a t et h e i g h u l i n gi n r u s h o v e r v o l t a g eo fs u b s t a t i o n s a n dp o w e rp l a n t sh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e 5 0 0 k v s u b s t a t i o n sh a v em o m e l l t o u ss t a t u si np o w e rs y s t e m , 0 1 1 c l et h e yh a v es o n i cl i g h u t i n g a c c i d e n t , t h e r ew i l lb eap o w e rp a m ei nal a r g ea r e a a n dt h ee l e c t r i ce q u i p m e n t si n s u b s t a t i o n s s u c ha st r a n s f o r m e r , h a v en ol e s u m l ：a b i l i t yi ni t s i n n e ri n s u l a t i o n , i f t h e ya r c d e s t r o y e db yl i 曲t n i n gi n r u s ho v e r v o l t a g eo rs w i t c h i n go v e r v o l t a g e t h er e h a bw o r kw i l l b ev e r yh a r d , i tc a l lc , a u s es e r i o u sr e s u l t s s oi ti se s p e c i a l l yn e e e s s a r yt os t u d yo nt h e l i g h t i l i n gi n r u s ho v e r v o l t a g ea n ds w i t c h i n go v e r v o l t a g eo f 5 0 0 k v s u b s t a t i o n s t h i sp a p e rt a k e st h en a n e h o n g5 0 0 k vs u b s t a t i o na ss a m p l e ；c o m b i n et h es u b s t a t i o n 8 r i dt h ei n c o m i n gl i n e st oaw h o l en e tw o r k , b u i l dt h es i m u l a t i o nm o d e l b a s e do nt h i s m o d e l ，t h ei n f l u e n c e so fs u b s t a t i o no p e r a t i o nm o d e , a r r e s t o rc o n f i g u r a t i o nm a n n e r , i m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c eo fi n l e tl i n e st o w e r , t h ed i s t a n c eb c l w e e na r r e s t o ra n d t r a n s f o r m e ro v e ri n r u s ho v e r v o l t a g e 狮r e s e a r c h e d t h er e s u l t si n d i c a t e ：t h eb i g g e ri s n e t w o r ko f s u b s t a t i o n , t h ew e a k e ri st h ei m l s h i n go v e r v o l t a g ea p p l i e do i lt h et r a n s f o r m e r ； f o ro p t i m a lp r o t e c t i o no f n a n e h o n g5 0 0 k vs u b s t a t i o n , a r r e s t o r ss h o u l db ei n s t a l l e da tt h e e n t r yo ft h es u b s t a t i o n , t h em i d d l ep a r to ft h eb u sa n dt h ei n l e tl i n eo fu a n s f o r m e r , t h e i n r u s ho v e r v o l t a g ea t p p l i e do i li r a n s f o r m e rd e c r e a s e sw i t ht h er e d u c t i o no f t o w e ri m p u l s e g r o u n d i n gr e s i s t a n c e ；t h e i n r u s ho v e r v o l t a g ec a u s e db ) rl i g h t n i n gs h i e l d i n gf a i l u r e w o u l d n tc a u s ed a n l a g ef o rs u b s t a t i o ne q u i p m e n t s ；i n r u s ho v e r v o l t a g ei n c r e a s e sw i t ht h e d i s t a n c l ：b e t w e e na r r e s t o ra n di r a n s f o r m c rl e n g t h e n i n g , a n dt h ep e r m i s s i b l el o n g e s t d i s t a n c ei s8 0 m f r o mt h es w i t c h i n go v e r v o l t a g es i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h er e l a t i o ng r a p h so fs w i t c h i n g p h a s ea n g l ea n di t so v e r v o l t a g ed u r i n gt h es w i t c h i n go i la n ds w i t c h i n go f fn o - l o a d t r a n s f o r m e ra l ed r a w n ；t h eh i g h e s to v e r v o l t a g ec a u s e db ys w i t c h i n go nw a n s f o r m e rw i t h 1 1 0l o a di s1 9 3 p ut h eo p t i m a ls w i t c h i n go na n g l ei s8 0 0 ；t h eh i g h e s to v e r v o l t a g ec a u s e d b ys w i t c h i n go f fl l * a n s f o l m c rw i t hn ol o a di s1 4 7 p 1 l ，t h eo p t i m a ls w i t c h i n go na n g l ei s 6 0 0 k e yw o r d s ：5 0 0 k k vs u b s t a t i o n ；l i g h t n i n g i n v a s i o n w a v e ；s w i t c ho v e r v o l t a g e ； a t p - e m t p ；a l t c s t 髓 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 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重庞太堂 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：赢纲 签字日期： 学位论文版权使用授权书 年多月岁日 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、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。本人授权重庆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( v ) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：茛纠勾 签字日期：) ， 年舌月玉e t 名：虱占 签字日期：弘0 年占月r 日 f 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 论文研究的背景和意义 电网的发展，必然会打破历史形成的地方电力系统的强域，逐渐连成大区域或 跨区域的现代电网。不论从长距离大容量输电、维持系统稳定水平的需要，还是从 节省基建投资和运行费用的角度，大网络间的连接必须采用超高压等级的5 0 0 k v 或 7 5 0 k v 系统，有些国家如俄罗斯甚至采用了l l s 0 k v 的特高压系统。在一些先进国 家，5 0 0 k v 电网在各种等级的电网中占的比重较大。2 0 世纪6 0 年代初，我国第一 条5 0 0 k v 超高压输电工程平( 平顶山) 武( 武汉) 工程首先在华中电网建成。目前我 国已经建成的华中、华东、华北、东北四大电网，都是以5 0 0 k v 网络作为其主干网 络，跨大区电网还采用了5 0 0 k v 直流输电技术，广东、广西、山东等省的5 0 0 k v 电 网也己成规模；在西南地区，随着天生桥、漫湾和二滩等大型水电站的相继投产发 电，西南地区的5 0 0 k v 输变电设备容量将超过1 0 0 0 0 m v a ”。5 0 0 k v 南充变电站是 四川电网中的枢纽变电站之一，对于四川电力的西电东送起着重要作用。 5 0 0 k v 变电站的主要特点为：线路和设备的电压等级高，工作电流大，设备本 身外形尺寸均很大。5 0 0 k v 变压器和并联电抗器套管的对地距离近9 m 断路器和隔 离开关的本体高度近7 m ，避雷器高度近6 5 m 。 对5 0 0 k v 超高压系统，变电站( 所) 电气设备绝缘造价占的比例较大，过电压与 绝缘配合的问题是比较突出的问题之一。因此绝缘配合要从限制过电压，降低设备 绝缘水平入手。5 0 0 l 【v 系统采用中性点直接接地方式，将最大长期工作电压限制为 相电压，用并联电抗器限制远距离输电的电容效应，用带并联电阻的断路器限制操 作过电压等限压措施来限制内部过电压。这样、变电站中的雷电过电压水平比内部 过电压水平高，因此耐雷性能在所有电压系统中仍然是主要的，而避雷器的残压成 为确定设备绝缘水平的基础。 同时，操作过电压是决定电力系统绝缘水平的依据之一操作过电压的幅值随 着电网电压等级的提高而增大，由于避雷器性能和雷电过电压防护的不断完善，对 于超高压及特高压而言，随着电压等级得提高，绝缘裕度随之降低，操作过电压对 某些设备的绝缘选择将起着决定性的作用，因此，对操作过电压特别是切合空载变 压器引起的操作过电压目前己开始成为所研究的重要问题之一。 5 0 c l k | v 变电站是电力系统的枢纽站，在电网中的地位极为重要。一旦雷击或由 于操作引起的过电压致使其损坏，将直接影响大网、主网的安全可靠的运行，造成 严重的后果，因此要求有可靠的防雷措施。变电站的雷害来源有二：一是雷直击变 电站；二是沿线路传过来的电压波。因为雷击线路的机会远比雷直击变电站为多， 重庆大学硕士学位论文1 绪论 所以沿线路侵入变电站的雷电过电压行波是很常见的，是对变电站电气设备构成威 胁的主要方式之一1 2 j 。对于5 0 0 k v 变电站其操作过电压主要是切合空载变压器引起 的操作过电压。 因此，对雷电侵入波及操作开关设备在变电站电气设备上所产生的过电压进行 仿真计算，找出过电压的分布，变化规律，对防护雷电过电压、操作过电压、保护 电气设备提供了有价值的参考依据，进一步优化变电站的工程设计。 1 2 国内外研究现状 在过去，雷电侵入波计算方法受条件限制，主要依靠防雷分析仪来确定侵入波 过电压【3 】。模拟在2 k m 处施加一个幅值等于绝缘子串雷电放电电压u 5 泓的直角波， 测量变电所内设备上的过电压。由于防雷分析仪存在无法考虑变电站进线段的波过 程，无法研究变压器的波过程等一系列缺点，使用各种电磁暂态程序在计算机上进 行侵入波防雷计算和分析成为主流。 近年来有关雷电侵入波方面的研究很多，因建立的数学模型的不同，所用到的 方法多种多样。有使用电磁暂态计算程序e m t p ，有i e e e 防雷工作组的防雷计算 程序f l a s h ，有清华大学编制的防雷计算分析程序f l f x 1 及复杂变电所波过程 的通用计算程序c e t s p ，有西安交通大学研究的变电所侵入波保护程序s s p p p l ， 有天津大学的交直流系统数字仿真软件a d c m x n ，还有自己编制的程序与上述仿 真程序进行接口。然而以上诸多的计算程序，到目前为止，没有哪一种能够系统地 将这些因素都考虑进去，计算模型的误差大小也有待考证。 雷电波入侵变电站的方式有绕击和反击。研究绕击和反击问题的主要方法有现 场试验、模型系统分析、以及借助电子模拟计算机、暂态网络分析仪和数字计算机 等多种手段。 2 0 世纪6 0 年代出现分析避雷线( 针) 保护效果的电气几何分析模型，经过不 断完善，形成了现代电气几何模型方法( e g m ) 。现代电气几何模型可以将雷电的 放电特性和线路的结构尺寸联系起来分析，并能考虑塔高、地面倾斜角、雷电流等 影响因素。尽管其仍有某些局限性，但与实际运行经验吻合得较好旧。目前，美、 欧、臼均采用电气几何模型来分析和计算绕击率。 分析绕击问题时，击距五认为为雷电流幅值，的函数，关于的求取五， e i l w h i t e h e a d1 9 6 9 年提出的关系式为： = 6 7 2 o j ( m )( 1 1 ) l o v e1 9 7 3 年提出的关系式为： = l o j o “( 1 2 ) 式( 1 1 ) 、( 1 2 ) q h 雷电流幅值，的单位均为k a 。本论文在计算雷击杆塔绝缘子串 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 上的感应过电压时采用式( 1 1 ) 【7 i 。 人们对反击造成的危害认识较早，主要是反击对系统的安全影响较大的缘故。 五十年代以来，国外学者提出了许多方法和理论来估计预计反击跳闸率，诸如综合 曲线法、行波理论、纳秒模型法、蒙特卡洛法、区间组合法等 7 1 ，而计算机的发展， 使得波过程的数值解法、蒙特卡洛法和区间组合法得到了很大的发展。但是不管是 何种方法，都需要建立在一定的模型之上，而模型的好坏取决于对雷电机理和雷电 波作用下杆塔避雷线一导线系统波过程的认识。由于雷电现象具有很强的随机性， 过程又非常短暂，使得人们难以对雷击过程的物理现象有非常清楚的认识，这就是 防雷研究中之所以问题较多的原因。通常只能通过对许多问题建立简化的模型，得 到理论结果后通过运行实践检验，再不断优化模型，得到与运行实践最接近的理论 模型。 目前国际通用的研究结果，影响反击跳闸率估计的主要因素有绝缘子串伏秒特 性问题、冲击电晕问题、工频电压问题、感应过电压问题、杆塔模型问题、杆塔冲 击接地问题等等。 绝缘子串的伏秒特性是指绝缘子串上出现的电压最大值和放电时间的关系曲 线，通常都是指在标准冲击波下的绝缘特性。实际上，雷电引起的绝缘子串上的冲 击波并非标准波，采用标准波下的绝缘子串的伏秒特性必然给最终结果带来偏差。 虽然目前在非标准波下绝缘闪络方面的研究取得了一些进展，但尚未有满意的解决 办法，i e e e 防雷工作组仍然推荐使用标准波下的伏秒特性。对于5 0 0 k v 绝缘子串 的雷电冲击伏秒特性，国内外的一些资料认为，可用下式确定伏秒特性1 8 , 9 1 ： 嗄力= 1 - i - t t ( 1 3 ) 式中，弘。为绝缘子串的5 0 冲击放电电压；呱f ) 为预放电时间很短( t = l 2 1 a s ) 时的冲击放电电压；t 为常数。此式误差较大，需先依靠冲击放电电压的试验数据 来确定兀武高所曾做过绝缘子悬垂串的伏秒特性试验( 3 0 ，1 6 ) ，拟合的曲线 如下嗍： 以= 2 4 0 0 + 8 0 0 e - 小+ 1 6 0 0 e - “5 + 2 0 0 0 i “1 + 1 7 0 0 e - t 1 0 2 5 ( k v ) ( 1 4 ) 但绝缘子串的型式单一，不能覆盖目前所用主要类型的绝缘子串。需要对典型绝缘 子串进行伏秒特性试验。 当输电线路上的过电压超过线路的起晕电压时，就会产生电晕效应，它是雷电 波的衰减和畸变的主要因素，这对于防雷保护是有利的。常用的计算方法有经验公 式法、差分法和流动波法 1 0 l 。我国规程采用下式来反映雷电波因电晕效应而引起的 变形： 例。+ ( o 5 4 - 旦骂坠) 厶 ( 1 5 ) 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 式中：矗进线保护段末端变形后斜角波波头的长度，岬；句，进线保护段首端斜角 波波头的长度，肛；毒，进线保护段长度，k m ；u w ，进行波的幅值，k v 。 感应过电压对5 0 0 k v 输电系统的绝缘没有多大的危害，但在雷击杆塔时，绝缘 子串的闪络判断时感应过电压占有一定的比例，如果忽略，将带来一定的误差。感 应过电压是雷击发展过程中空间电磁场变化引起的。由于它的物理机制比较复杂， 受到雷电发展的随机性和观测条件的限制【l ”，还没有比较满意的计算模型。已有的 计算模型和方法都是基于一定的假设之上，与现有的观测结果很好的吻合【1 2 - 1 3 1 。 尽管国内外这方面的研究工作有很多，但分歧较大。首先，欧美、日本等国家 承认有感应过电压，也提出计算公式，计算的感应过电压比我国规程法计算的要小 的多。并认为感应过电压对线路防雷的影响很小，在防雷计算中不考虑感应过电压， 这和前苏联、中国的做法相差甚远。近年来随着雷电流观测数据的增加，大幅值、 高陡度的雷电流的存在已被认为不可忽视，人们已越来越重视感应过电压对线路的 影响，感应过电压的影响不可忽视【1 4 1 。其次，对雷击杆塔时从塔顶向上发展的上行 先导( 流注) 长度厶的不同估计，严重影响感应过电压的计算值。a r m s t r o n g 和 e r w h i t e h e a d 等人认为： 厶= 詈 ( 1 6 ) 式中后为击距。 我国在规程中用经验公式的办法考虑感应过电压的作用， 算误差较大。我国规程规定感应过电压璃由下式计算： q 训1 告与) 但模型过于粗糙，计 ( 1 7 ) 式中：也为导线对地平均高度；趣为避雷线对地平均高度；岛为导线和避雷线间的 耦合系数；硝雷电流陡度。 上述计算公式是前苏联半个世纪以前的研究成果，计算结果较大。美国 e r w h i t e h e a d 提出下面的近似计算公式【l l 】： 酶= 6 h s 4 ( 1 0 + i o ”) ( 1 8 ) 武汉高压研究所得出的一组曲线【1 4 1 ，通过拟合计算，给出近似计算式： 珥= 【( 1 7 7 1 + 1 7 5 4 h , 一0 0 1 0 8 8 h 。2 + 1 9 3 5 x 1 0 - 5 军) 0 “1 “俨q ( 1 一岛) 1 3 3 ( 1 9 ) 工频电压对5 0 0 k v 线路雷电侵入波过电压的影响较大，反击时，在绝缘予串两 端电压中己经占有相当大的比例。在耐雷水平计算中忽视工频电压的影响将造成较 大的误差。美、日、欧等国均已考虑工频电压的影响。日本采用和雷电流相反极性 的工频电压峰值【”】。 我国规程规定在计算杆塔塔顶电位时，将杆塔等效为集中参数电感，以简化计 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 算，但精度不高。对杆塔的模拟目前较为精确的方法是用分布参数线段代表杆塔， 并用杆塔波阻抗和波在杆塔中的视在传播速度表征雷电冲击波在杆塔中的传播特 性。同时试验表明。杆塔波阻抗沿杆塔是变化的。实际应为时间的函数，而不是固 定值，但目前还没有满意的办法建立其模型。尽管如此，给杆塔波阻抗确定一个不 变值是可能的，由此得到的杆塔电位随时间变化的函数与由模型试验得到的结果和 用场论计算的结果很接近【幡1 ”。另外，波在杆塔中的视在传播速度小于光速，这是 由于杆塔横担和支架延缓了电位增长速度所致。目前比较精确的模型是日本建立的 杆塔模型，采用对杆塔的不同部位取不同波阻抗的方法。 表征杆塔冲击接地特性的参数常用冲击接地电阻。杆塔冲击接地电阻己被证明 是影响线路耐雷水平的最敏感的因素【l 明。雷电冲击电流作用下，一方面接地体电感 呈现出较大的阻碍电流的作用，另一方面接地体周围土壤在电场强度很高时会产生 强烈的火花放电，这两方面的作用使杆塔接地电阻表现为与工频( 直流) 下不一样， 且为时间的函数。工程上常用固定电阻值近似代表杆塔冲击接地电阻。也有人用大 小随塔高和雷电波上升时间变化的电感作为杆塔冲击接地参数。 综上所述，雷电侵入波的过电压计算问题中还有很多不确定的影响因素。这些 问题需要人们的不断探索，将理论结合实践，才能更加准确地计算雷击引起的过电 压，进而确定合理的保护方案。 内部过电压直接和系统电压有关，而且它的幅值随着系统电压的提高而增大， 运行电压在4 0 0 k v 及以上时，系统的内过电压对决定系统的绝缘水平起着较大的作 用。为此，世界各国，包括我国的清华大学、国家电力科学研究院、武汉高压研究 所等大专院校、研究机构在建立电力系统元件的数学模型、研究过电压的出现和限 制方法、研究计算方法等方面进行了大量研究工作，如蒙特卡洛统计操作过电压方 法，如快速傅立叶变换在计算中的应用等。虽然研究方法和数学模型的建立方法己 成熟，经过一系列认真细致的科学研究和试验，发现和找到了操作过电压和工频过 电压出现的原因，提出了限制方法，如在断路器断口增加分、合闸并联电阻，装设 高压电抗器，利用避雷器限制操作过电压和工频过电压等措施1 1 9 】。但正是由于在下 列条件发生变化时：如对于不同型式的线路，不同长度的线路，处于不同的电网结 构当中，使用不同特性的设备，特别是断路器的特性不一致时，操作过电压和工频 过电压的水平就会不同【2 0 】。所以，在我国对每一个新建线路都必须在不同的系统条 件下进行操作过电压和工频过电压研究，以决定其绝缘水平的选择。限制措施的采 用等，使操作过电压和工频过电压限制在交流电气装置的过电压保护和绝缘配合 i i 6 2 0 1 9 9 7 ) 规程规定的范围之内。 目前计算电力系统过电压的手段有两种： 第一种是模拟计算机型的暂态网络分析仪( t r a n s i e n t n c 才w o r k a n a l y s c r - t n a ) 。这 5 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 种方法是1 9 3 9 年开始，电力工程师为研究电力系统暂态过程建造了t n a ，并在使 用过程中，对t n a 逐步加以完善、更新。t n a 可以看作是一个计算台，其物理意 义清晰，易于理解与使用，可以多次重复内过电压现象便于观察与研究。t n a 是由 对真实电力系统元件特性( 侧重于暂态特性) 的模拟元件组成，例如汽( 水) 轮发电机、 高电压输电线路、电缆、变压器、断路器以及避雷器等，它们可以连接成任意所需 要的网络结构，在选取等效的模拟元件时，必须同时考虑到网络元件在系统中的特 殊位置和它们之间可能有的相互作用，即使那些单个的网络元件都是完全对称的， 仍需要三相网络模拟。因为断路器的触头的非同期闭合，会在网络中产生不对称的 电压电流。为了缩小模拟装置的尺寸，节省电感元件和电容元件，并考虑到现有的 技术条件，选择恰当的比例尺是非常重要的，例如电压比例尺的选择不宜使模拟装 置的电压过高，而造成工作中的不安全以及模拟设备庞大和昂贵。但又不宜选得太 低，以免造成过大的测量误差。再如提高时间比例尺时，可以减少模拟装置中电感 和电容数值，从而减小模拟装置的体积，但过高的频率，对模拟一些元件的特性会 带来一系列的困难。一般说来，只要确定时间比例尺，电压比例尺，阻抗比例尺， 其它如频率、电流、功率、电感、电容比例尺可以通过它们之间的量纲关系推导出 来。随着电子元件的发展，现在己可以更精确地模拟电力系统中元件特性：可以用 计算机与许多t n a 相连在一起，用计算机方便地改变元件参数、网络结构：控制 t n a 开关，计算t n a 开关操作次数( 概率操作试验) ，记录所需要的系统节点电压 及支路电流的波形，分析波形的结果，给予出图表、曲线。可以说t n a 对被研究 的暂态现象的确切过程没有弄清楚以前，对还属于探索性或者设计过程中的问题， t n a 还发挥作巨大的作用1 7 j 。 第二种方法就是在计算机上利用电磁暂态分析程序e m t p 进行过电压分析和计 算。e m t p 是国际上通用的一种数字程序，是当今世界上应用最广泛的研究电力系 统暂态过程的程序，其原型是由加拿大哥伦比亚大学的d o m m e l 教授开发的，随后 通过w s c o um e y e r 博士进行了e m t p 的管理和开发工作，他与美国、加拿大、日 本、南美及欧洲的一些国家的许多教授和著名的工程技术人员一起，经过多年的协 同工作，反复修改，不断补充，并经过长期考验，使程序功能臻于完善，通用性强， 精确性较高。e m t p 是计算电磁暂态过程的通用程序，同时也设有稳定状态下的解， 因此可以解决电力系统中许多稳态和暂态过程的计算，诸如潮流计算、故障计算、 稳定计算、过电压计算、系统的故障分析、交直流联合电力系统中暂态现象的研究、 乃至某些高压试验的校验计算和铁磁谐振研究等；此外，e m t p 同样可以用于电力系 统以外的一般电路、电子回路以及能用电路表示的非电系统，如机械系统等问题的 研究分析。即e m t p 可以计算由下列元件组合而成的任意系统： ( 1 ) 集中参数元件r ，l ，c ，包含由其构成的互感回路、多相二型回路等： 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 ( 2 ) 多相分布参数线路。要求考虑线路参数rl 的频率特性、线路换位情况，也 可用多相二型回路来模拟； ( 3 ) 非线性电阻。要求其伏安特性是单调上升的，即不允许有负数、零或者无限 大的斜率； ( 4 ) 非线性电感。可以包括铁磁元件的磁滞回线特性，但除磁滞特性模型之外， 非线性电感的磁通电流特性与非线性电阻的伏安特性曲线有同样的要求； ( 5 ) 时变电阻； ( 6 ) 开关。可模拟断路器、保护间隙、可控开关、可控硅、二极管等。此外还可 以模拟开关分合闸的统计特性，包括正态分布特性和均匀分布特性： ( 7 ) 变压器。可模拟各种连接方式的单相和三相变压器，也可模拟理想变压器； ( 8 ) 各种波形的电压源和电流源； ( 9 ) 旋转电机。可以模拟各种开关电机，将电气系统和机械系统一起考虑，其中 最常见的模拟其励磁系统和调速系统： ( 1 0 ) 控制系统。由传递函数、补充变量、补充装置和电源组成。传递函数描述 输入和输出之间的拉氏变换运算式；补充变量表示输入输出之间的代数关系式、逻 辑关系式等；补充装置则表示一些特殊功能的设备的输入输出的关系，如频率表、延 迟装置、选择器、时序开关、取样及跟踪设备等。利用传递函数、补充变量、补充 装置和电源的灵活连接可构成各种控制系统的模拟1 o 2 1 】 我国于1 9 8 1 年引入该程序后，也作了大量的工作，在许多项目上都使用了 e m t p 程序，特别是在超高压输出工程中，更是应用得较多，通过计算研究，对电 力生产实际起到了不可估量的作用阻铡。 1 3 本文的研究内容 1 以南充5 0 0 k v 变电站为例建立分析5 0 0 k v 变电站雷电侵入波的a t p - e m t p 仿真模型，主要包括：建立绝缘子串的闪络模型、杆塔模型、线路模型、变压器模 型。 2 研究5 0 0 k v 变电站雷电波入侵时主变压器上的过电压，流过主变避雷器的 电流及其影响因素，主要包括：考虑雷击点对雷电侵入波过电压的影响，研究雷击 于接近变电站的撑l 拍杆塔中哪一基杆塔时主变压器上的过电压幅值较高；运行方 式对主变压器雷电过电压幅值的影响，当变电站内的某一台断路器打开后，电气主 接线变化较大，雷电侵入波进入变电站后的反射和折射情况的变化也较大。本文以 南充变电站的两种电气主接线方式，即单线单变( 一条进线一台主变压器) 、两线一 变为例，对主变上避雷器的合理配置进行计算；考虑工频电压分量对雷电侵入波过 电压的影响，5 0 0 k v 工频电源电压最大峰值为士4 0 8 k v ，约为线路绝缘子串5 0 正极 7 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 性冲击放电电压的2 0 左右；杆塔的冲击接地电阻对主变压器雷电过电压幅值的影 响较大，本论文采取对其取不同值的方法来模拟此因素的影响程度；主变压器与避 雷器的电气距离对主变压器雷电过电压幅值的影响。 3 通过分析5 0 0 k v 变电站内投切空载变压器过电压的影响因素，经仿真比较 确定投切空载变压器的最佳相角。 4 建立5 0 0 k v 变电站切空线操作过电压仿真模型，并对切除5 0 0 k v 南充变电 站5 0 0 k v 空载线路、2 2 0 k v 空载线路的过电压水平进行仿真分析。 3 重庆大学硕士学位论文2 雷电侵入波仿真模型 2 雷电侵入波仿真模型 本论文基于采用国际通用的电磁暂态计算程序e m t p 的改进版本a t p e m t p ， 对5 0 0 k v 变电站的雷电侵入波过电压进行仿真了计算，计算时要对5 0 0 k v 变电站 及其进线段的各电气设备进行合理的模拟，建立尽量准确的模型。本章讨论过电压 的计算方法以及仿真模型中绝缘子串等模块的建立。 2 1 南充5 0 0 k v 变电站电气主接线方案 南充5 0 0 k v 变电站目前的规模：一台7 5 0 m v a 的主变压器，进线两回，南谭线 和洪南线，变电站主接线图如图2 1 所示。 母缱l母线2 c v t m o 由二 一 一(d 主直 工一l 一_ - =t_ 望线m o 删t 魁 一 直土主 图2 1 南充5 0 0 k v 变电站主接线图 f i g2 1t h ew k i n gd i a g r a mo f n a n c h o n g5 0 0 k vs u b a t a t i o n 2 2 雷电入侵变电站的方式 5 0 0 k v 变电站是电力系统的枢纽站，在电网中的地位极为重要。一旦雷击损坏， 将直接影响电力系统的安全可靠的运行，造成严重的后果，因此要求有可靠的防雷 措施。变电站的雷害来源有二：一是雷直击于变电站；二是沿线路传过来的过电压 波。对直击雷的防护一般采用避雷针或避雷线。我国运行经验表明，凡按规程标 准要求正确安装避雷针、避雷线和接地装置的变电站，绕击和反击的事故率都很 低，防雷效果是很可靠的。并且雷击线路的机会远比雷直击变电站的多，所以沿线 路侵入变电站的雷电过电压波是很常见的，是对变电站电气设备构成威胁的主要方 9 重庆大学硕士学位论文2 雷电侵入波仿真模型 式之一口5 1 。 变电站的雷电侵入波有三种方式：绕击、远区反击和近区反击。对于沿全线装 设避雷线的线路来说，距离变电站2 k m 内的线路称为进线段。线路其余长度的避雷 线是为线路防雷用的，而这2 k m 进线段的避雷线除为了线路防雷，还担负着避免或 减少变电站雷电侵入波事故的作用，有着重要作用。离变电站2 k m 及以外的为远区 雷击，2 1 m 以内的为近区雷击。对5 0 0 k v 变电站进线段，档距一般为4 0 0 m ，计算 时以雷击# 6 杆塔为远区雷击。 关于绕击的电气几何模型是以等击距的假设为依据的。由电气几何模型分析得 出，当雷电流大于某一值时，雷或击中避雷线，或击中大地，而不会发生绕击，计 算绕击过电压时，雷电流取其临界值，即最大绕击电流。但最大绕击电流较反击计 算电流小的多，产生的过电压较低1 2 7 - 2 8 1 。 当雷击于距杆塔一段距离的避雷线时，比如在档距中央，空气间隙必须承受的 过电压比由相同强度的雷电流( 不论是击于杆塔或避雷线) 在杆塔绝缘子串上造成 的过电压要高得多。其原因是档距中央有效终端波阻抗要大得多，而且雷击档距中 央时，有缓解作用的相反极性的反射波返回时间比雷击杆塔塔顶时大得多。但瓦格 纳和希利曼同时指出，很大的预放电现象将有助于减小档距中央间隙的击穿，因为 当间隙上的电压临近击穿值时，很大的预放电电流开始在间隙中流过，使间隙上的 电位差降低，这将有效地推迟击穿。因而档距中央发生击穿是很罕见的【2 】。如果雷 击档距中央未发生击穿，则和雷击塔顶的情形一样。此时杆塔绝缘上的最大过电压 与雷击塔顶时具有同一数量级，这就说明雷击档距中央时，在档距中央虽不会发生 击穿，但却可使杆塔绝缘闪络，由于雷击避雷线档距中央发生反击要满足一定的条 件闭，所以雷击档中发生档中闪络的可能性很小，一般不考虑。 2 3 雷击点的选择 我国规程规定只计算离变电站2 k m 以外的远区雷击，不考虑2 k m 以内的近 区雷击。这可能是沿袭中压系统和高压系统的作法，认为进线段和非进线段都完全 可能受雷击而形成侵入波。而实际上对变电站内设备造成威胁的主要是近区雷击。 2 k m 以外的雷击，由于雷电波在较长距离传播过程中的衰减和波头变缓，使站内设 备上形成的侵入波过电压较近区雷击为低，以它为考察的主要对象不合适，在美国、 西欧和日本以及c i g r e ( 国际大电网会议) 工作组，均以近区雷击作为变电站侵 入波的重点考察对象。近区雷击的侵入波过电压一般均高于远区雷击的侵入波过电 压，问题是近区雷击第几基杆塔时过电压幅值最大。有人认为雷击# 1 塔会在变电 站形成最严重的侵入波过电压，这种想法在某些情况下可能是正确的，但在我国， 大多数情况下不合适。大量研究表明，# l 塔和变电站的终端门型构架( 也称# o 1 0 重庆大学硕士学位论文 2 雷电侵入波仿真模型 塔) 距离一般较近，再加上门型构架的冲击接地电阻比较小，雷击# l 塔塔顶时， 经地线由# 0 塔返回的负反射波很快返回# 1 塔，降低了# 1 塔电位，使侵入波过电 压减小。而# 2 塔、# 3 塔离# o 塔较远，受负反射波的影响较小，过电压较高。所 以仅计算雷击# l 塔侵入波过电压不全面嗍。 本文雷击点只以2 k m 以内的进线段雷击情况作为仿真计算范围，在计算中将变 电站和进线段结合起来，雷击点分为近区雷击和远区雷击。研究近区雷击时，雷击 点选为进线段的# 1 # 5 杆塔，研究远区雷击时雷击点为2 k m 处的# 6 杆塔。 2 4 仿真模型的建立 2 4 1 雷电模型 雷电的物理过程虽然复杂，但是从防雷保护的工程实用角度，可以把它看作是 一个沿着一条固定波阻抗的雷电通道向地面传播的电磁波过程，据此建立计算模型。 b占磊型 厂 雷电流源 被击电路 图2 2 雷电流源等值电路 f i g2 2e q u i v a l e n tc i r c u i to f l i g h t n i n gc u r r e n t 在雷电放电过程中，人们能够测知的电气参数主要是雷击地面时流过被击物体 的电流五根据计算模型反推雷电波的参数以供工程应用。由图2 2 电流源等值电路， 有 7 ，= 2 i o _ = ；= 匕 ( 2 1 ) 岛十厶 显然j 与z 有关。当z - - - - 舀时，恰好乒= 而，当z = 0 时，= - - 2 o ，实际上z 不可能为 历，也不可能为零；但若2 硌：而，仍可测得j * 2 南。在雷电流的实际测量都能满足 条件z c o l ，因此，通过电容支路的电流乏可以忽略，通过断路器的 l 电流，近似为变压器的激磁电流丘。 ( 1 ) 图4 8 切除空载变压器单相等值电路 f i g4 8s i n g l e - p h a s ee q u i v a l e n tc i r c u i tw h i l es w i t c h i n gu n l o a dw a n s f o r m e r 变压器的空载电流即激磁电流，通常是很小的，一般不超过几十安培，只是变 压器额定电流的l 3 ，当采用优质铁磁材料时，激磁电流甚至在额定电流的l 以 下。若断路器采用自能式灭弧，其灭弧能力与被分断电流大小有关，分断如此小的 电流时，不会发生截断现象。若采用外能方式灭弧，其灭弧能力与被分断电流的大 小关系不大，且灭弧能力是按照分断短路电流设计的。利用这种断路器分断如此小 重庆大学硕士学位论文 4 空载变压器的分合闸过电压 的电流时，弧道中游离作用并不强烈，很强的灭弧作用使电弧急剧拉长，弧阻剧增， 电弧发生不稳定现象，可能在电流达到零点之前发生强制灭弧。图4 9 所示为电流 被截断的情况，其中电流的截断值为而，截断现象可以发生在电流上升阶段，也可 以发生在下降阶段。 i - i - ( a )( b ) 图4 9 截流前后变压器电压波形 f i g4 9 v a r i a t i o no f v o l t a g e o nt r a n s f o r m e rr a i s e db ye u t - o f f c u r r e n t 电路电流，被截断后，具有初始能量的贮能元件厶c 形成一自由振荡回路， 计及变压器的损耗，回路中电压、电流呈衰减振荡。对振荡回路求解可得到电压表 达式。忽略回路损耗，回路的初始条件为而和砺对图4 9 ( a ) 、c o ) 可分别求得： ( 磅= ( f ) = 一o z s i n ( a 0 0 + e o s ( a , 0 t ) ( 4 1 3 ) ( 力= 屹( 力= 一厶互s i n ( a , 0 0 一c o s ( a , 0 0 ( 4 1 4 ) 其中：互= 纠c 为变压器的特征阻抗；嘞= 南为回路的振荡角频率。 、，i ，l ， 由式( 4 1 3 ) 、( 4 1 4 ) 可得到过电压最大值为： 已，田= 瑶+ ( 厶五) 2 ( 4 1 5 ) 若在电流最大值厶时发生截断，则砺= o ，则： ( f ) = 一厶互s i n ( a , o o ( 4 1 6 ) 过电压最大值为： = 馅 ( 4 1 7 ) 通常最大可能的切除空载变压器过电压即可由式( 4 1 5 ) 确定。 实际上从能量关系也可以得到式4 1 5 的结果。设回路电压、电流初始值为砺、 o ，则回路中初始贮能为瑶+ 去c 睇，电流被截断以后，当回路全部能量变为电 二二 能时，电容电压即达最大值，锄。由能量关系有： 重庆大学硕士学位论文4 空载变压器的分合闸过电压 丢瑶毛倒毛哦 睨= 、巧= 怀丽 由过电压倍数的定义弘n ，睇岫，设厶= i , , s i n a 、v o = 。c o s 口，其中口 为截流时的相位，由式4 1 5 得： k ：兰生： 。 因为l = 堕c o l ， ： 一，则： 2 面则。 ( 4 2 0 ) ( 4 2 1 ) 若计及在振荡过程中，由于变压器铁心及铜线损耗，部分磁能将会损失，为此 引入一转化系数轴( 1 ) 加以修正，即只有磁能的钿部分可以转化为电能。则式( 4 2 0 ) 变为： 厂了一 k = 1 c o s 2 口+ ( 每2 s i n 2 口 ( 4 2 1 ) y j 当电流在最大值时截断，即口= 9 0 。，则过电压倍数有最大值，即： 髟= 毒 ( 4 2 2 ) 4 2 4 切空变过电压仿真分析 该变电站断路器型号为3 a t 2 e i ，采用外能方式灭弧，开断过程中截断电流较 大，由于该变压器空载电流较小不到3 a ，在仿真过程中近似认为到达开断时刻后， 断路器开断过程瞬时完成，截流值即为开断时刻对应的电路电流值。变电站采用的 是3 2 断路器接线，开断过程需要变压器同一回出线上的两个断路器动作，仿真情 况为过程断路器d l 5 断开0 2 s 后断路器d l 4 ( 见图4 1 ) 再动作完成切空交操作。 表4 7 切空变相角对过电压的影响1 喇 a 相断路器开闸相别变压器三相对地 截断电流( a ) 相角电压o 【、，) 0 0a很小o 2 b6 0 o2 1 c5 9 51 9 1 0 。a很小o 4 b6 2 52 3 重庆大学硕士学位论文4 空载变压器的分合闸过电压 c 5 5 5 1 7 2 0 0a很小i o b6 2 82 3 c 5 2 1 1 4 3 0 0a很小1 2 b6 2 92 4 c很小1 3 4 0 0a很小1 6 b6 2 62 3 c很小0 7 5 0 。a 5 5 61 9 b6 1 82 2 c5 2 80 7 6 0 0a5 9 92 1 b5 9 81 9 c很小0 2 7 0 0