电力系统内部过电压毕业设计1.doc

工频过电压分析及其仿真课程名称：高电压技术任课教师：高金兰所在学院：信息技术学院专 业：电气工程及其自动化班级：电气8班学生姓名：刘昌明学 号 ：20084073804中国大庆2011 年 12 月摘要工频过电压是造成电网内高电压设备损坏的重要原因之一，它伴随着电网的正常操作过程、故障过程而生。如果在电网建设初期不认真分析、计算这类过电压，采取相应防护措施，特别是500kV电压等级的高压设备，由于对地电容电流较大，过电压水平会更高，那么在以后设备运行过程中就心中无数，可能造成设备损坏，带来极大的经济损失。由于过电压的水平不仅与具体的电网环境有关，而且与投切对象及装设的相关设备有关，所以，具体到每一实际工程，都必须进行过电压的计算，了解过压情况，以便采取防护措施，指导生产运行和科学试验，防止过电压损坏设备。关键词： 高电压、工频过电压、电磁暂态分析目录1工频过电压的理论分析- 1 -1.1输电线路的工频过电压- 1 -1.2空载长线路的电容效应及系统阻抗对工频过电压的影响- 1 -1.3不对称短路引起的工频电压升高- 2 -1.4线路甩负荷效应- 3 -2 输电线路工频过电压仿真分析- 4 -2.1单端电源与带有并联电抗器补偿的长线相连- 4 -2.2 双端电源与带有并联电抗器补偿的长线相连- 6 -2.3双端电源供电且线路首末两端及中间均并联有电抗器- 9 -3 线路不接并联电抗器仿真数据- 11 -3.1仅线路首端接并联电抗器- 11 -3.2仅线路末端接并联电抗器- 11 -3.4线路首末两端及开关站处均并联电抗器- 12 -4 结论- 13 -参考文献- 14 -1工频过电压的理论分析内部过电压是电力系统中的一种电磁暂态现象，它可分为暂时过电压和操作过电压两大类。在故障和/或操作时，瞬时发生的过渡过程过电压称为操作过电压，其持续时间一般在几十毫秒之内。在暂态过渡过程结束以后出现持续时间大于0.1秒至数秒甚至数小时的持续性过电压称为暂时过电压，暂时过电压又可分为工频过电压和谐振过电压。220kv及以下系统中，内部过电压是由系统本身绝缘来承担的。有必要对输电线工频过电压的产生，影响及其相应的限制措施进行深入的研究。1.1输电线路的工频过电压工频过电压产生的原因包括空载长线的电容效应，不对称接地故障引起的正常相电压的升高，甩负荷等，它与系统的结构、容量、参数及运行方式有关，其频率等于或接近于工频。1.1.1 均匀长输电线的分布参数模型描述输电线路波过程的微分方程式如下： （1-1）则根据边界条件可以求解得沿线电压表达式如下： = （1-2）对于三相输电线路，由于导线彼此间存在着电磁耦合联系，在电磁暂态计算中，往往用等值阻抗和电流源来等效其分布参数模型。1.2空载长线路的电容效应及系统阻抗对工频过电压的影响如果输电线路突然从负荷侧断开，那么线路就进入了开路状态。此时线路上，特别是其末端上，会出现较高的电压升高；在系统并车前，先从电源侧投入线路时，也会导致同样的情况，这些过电压就是由空载线路的电容效应引起的。求解该复合二端口网络得：= （1-3）由空载线路边界条件=0，联合（1-2）（1-3）式，可得沿线电压的表达式： （1-4） =cos= （1-5）显然，当x=0，即线路末端时的工频过电压最高。电源电抗相当于增加了线路长度，使谐振点提前了。1.3不对称短路引起的工频电压升高不对称短路是输电线路最常见的故障形式，短路电流中的零序分量会使健全相上出现工频电压升高（常称为不对称效应）。系统中的不对称短路故障，以单相接地故障最为常见，且引起的工频电压升高也最为严重。下面就以单相接地故障为例，分析不对称短路故障引起的工频电压升高。设系统中A相M处发生单相接地故障，如图1所示： XM NCBA图1 单行接地故障图其边界条件为：=0，=0，所以有：+=0 (1-6)+=+ （1-7）由式（17）可得： =； (1-8)又有 =，0=，0= （1-9）由上面几式联立求解便可得出健全相电压： （1-10） =j （1-11） 1.4线路甩负荷效应当输电线路重负荷运行时，由于某种原因线路末端断路器突然跳闸甩掉负荷，也是造成工频电压升高的原因之一，通常称为甩负荷效应。此时，影响工频过电压的因素主要有四个：1.甩负荷前线路输送的潮流，特别是向线路输送无功潮流的大小，它决定了电源电动势E的大小。一般来讲，甩负荷前，若线路上输送相当大的有功及感性无功功率，电源电势必然高于母线电压。甩负荷后发电机的磁链不能突变，可简单认为电源暂态电动势在短暂时间内维持原来数值，向线路输送功率越大，电源的暂态电动势也越高，计算工频电压所用等值电势越大，工频过电压也就越高。2电源的容量，其决定了电源的等值阻抗，电源容量越小，等值阻抗就越大，可能出现的工频过电压也就越高。3.线路长度，线路越长，充电的容性无功就越大，工频过电压就越高。4.发电机组调速器和制动设备的惰性，甩负荷后其不能立即起到应有的调速效果，导致发电机转速加快，电动势及频率上升，从而使空载线路的工频过电压更为严重。2 输电线路工频过电压仿真分析交流高压工程的建设包括变电和输电（线路）两部分，涉及特高压输变电设备的制造，输变电系统的绝缘配合，电磁环境，输电系统的电磁暂态问题等研究内容。输变电电气设备和线路合理的绝缘水平的确定是影响整个工程技术经济指标的一个重要因素。电气设备和线路在运行中除要长期承受额定工作电压以为，还必须承受各种原因引起的波形、幅值及持续时间各异的过电压。限制高压线路工频过电压的措施有多种，如使用高压并联电抗器补偿特高压线路的充电电容；使用良导体地线或光纤复合架空地线减小不对称故障时的接地系数；使用线路两端联动跳闸或过电压继电保护缩小工频过电压的持续时间；使用金属氧化物避雷器限制短时高幅值工频过电压；选择合理的系统结构和运行方式等等。在所有的这些措施中，并联高压电抗器是限制工频过电压最基本同时也是最要的手段，因此有必要对其进行深入的研究。2.1单端电源与带有并联电抗器补偿的长线相连由于并联电抗器的电感能够补偿线路的对地电容，减小流经线路的电容电流，消弱电容效应，所以在特高压输电线路上，为了保证远距离输电系统网络的电压水平在允许范围内，必须沿线装设高压并联电抗器。通常将并联电抗器的容量与空载长线的电容无功功率的比值称为并联电抗器的补偿度。2.1.1单端电源与首端带有并联电抗器的长线相连单端电源与首端带有并联电抗器的长线相连的等效电路和复合二端口网络：设x为距线路末端的距离，复合二端口网络方程得： （2-1） （2-2）对于空载线路，结合上两式可得沿线任一点的电压表达式为： （2-3）2.1.2单端电源与末端带有并联电抗器的长线相连单端电源与末端带有并联电抗器的长线相连的等效电路和复合二端口网络：设x为距线路末端的距离，求解复合二端口网络方程得： （2-4） （2-5）对于空载线路，结合上两式可求得沿线任一点的电压为： （2-6）2.1.3 单端电源与两端带有并联电抗器的长线相连单端电源与线路两端带有并联电抗器的长线相连的等效电路和复合二端口网络设x为距线路末端的距离，求解的复合二端口网络方程得： (2-7) (2-8) 对于空载线路，结合上两式可求得沿线任一点的电压为： (2-9)2.1.4单端电源与线路中点带有并联电抗器的长线相连单端电源与线路中部带有并联电抗器的长线相连,以线路中点接并联电抗器为例设x为距线路末端的距离，求解的复合二端口网络方程得： （2-10） 在0段上： （2-11）在段上： （2-12）对于空载线路，结合上三式便可求得沿线上任一点的电压的表达式。2.2 双端电源与带有并联电抗器补偿的长线相连2.2.1 双端电源供电且线路一端带有并联电抗器时的沿线电压分布双端电源供电且线路一端带有并联电抗器时的沿线电压分布可以用叠加原理求得。复合二端口网络以线路受电端带有并联电抗器为例。利用叠加原理可得 (2-13) (2-14)由边界条件，结合上两式可求得：（2-15） (2-16) (2-17)由边界条件，结合上两式可求得： (2-18)根据叠加原理，由式（2-15），(2-18)便可得线路上任一点的电压表达式为：+ （2-19） 同理，可以求出双端电源供电，线路送电端带并联电抗器时的沿线电压表达式如下： （2-20）2.2.2 双端电源供电且线路两端都带有并联电抗器双端电源供电且线路两端都带有并联电抗器时线路沿线电压分布同样可以由叠加原理来求得。 (2-21) （2-22）由边界条件，结合上两式可求得： (2-23)可得： (2-24) (2-25)由边界条件，结合上两式可求得： (2-26)根据叠加原理，由式（2-23），(2-26)便可得线路上任一点的电压表达式为： (2-27) 2.3双端电源供电且线路首末两端及中间均并联有电抗器双端电源供电且线路首末两端及中间均带有并联电抗器时线路沿线电压分布同样可以由叠加原理来求得。 (2-28) 在0-段上: （2-29）在段上： (2-30) 由边界条件，结合上三式可求得线路上沿线任一点的电压表达式。可得： （2-31）在0-段上: (2-32)在段上： （2-33）由边界条件，结合上三式可求得线路上沿线任一点的电压表达式。3 线路不接并联电抗器仿真数据3.1仅线路首端接并联电抗器电抗器补偿度K=60%表1电抗器补偿度K=60%时仿真结果距首端距离/km故障位置 020406590110130线路首端1.061.091.071.091.071.041.00线路中点0.991.041.091.161.181.151.10线路末端0.940.991.001.031.071.091.12 表2电抗器补偿度K=80%时仿真结果 距首端距离/km 故障位置020406590110130线路首端1.011.011.031.031.031.010.99线路中点0.910.930.960.991.031.061.09线路末端0.940.991.041.121.131.101.043.2仅线路末端接并联电抗器 电抗器补偿度K=60% 表3电抗器补偿度K=60%时仿真结果 距首端距离/km 故障位置020406590110130线路首端1.121.101.101.071.041.000.91线路中点1.001.041.091.121.091.040.96线路末端0.970.991.001.011.000.990.96 电抗器补偿度K=80% 表4电抗器补偿度K=80%时仿真结果距首端距离/km故障位置020406590110130线路首端1.101.091.061.030.990.930.84线路中点0.991.011.041.071.030.970.88线路末端0.960.960.970.960.960.930.88- 11 -3.3线路首末两端均并联电抗器 电抗器补偿度K=60%表5电抗器补偿度K=60%时仿真结果 距首端距离/km故障位置020406590110130线路首端1.091.091.091.091.061.030.99线路中点0.991.031.091.151.131.101.04线路末端0.940.971.001.011.031.041.06 电抗器补偿度K=80%表6电抗器补偿度K=80%时仿真结果距首端距离/km故障位置020406590110130线路首端1.061.061.061.031.010.990.93线路中点0.961.001.061.091.091.040.99线路末端0.930.940.970.990.990.990.993.4线路首末两端及开关站处均并联电抗器 电抗器补偿度K=60%表7电抗器补偿度K=60%时仿真结果 距首端距离/km故障位置020406590110130线路首端1.091.091.071.061.031.010.97线路中点0.971.011.061.101.081.061.01线路末端0.940.970.981.001.011.021.05 电抗器补偿度K=80% 表8电抗器补偿度K=80%时仿真结果 距首端距离/km 故障位置020406590110130线路首端1.061.051.041.000.980.950.91线路中点0.940.991.011.031.020.990.95线路末端0.930.930.960.960.960.960.98若不接并联电抗器，则在健全相上将产生严重的工频过电压，在并联上电抗器后过电压得到了明显的抑制，且并联电抗器补偿度越高，限压效果越好。同一补偿度，同一故障位置下，线路首末两端及开关站处并联电抗器时，限压效果较好。所以从限压和无功平衡的角度考虑，线路首末两端及开关站处均并联电抗器的方案较好。4 结论在整个论文设计的过程中我学到了做任何事情所要有的态度和心态，首先我明白了工频过电压相关知识，对于出现的线路甩负荷效应任何问题和偏差都不要轻视，通过正确的途径去解决。在工作中要非常多的专业知识，认真听取别人的意见，这样做起事情来就可以事倍功半。论文的顺利完成，首先我要感谢我的指导老师高金兰老师以及周围同学朋友的帮助，感谢他们提出宝贵的意见和建议。另外，要感谢在大学期间所有传授我知识的老师，是你们的悉心教导使我有了良好的专业课知识，这也是论文得以完