王会广论文答辩.ppt

第1页 变电站二次电缆宽频网络参数提取与暂态计算 导师 张重远姓名 王会广 第2页 提纲 第1章引言 第2章理论基础知识 第3章二次电缆二端口网络参数的计算与测量 第4章变电站传导干扰计算模型的建立与仿真 第5章结论与展望 第3页 第1章引言 1 1变电站电磁兼容问题 在电力系统运行时开关要经常操作 开关操作时 在高压母线上会产生复杂的瞬态电压和电流 并且在母线周围空间产生瞬态电磁场 这些瞬态电磁过程不仅幅值较高 而且包含的频率分量从几十kHz到上百MHz 这就会对变电站内工作的二次设备和系统产生电磁干扰 雷击高压母线也将对电站内二次设备产生电磁干扰 高压母线上的瞬态电磁过程主要通过以下几种途径对二次设备和系统产生电磁干扰 1 容性耦合 2 感性耦合 3 电磁场辐射 4 传导性耦合 第4页 本文研究瞬态信号经过PT和二次电缆后对二次设备引起的传导干扰 尽管在实验室可以应用频谱网络分析仪方便的测量出二次电缆网络参数 但在实际大型电站中 二次电缆从高压母线下的端子箱到控制室跨度很大 实际测量存在很多困难 因此 对二次电缆宽频网络的参数提取和暂态计算有非常重要的实际意义 同时 二次电缆网络参数的准确计算与提取对电力系统过电压在线监测也有重要的意义 对变电站内瞬态电磁环境进行实际测量是必不可少的 现在的测量系统很难得到令人满意的测量结果 而且测量的代价较大 重复性较差 通过数值计算预测变电站内的瞬态电磁环境就显得尤为重要 对气体绝缘变电站瞬态电磁环境进行数值预测 可以避免购置昂贵的测量设备 节约大量的资金 而且重复性很好 可以进行更加深入细致地研究 第5页 另外 数值预测可以在变电站未建成之前就进行 从而为设计人员提供必要的数据 直接为工程设计服务 可以使设计人员具有更加明确的设计目标 预测变电站内的瞬态电磁环境 对变电站内电磁兼容问题的研究具有非常重要的意义 第6页 1 2课题的研究现状 目前 二次电缆的宽频网络参数的计算方法有解析方法和数值方法两大类 通常一些解析方法被用来分析计算内外导体具有若干特定截面形状时的同轴线单位长度电容和特性阻抗 这些方法已经取得了很大成功 但对于不规物体 解析方法具有推导公式复杂 计算量大的缺点 因而诸多的提取方法在解析方法的基础上发展了数值方法 本文选用两根二次电缆作为研究对象 先计算其分布参数 然后转化为传输参数矩阵 另外 建立PT和二次电缆级联的传导干扰模型 计算出瞬态信号经过PT和二次电缆后 在二次电缆末端产生的电磁干扰 并用实验验证方法的有效性 第7页 1 3本论文的主要研究工作 本论文建立了一种传导干扰的数值计算模型 它能够计算通过PT和二次电缆的波对二次设备产生的电磁干扰 对变电站电磁兼容预测有重要的应用价值 在实验室仿真 选用了信号发生器 浪涌发生器和陡波发生器来模拟变电站内的干扰电压 对该模型进行了实验验证 本论文的主要工作如下 1 测量了油PT和四芯 八芯二次电缆的散射参数 2 计算了四芯电缆的分布参数 由于解析法和有限元法计算精度相当 且解析法运用灵活 因此用解析法计算八芯电缆的分布参数 通过矩阵变换得到二次电缆的传输参数矩阵 近而得到二次电缆二端口的传递函数 利用矢量匹配法对其频域形式进行有理函数拟合 第8页 3 为了验证二次电缆宽频传递特性 用信号发生器 浪涌发生器和陡波发生器进行时域测量 将一次侧的测量电压与以上拟合的传递函数时域形式进行递归卷积运算 运算结果与二次侧测量电压进行对比 验证计算模型的正确性及可行性 4 将散射参数转化为传递函数 用散射参数测量法建立PT端口模型和验证二次电缆分布参数计算的正确性 建立传导干扰模型 并对其进行了时域测量 第9页 第2章散射参数的测量 应用Agilent4395A网络 频谱 阻抗分析仪分别对型号为JDJ 1010kV 100V油浸式单相电压互感器和型号为KVVP2 224 2 5mm2和KVVP2 228 1 5mm2的散射参数进行测量 Agilent4395A网络 频谱 阻抗分析仪实物图如图2 1所示 PT散射参数测量接线图和实物图分别如图2 2 2 3所示 图2 2PT散射参数测量接线图 图2 1网络 频谱 阻抗分析仪 图2 3PT 第10页 2 1电压互感器散射参数的测量 a S11幅频特性和相频特性 b S12幅频特性和相频特性 c S21幅频特性和相频特性 d S22幅频特性和相频特性 图2 4PT散射参数 对PT散射参数测量范围为100Hz 20MHz 测量结果如图2 4所示 第11页 图2 5四芯电缆结构图 四芯电缆 长度1 65米 芯线直径为1 8mm 聚氯乙烯绝缘层厚度为0 8mm 铜带屏蔽层厚度为0 1mm 内层聚氯乙烯护套厚度为0 64mm 钢带铠装厚度为0 20mm 外层聚氯乙烯护套厚度为1 51mm 2 2四芯电缆散射参数的测量 图2 6四芯电缆实物图 第12页 b S12幅频特性和相频特性 a S11幅频特性和相频特性 c S21幅频特性和相频特性 d S22幅频特性和相频特性 图2 7四芯电缆散射参数 对四芯电缆散射参数测量范围为100Hz 10MHz 测量结果如图2 7所示 第13页 八芯电缆 长度为5 9米 芯线直径为1 4mm 聚氯乙烯绝缘层厚度为0 7mm 铜带屏蔽层厚度为0 1mm 内层聚氯乙烯护套厚度为0 86mm 钢带铠装厚度为0 20mm 外层聚氯乙烯护套厚度为1 83mm 图2 8八芯电缆结构图 2 3八芯电缆散射参数的测量 图2 9八芯电缆实物图 第14页 a S11幅频特性和相频特性 b S12幅频特性和相频特性 c S21幅频特性和相频特性 d S22幅频特性和相频特性 对八芯电缆散射参数测量范围为100Hz 50MHz 测量结果如图2 10所示 图2 10八芯电缆散射参数 第15页 3 1二次电缆分布参数的计算 3 1 1有限元法计算四芯电缆 根据二次电缆实际结构 利用AnsoftMaxwell12 2建立模型 根据软件计算步骤对其进行网格划分 计算四芯电缆的分布参数 单位长电阻和电感计算结果如图3 1 3 2所示 图3 1电阻参数曲线 图3 2电感参数曲线 用静电场求解器求得电容值为54 8pF m 电导为427 4uS m 第3章二次电缆二端口网络参数的计算与测量 第16页 其中rw为导线芯半径 为导体的电导率 为导体的磁导率 f为对应的频率 3 1 2解析公式法 电阻参数低频或直流时 电流在导体内部均匀分布 单位长导体电阻由公式Rl 1 S求得 但在高频时 导体显现出明显的集肤效应 本公式不再适用 必须考虑集肤效应 临界频率由公式rw 2 确定 即单位长度导体电阻公式为 为导体的透入深度 3 1 第17页 电感参数 将电感参数分为两部分内电感外电感 rs为屏蔽层半径 di为第i根导体与屏蔽层中心的距离 i为i导体中心与屏蔽层中心连线和j导体中心与屏蔽层中心连线的夹角 3 2 3 3 第18页 电容参数 由单位长度的电容矩阵C和电感矩阵Lo的基本关系 可得C的表达式为 电导参数 分布电导参数矩阵G是根据绝缘材料的容性损耗得到的 与工作频率f 电容参数矩阵C以及损耗因数tan 有关 其表达式为 聚氯乙烯的损耗因数tan 0 05 3 4 3 5 第19页 分别为传输线的单位长电感 单位长电容 单位长电导和单位长电阻 可通过解析法和有限元数值计算方法获得 3 2二次电缆二端口网络参数提取 将二次电缆等值为传输线 其电报方程的相量形式为 设 则电报方程的解为 3 6 3 7 根据上节计算得到的二次电缆单位长分布参数 可以得到二次电缆二端口的网络参数 方法如下 第20页 解得 3 8 3 9 第21页 3 3计算参数的实验验证 其中 分别为端口网络端口一和端口二的参考阻抗 散射参数向传输参数矩阵转化 可以由式 3 10 实现 3 10 将四芯电缆有限元计算结果和解析计算结果转化的传输参数与散射参数测量转化的传输参数对比 结果如图3 3 3 4所示 第22页 3 3 1四芯电缆参数的实验验证 有限元法 a A s 参数 b B s 参数 c C s 参数 d D s 参数 图3 3有限元计算与测量结果对比 第23页 3 3 2四芯电缆参数的实验验证 解析法 a A s 参数 b B s 参数 c C s 参数 d D s 参数 图3 4解析计算与测量结果对比 第24页 由图3 3和3 4可以看出 解析法和有限元法都可以准确地计算出二次电缆分布参数 且计算精度相当 由于解析法简单快捷 下面用解析法对八芯电缆分布参数进行计算 第25页 3 3 3八芯电缆参数的实验验证 a A s 参数 b B s 参数 c C s 参数 d D s 参数 图3 5解析计算与测量结果对比 第26页 b 相频特性曲线 a 幅频特性曲线 图3 6八芯电缆传递函数曲线 计算传导干扰利用的是二次电缆的传递函数 二次电缆传递函数解析计算结果与测量结果比较如图3 6所示 第27页 利用二次电缆一次侧电压信号及其网络参数求解二次侧电压 我们采用的是递归卷积方法 在进行计算的过程中 首先要得到二次电缆连续的频域传递函数 而用计算得到的传递函数也是离散数据 为了获得连续频率对应的连续的电压传递函数H s 我们要对电压传递函数进行有理函数逼近 本文采用矢量匹配法对电压传递函数H s 进行有理拟合 3 4矢量匹配拟合 用有理函数近似拟合频率响应H s 则其部分分式和的形式为 式中 常数项d和e可选择 ci和ai分别为留数和极点 是实数或共轭复数对 拟合时 选择d 0 e 0 即拟合函数的分子与分母的阶数相同 初始极点选择对数分布 另外 为了保证拟合结果的稳定性 选择极点全部位于复平面的左半平面 3 11 第28页 四芯电缆传递函数拟合结果 八芯电缆传递函数拟合结果 a 幅频特性曲线 b 相频特性曲线 a 幅频特性曲线 b 相频特性曲线 图3 7四芯电缆传递函数拟合曲线 图3 8八芯电缆传递函数拟合曲线 第29页 3 5二次电缆宽频传输特性 分别采用Agilent33220A20MHz函数 任意波形发生器 EVERFINEEMS61000 5A雷击浪涌发生器和GMY 1毫微秒高压脉冲源三种信号源作为瞬态信号施加在二次电缆一侧 用AgilentTechnologiesDSO5034A四通道示波器同时测量二次电缆首端 末端的电压波形 通过电缆一次侧电压波形与计算的电压传递函数进行递归卷积运算 与二次侧实测进行对比 验证计算模型的正确性 测量原理图及实物图分别如图3 9 3 10所示 图3 9时域测量原理图 图3 10四芯电缆时域测量实物图 第30页 3 5 1递归卷积算法 对于任意一个激励 我们求它在时域内的响应 只需要将激励和系统的单位冲击响应在时域内进行卷积运算即可 即 对矢量匹配拟合得到的有理函数式 3 11 进行反拉普拉斯变换 得到其时域形式为 3 12 3 13 式 3 13 中 为数值拟合的极点 为留数 d和e为常数 对拟合得到的电压传输参数 和测量得到的时域一次电压 进行时域递归卷积既可得到 其计算公式如下 3 14 第31页 3 5 2信号发生器的时域测量与计算 四芯电缆时域测量结果如图3 11所示 a 一次侧波形 b 二次侧测量波形及计算波形 c 局部放大图 图3 11四芯电缆时域测量 第32页 a 一次侧波形 b 二次侧测量及计算波形 c 局部放大图 八芯电缆时域测量结果如图3 12所示 图3 12八芯电缆时域测量 第33页 3 5 3浪涌发生器的时域测量与计算 c 局部放大图 b 二次侧测量及计算波形 a 一次侧波形 四芯电缆时域测量结果如图3 13所示 图3 13四芯电缆时域测量 第34页 a 一次侧波形 b 二次侧测量及计算波形 c 局部放大图 八芯电缆时域测量结果如图3 14所示 图3 14八芯电缆时域测量 第35页 3 5 4毫微秒脉冲源的时域测量与计算 由于毫微秒脉冲源信号的频率较高 因此四芯电缆传递函数计算至100MHz 波形曲线如图3 15所示 a 幅频特性曲线 b 相频特性曲线 图3 15四芯电缆传递函数 第36页 a 一次侧波形 b 二次侧测量及计算波形 图3 16四芯电缆时域测量 利用传递函数与图3 16a 波形进行递归卷积运算 计算结果与测量结果对比 如图3 16b 所示 从图3 16可以看出 计算结果较测量结果衰减较慢 可能是由于电缆参数计算不够精确所致 第37页 由于毫微秒脉冲源信号的频率较高 因此八芯电缆传递函数也计算至100MHz 波形曲线如图3 17所示 a 幅频特性曲线 b 相频特性曲线 图3 17八芯电缆传递函数 第38页 a 一次侧波形 b 二次侧测量及计算波形 图3 18八芯电缆时域测量 利用传递函数与图3 18a 波形进行递归卷积运算 计算结果与测量结果对比 如图3 18b 所示 从图3 18可以看出 计算结果较测量结果衰减较慢 可能是由于电缆参数计算不够精确所致 另外 从图3 11 3 18可以看出 二次电缆在计算过程中可以看作是1 1的传输线 第39页 3 6长电缆暂态计算 由于现场电缆较长 对其网络参数测量存在很大困难 计算结果较为准确 因此本文计算100米长四芯电缆的传递函数 如图3 19所示 a 幅频特性曲线 b 相频特性曲线 图3 19四芯电缆传递函数 第40页 a 计算波形及测量波形 b 局部放大图 由于电缆可以看作1 1的传输线 在四芯电缆一侧施加浪涌信号 与其传递函数进行递归卷积运算 与一次侧信号对比 对比结果如图3 20所示 图3 20四芯电缆时域测量 从图3 20看到 计算结果产生很多振荡 为了消除振荡 在电缆末端添加匹配电阻 原理图如图3 21所示 第41页 a 计算波形及测量波形 b 局部放大图 图3 21匹配电阻示意图 由于以上所加信号源是雷电过电压 因此选1MHz时电缆的波阻抗加以匹配 将匹配电阻的原来的二次电缆看成一个二端口网络 经计算 1MHz时电缆的波阻抗为80 1876 图3 22四芯电缆时域测量 第42页 对于100米八芯电缆末端加匹配电阻计算结果与测量结果 如图3 23所示 a 计算波形及测量波形 b 局部放大图 图3 23八芯电缆时域测量 由图3 22和3 23可以看出 二次侧计算波形相对一次侧测量波形出现了延迟效应 可能是由于波在电缆中传播造成的 第43页 因波在电缆上传播波速约为2 108m s 而电缆长度为400m 故传播时间约为2 10 6s 从上图可以看出 二次侧计算波形相对于一次侧波形延迟约2 10 6s 验证了计算方法的正确性 a 计算及测量波形 b 局部放大图 对于400米四芯电缆末端加匹配电阻计算结果与测量结果 如图3 24所示 图3 24八芯电缆时域测量 第44页 第4章变电站传导干扰计算模型的建立与仿真 4 1电压互感器传递函数模型的建立 由测量的PT散射参数 根据式 3 10 可以得到PT的传输参数矩阵 各传输参数幅频特性和相频特性曲线如图4 1所示 其中上半图表示幅频特性曲线 下半图表示相频特性曲线 A s 参数 B s 参数 C s 参数 D s 参数 图4 1PT传输参数曲线 第45页 4 2PT传递函数的有理函数拟合 采用矢量匹配法对PT传递函数进行有理拟合 拟合结果如图4 2所示 a 幅频特性曲线 b 相频特性曲线 图4 2PT传递函数拟合曲线 第46页 4 3时域测量及模型验证 a 一次侧波形 b 二次侧测量及计算波形 在PT一次侧施加信号发生器信号 模拟雷电过电压信号 测量及计算结果如图4 3所示 图4 3PT时域测量波形一 从图4 3可以看出 计算结果与测量结果是比较吻合的 第47页 a 一次侧波形 b 二次侧测量及计算波形 在PT一次侧施加浪涌发生器信号 模拟雷电过电压信号 测量及计算结果如图4 4所示 图4 4PT时域测量波形二 从图4 4可以看出 计算结果与测量结果是比较吻合的 第48页 a 一次侧波形 b 二次侧测量及计算波形 在PT一次侧施加毫微秒信号 模拟特快速暂态过电压信号 测量及计算结果如图4 5所示 图4 5PT时域测量波形三 图4 5中 计算结果与测量结果虽然幅值能够吻合 但波形吻合效果不如图4 3 4 4 可能是PT散射参数测量频率范围太窄导致 第49页 4 4传导干扰的传输参数模型的建立 将PT和二次电缆级联 建立传导干扰传输参数模型 如图4 6所示 图4 6级联的传导干扰模型 4 1 4 2 4 3 根据式 3 14 即可计算出u3 t 第50页 4 5传递函数的有理函数拟合 采用矢量匹配法对传导干扰模型传递函数进行有理拟合 拟合结果如图4 7所示 a 幅频特性曲线 b 相频特性曲线 图4 7传导干扰模型的传递函数拟合曲线 第51页 4 6传导干扰的仿真计算 在PT一次侧施加浪涌发生器信号 模拟雷电过电压信号 测量及计算结果如图4 8所示 a 一次侧波形 b 二次侧测量及计算波形 图4 8传导干扰模型时域测量波形一 从图4 8可以看出 计算结果与测量结果吻合较好 第52页 在PT一次侧施加陡波发生器信号 模拟特快速暂态过电压信号 测量及计算结果如下所示 a 一次侧波形 b 二次侧及计算波形 图4 9传导干扰模型时域测量波形二 从图4 9可以看出 计算结果与测量结果吻合不理想 可能是由于PT散射参数测量频率较窄导致 第53页 第5章结论与展望 本文结合 中央高校基本科研业务费专项资金 资助项目 重点研究了变电站用二次电缆的宽频网络参数的数值计算方法和在雷电过电压及