500kV变电站避雷器对绕击雷防雷效果的分析.doc

500kV变电站避雷器对绕击雷防雷效果的分析院 系：机电与自动化学院专 业 班：电气1005班姓 名：XXXXXXX学 号：XXXXXXXXXXXXX指导教师：范冕 2014年5月(本论文没有做出任何成果，最后的“3.3 绕击侵入波的建模和仿真结果”是乱编的研究结果。本人渴望得到答案，但苦于身边没有好的老师，希望能在网络上得到广大专家的指导，本人不胜感激，邮箱为，2014年7月1日发)（论文格式不符合华中科技大学武昌分校毕业论文格式，请勿参考）课题目标简介：随着500kV输电线路的建设和发展，如何提高500kV变电站安全可靠性的课题日益成为我国坚强电网的建设中的关键技术所在。根据前苏联、美国和加拿大电网运行部门的统计数据，大多数500kV变电站的侵入波跳闸事故都是由于雷电直接绕击于变电站近区输电线路引起。而目前，最有效的防止绕击跳闸的措施就是在变电站的变压器侧和线路出线侧安装避雷器（特别是建在山区的变电站），因此如何设计和配置避雷器的安装就成为变电站设计研究的重要课题。本课题通过仿真计算分析当雷绕击于500kV变电站近区输电线路（出线第一基杆塔）时，变电站按一线一变方式运行的情况下，不同的避雷器设计方案对500kV变电站变压器的保护效果。研究中，通过改变避雷器与变压器之间的距离，得到相应条件下绕击时变压器侧的过电压水平。并归纳得到绕击时变压器侧过电压水平与避雷器安装距离（与主变的距离）的关系曲线。该曲线反映了绕击时避雷器对主变的保护距离范围，可为500kV变电站初设时的绝缘配置方案提供有效的理论支持。500kV变电站避雷器对绕击雷防雷效果的分析Analysis on Surround Thunder-Struck Protection Effect of Arrester in the 500kV Substation目 录 摘要 1Abstract 2绪论 31 雷电侵入波下的线路研究81.1 雷电发展过程81.2 电气几何模型和出线第一基杆塔81.3 雷击相线的等值电路111.4 贝杰龙法在单导线波过程中的应用122 变电所内的一次部分 152.1 变电所主接线和运行方式 152.2 变压器 162.3 电流互感器 182.4 电容式电压互感器 202.5 断路器与隔离开关 222.6 金属氧化物避雷器 222.7 变电所布置型式 233 绕击侵入波的仿真研究 243.1 课题内容及研究结果 243.2 EMTP-ATP与ATPDraw简介 243.3 绕击侵入波的建模和仿真结果 26结论 28致谢 29参考文献 30摘要 500kV变电所是电力系统的枢纽点，在电网中占有重要的地位。一旦500kV变电所停电，将引起整个电力系统解列。数千公里的超高压线路，分布在广阔的地面上，极易遭受雷击。根据前苏联、美国和加拿大电网运行部门的统计数据，大多数500kV变电站的侵入波跳闸事故都是由于雷电直接绕击于变电站近区输电线路引起。本文研究的就是避雷器安装距离对绕击雷防雷效果的分析。 研究该课题需要建立雷电流源的模型，线路模型，变压器模型，电流互感器模型，电容式电压互感器模型，断路器模型，隔离开关模型和避雷器模型。假设变电所没有处于带电运行状态，其中变压器低压绕组是开路的，让雷电流源并在线路上，雷电波通过线路及设备到达变压器的高压绕组。仿真模型中各节点之间的距离按照典型设计来取。在ATP-Draw建立变电所的仿真模型，通过改变变压器侧避雷器与变压器的距离，在变压器侧得到不同的过电压波形，作出该波形幅值与安装距离的关系曲线。关键词：500kV变电所 绕击雷 ATP-DrawAbstract500kV substation is a pivot point of power system, which have important status in the grid. In case the 500kV substation have a power failure, power system will parallel off. The EHV lines, whose length is several thousands,are scattered all over the grounds and have a high risk of being struck by lighting. Statistic data from Soviet Russia,America and Canada electric grid departments shows most of trip-out accident occurred in the 500kV substation is owing to that lighting strick the transmission lines near the substation. This paper conduct the study on the influence of surround thunder-struck by changing installing distance of the arrester.Study of this research topic need to establish lighting model, transmission lines model, transformer model, current transformer model,capacitive voltage transformer model,circuit breaker model,disconnecting switch model,arrester model.Suppose the substation isnt charged and the low voltage winding of transformer is open-circuit, lighting current source is in parallel,lighting wave arrives in the high voltage winding of transformer through the lines and electric installations.The distance between every node in the simulation model is decided by the typical design.Using ATP-Draw to establish simulation model of substation,overvoltage wave will be available on the transformer side by changing installing distance of the arrester, then draw the curve of the wave peak to installing distance.Key words: 500kV substation surround thunder-struck ATP-Draw绪 论（1） 选题背景和意义20世纪80年代初，第一条500kV平武工程首次在华中电网建成，随后东北、华北、华东等大区电网也相继建设了多条500kV线路。到2000年的时候，我国已经建成的华中、华东、华北、东北四大电网，都是以500kV网络作为其主干网络，而广东、广西、山东等省的500kV电网也初具规模，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500kV输变电设备容量将超过1000万kVA，而且西南地区水力资源富集，还有很强的发展后劲1。由于500kV变电所一般汇集多个电源，连接电力系统的高压和中压的几个部分，所以全站一旦停电，将引起整个电力系统解列。变电所出现事故的原因，有一部分是遭受到雷害。雷电按照危害方式可分为直击雷、感应雷、雷电侵入波和球雷等。对于变电所遭受到直击雷，可采用避雷针或避雷线进行预防；对于变电所遭受雷电侵入波，目前最有效的方法是在变电站的变压器侧和线路出线侧安装避雷器。因为现在的电力系统中高压架空输电线路纵横交错，广泛分布在广阔的地面上，更容易遭受到雷击，所以变电所更容易遭受雷电侵入波。因为根据前苏联、美国和加拿大电网运行部门的统计数据，大多数500kV变电站的侵入波跳闸事故都是由于雷电直接绕击于变电站近区输电线路引起，所以本课题选择研究变电所遭受雷害的一种绕击雷。考虑到变压器侧避雷器安装距离对变电所遭受雷电侵入波时的变压器侧电压有一定的影响，所以本课题将研究怎么布置500kV变电所里的避雷器，才能使绕击雷防雷效果最好。（2） 国内外发展概况关于该部分的内容，本文决定研究两个方面的发展概况，一个是关于绕击的研究，另一个是关于避雷器的发展。下面先研究绕击的国内外发展概况。前苏联和在分析35220 kV线路运行数据后，得到绕击率与保护角之间的关系，两人分别在1949年和1958年提出了绕击率与避雷线的保护角之间的函数关系，如下: 式中，为绕击率，为避雷线的保护角，单位为（）。进一步总结运行经验，发现绕击率与杆塔高度有关，：于是在1961年又提出了与杆塔高度有关的绕击率计算公式2：我国研究人员充分考虑了110220 kV线路运行数据，进一步提出下列两个分别计算平原和山区区域绕击率的公式：对于平原线路 对于山区线路 这些公式已列入我国标准中。还要注意的是，仅考虑绕击率是没用的，还要考虑绕击闪络是否发生，而临界屏蔽角的提出可用来分析单个杆塔发生绕击闪络的可能性。现用Gilman和Whitehead（1973）提出的模型来得到临界屏蔽角的公式3，模型如图0-1所示。图0-1 Gilman和Whitehead（1973）提出的模型引起闪络的临界电流幅值可从下式得到其中为临界雷电流幅值，单位为kA，为绝缘的临界闪络电压，为有屏蔽线时的导线的波阻抗。再由击距公式得到得到临界击距，击距公式为对于给定击距，当屏蔽角减少到平均临界值时，暴露弧线降为0，可推导到其中为平均倾角，、为校正系数，为导线与屏蔽线之间的平均距离。将由实际杆塔算出的临界屏蔽角与实际屏蔽角进行比较，可以得到绕击闪络是否容易发生。下面再研究避雷器的发展过程4。最早使用的避雷器是一个放电间隙。当雷电经电力线路作用在电气设备上的时候，电气设备的绝缘往往受不了这种过高的冲击电压而损坏，如图0-2（a）所示。如果在电气设备的附近安装一个耐压等级比设备绝缘低一点的放电间隙，由于间隙先放电，就使设备绝缘得到保护，如图0-2（b）所示。保护间隙结构简单，制造方便。然而由于一般保护间隙的电场属于极不均匀电场，因此它的伏秒特性曲线比较陡，与被保护设备的冲击放电特性配合不理想，即两条伏秒特性曲线带易相交，在放电时间很短的时候，被保护设备有可能先被击穿，如图0-3。保护间隙动作后还会出现对绝缘不利的截波。保护间隙还具有另一个重要的缺点，就是熄弧能力差。 a） b） 图0-3 保护间隙（）与被图0-2 保护间隙 保护设备（）的伏秒特性曲线1927年，美国一些线路开始采用在管内产生非游离气体以遮断续流的管型避雷器。这种避雷器是一种具有较高熄弧能力的保护间隙。如图0-4所示，它由两个间隙相互串联，一个在大气中称为外间隙，其作用是隔离工作电压，另一个间隙装置在产气管里，称为内间隙，其电极一端是棒形，另一端是环形。当排气式避雷器受到雷电波入侵时，内外间隙同时击穿，雷电流经间隙流入大地，过电压消失后，流过间隙的工频续流就是管型避雷器安装处的短路电流。工频续流电弧的高温使管内产气材料分解出大量气体，向开口端（管型避雷器一端堵死，另一端是敞开的，敞开口处用纱布暴扣，防止虫子飞入将管内的灭弧间隙短路）的排气孔喷出，形成纵吹，能自动将电弧熄灭。管型避雷器的熄弧能力虽然比保护间隙要强，但它具有一些与保护间隙同样的缺点，那就是伏秒特性较陡且放电分散性较大，不易与被保护电气设备实现合理的绝缘配合。同时，管型避雷器切断冲击电压的速度太快，从最大值一下子降低到零以下，产生幅值变化很大的截断波，不利于变压器的纵绝缘，容易把变压器线圈的匝与匝之间的绝缘或者线盘与线盘之间的绝缘损坏，因此不能用于保护变电所，只能在线路和配电系统中使用。1-产气管；2-棒形电极；3-环形电极4-导线；-内间隙；-外间隙图0-4 管型避雷器 1907年到1920年，发明了氧化铝与氧化铅电阻器来代替多间隙串并联线性电阻，这是阀式避雷器的原型。1930年到1940年，发明了碳化硅非线性电阻片，使阀式避雷器有了质的变化，登上了一个新的台阶。研究和开发SiC R实际上是1923年开始的。在人们不断努力下，SiC R的配方和烧结工艺不断地改善，SiC R的冲击通流能力不断提高。阀式避雷器分为普通型和磁吹型两大类。普通型阀式避雷器是由火花间隙和非线性电阻两个基本部件组成，间隙结构如图0-5所示。由于间隙各电极对地和对高压端有寄生电容的存在，故电压在间隙上的分布是不均匀的，所以要在每组间隙上并联一个分路电阻，如图0-6所示。阀型避雷器不仅能使间隙熄弧，而且克服了管型避雷器的缺点，即能减少截断波幅值。而且由于采用了电场比较均匀的间隙，因此其伏秒特性曲线较平，放电分散性较小。 1-黄铜电极；2-云母垫圈 图0-6 普通型阀式避雷器的结构原理图0-5 单个火花间隙 ZnO避雷器是从日本松下电器于1968年首先开始研制成功后，在世界迅速发展起来的新一代避雷器，通常称其为金属氧化物避雷器（MOA）。由于它具有优异的保护等特性，因而被视为当今国际上最好的过电压保护装置。在近20年间几乎全部取代了老型的SiC避雷器。ZnO避雷器结构简单，仅由相应数量的氧化锌阀片密封在瓷套内组成，由于在工作电压下，氧化锌阀片实际上就相当于绝缘体，所以该避雷器没有必要串联间隙。1 雷电侵入波下的线路研究1.1 雷电发展过程 雷云带有大量的电荷，由于静电感应作用，大地会感应出与雷云极性相反的电荷，于是雷云与大地之间就形成了电场。大量的实测表明，90%左右的雷云是负极性的。刚开始放电时，从云间产生的主崩向大地运动，在云层附近的空间留下很多正电荷。主崩向下运动时，会受到场强迅速减小的影响，主崩速度变慢，在大气中形成负离子，形成负离子时会放出光子，光子射到云间附近区域会电离出光电子，因为局部强场，所以光电子极易形成二次电子崩。二次电子崩在向下运动的过程会跟主崩一样，在空间某处形成负离子，又产生新的二次电子崩。负离子被电场里驱使而向大地运动，由于负离子的形成和运动，使雷电通道的延伸不是连续的，而是一步一步的5。电子崩下窜的速度可高达1/6光速，每一步只窜进约50m，接着停止约60s，然后又往下窜，这样形成的通道叫梯级先导6。下行负先导的前端接近地面时，会从地面上引起一次火花放电，该火花叫迎面先导。这是雷电放电的第一个阶段先导放电。当下行负先导头部接近迎面先导头部时，他们之间产生极大的场强，电离出来的电子迅速留入迎面先导中，于是形成了雷电流的波前，而留下来的正离子吸引下行先导头部的负离子，使其沿着迎面先导通道向大地泄放，这个过程会从地面一直发展到云间，于是形成了雷电流的下降部分。这是雷电放电的第二个阶段主放电。在主放电结束后，云中残余电荷经过主放电通道流向大地，电流大小大约几百安培，持续时间较长，为30ms150ms,上述就是雷电放电的第三个阶段余辉放电。雷电的第一次放电结束后，后面会出现第二次，第三次放电，所以雷电具有重复性。这种后续分量的先导称为箭形先导。1.2 电气几何模型和出线第一基杆塔（1） 电气几何模型电气几何模型是将雷电的放电特性与线路的结构尺寸联系起来而建立的一种几何分析模型。其基本原理是建立在下列基本概念和假设基础上的7： 当下行负先导头部达到被击物体的击距以内，才会对该物体放电。 不考虑雷击目的物形状等因素对击距的影响，只认为击距的大小与雷电流的大小有关。根据理论研究和实验，击距与雷电流幅值有如下关系： （1-1）其中代表击距，单位是m；表示雷电流幅值，单位是kA；,是两个常数，不同的研究者给出的数值相差较大。假设一个杆塔立在水平面上，如图1-1所示，则它对应的电气几何模型为图1-2所示。图1-2的建立方法是以为半径，分别以避雷线和外相导线为圆心做圆弧和（=1，2，3），两圆弧交于点，又在离地面距离处作一与地面平行的线，与弧交于。 图1-1 一个立在水平面的杆塔 图1-2 电气几何模型若先导头部落入弧面，则击向导线，即避雷线的屏蔽保护失效而发生绕击，称为暴露弧。若先导头部进入弧面，放电将击向避雷线，使导线得到保护，故称为保护弧。若先导头部进入平面，则击向大地，故平面称为大地捕雷面。可以看到，当雷电流幅值越大时，保护弧的长度变为0，雷电将不再击中导线，只能击在屏蔽线或者地面上。为了求得这个最大绕击电流，必须得到最大击距的大小。将时的电气几何模型绘制如图1-3所示，可以求得： （1-2）式子中的各字母标注在图1-3中。把得到的最大击距代入式（1-1）中，可以得到最大绕击电流。（2） 出线第一基杆塔出线第一基杆塔是指靠近变电所的第一座杆塔，即终端杆塔。它一端连接在变电所内的龙门架上。由于龙门架结构强度很小，且出线又多，受单侧张力较大，所以终端档距不宜过长，一般为60100m，且导地线在放线时常使用松弛应力，终端杆在线路侧张力要大大超过变电站那一侧的张力，所以终端杆塔是一种承受单侧张力的耐张杆塔，图1-4为500kV长久线01#耐张塔，该塔后面即为长子1000千伏特高压变电站。 图1-3 时的电气几何模型 图1-4 500kV长久线01#耐张塔1.3 雷击相线的等值电路本课题是假设雷电击中出线第一基杆塔的相线上，如图1-5所示。当先导头部与导线上发出的迎面先导相遇时，主放电即开始，此时将有大量的正、负电荷沿着先导通道逆向运动，并使其中来自雷云的负电荷中和，同时雷电流从雷击点向导线两边流过。雷电可以用雷电流源和雷电通道的波阻抗并联在一起来模拟，让其一端接地，另一端与雷击点相连的，如图1-6中的和，图中表示的是相线的波阻抗。图1-6其实是雷电击中相线的等值电路，对其用彼德逊法则，可得流过导体的电流为： （1-3） 图1-5 雷直击相线 图1-6 雷电击中相线的等值电路雷电冲击电压的标准波形如图1-7所示，它是由雷电流和雷电通道的波阻抗相乘得到，其波前时间为1.2s，半峰值时间为50s。峰值为由1.2节的电气几何模型得到的最大绕击电流与雷电通道的波阻抗的乘积。图1-7 雷电冲击电压的标准波形1.4 贝杰龙法在单导线波过程中的应用8图1-8为单导线大地等值电路，其中是单位长度导线的电阻；为单位长度导线的电感；为单位长度导线对地电阻；为单位长度导线对地电容。图1-8 单导线的等值电路由图1-8可得到下列方程组： （1-4）对式（1-4）作关于t的拉氏变换，则有： （1-5）再对式（1-5）中的第一个式子求x的偏导，可得如下式子： （1-6）式（1-6）为微分方程，其解是： （1-7）其中，由式（1-4）可得： （1-8）其中。若不考虑，则有： （1-9）再作拉氏逆变换，可得到： （1-10）其中,。式（1-10）表明，线路上任一点在任何时刻的电压，都是由前行波和反行波电压叠加而成，同样任何一点的电流也是由前行波和反行波电流叠加而成。电压波和电流波可以通过波阻抗相连。 式（1-10）可以求的和，如下： （1-11）当为定值时，即在任意时刻，线路上对应点会满足不变。图1-9是一条单导线，k点有电压，电流，m点有电压，电流，线路长为，会有下式成立： （1-12）其中，整理可得m点的电流为： （1-13）其中，叫做等值历史电流源，由式（1-13）可作出等值电路，如图1-10（a）所示。依此类推，由式（1-12）还可以推出k点的电流是： （1-14）其中，由式（1-14）可作出等值电路，如图1-10（b）所示。以贝杰龙等效电路模拟电力系统的输电线，对电涌现象进行分析的方法，就是所谓的贝杰龙法。它被用在EMTP等的数值计算程序中。 图1-9 单导线a） b）图1-10 贝杰龙等效电路2 变电所内的一次部分2.1 变电所主接线和运行方式 在选择变电所主接线时，由于电压等级是500kV，参考葛洲坝大江电厂，选用3/2接线，每串均作交叉配置，即一串的2回线路中，一回是电源或进线，另一回是负荷或出线，具体如图2-1所示。该接线采用交叉布置后，让两组母线和所有断路器都投入运行。此时当QF1出现故障时，出线可通过母线W2向外供电；当QF2出现故障时，出线可通过母线W1向外供电；当母线W1（或W2）出现故障时，出线可通过QF2向外供电。由此可见，该接线满足了N-1安全准则，所以具有较高的供电可靠性及运行灵活性。但3/2接线使用设备较多，特别是断路器和电流互感器，投资较大，二次控制接线和继电保护配置也比较复杂。图2-1 变电所电气主接线变电所的主接线是3/2接线，运行方式非常多，可以根据出线回数和投入运行的变压器台数分为一线一变、一线两变、一线三变、二线二变、二线三变等9，其中每一种又可以进行细分。根据本课题，只研究一线一变的运行方式。由于该类运行方式下还可以有很多运行方式，选择只有一台断路器运行的情况，如图2-2所示，易知该运行方式运行设备是最少的。在图2-2中，空心方块代表断开的断路器，实心方块代表合上的断路器。图2-2 一线一变运行方式2.2 变压器（1） 变压器的器身结构本课题中变电所内的变压器是三相的，且只有高压绕组和低压绕组，其结构如图2-3所示。图中套绕组的铁心称为心柱，不套绕组只起闭合磁路作用的部分称为铁轭。A，B，C三相的三个绕组分别放在三个铁心柱上，三个铁心柱由上、下两个铁轭连接起来，构成磁回路。绕组按高压线圈和低压线圈排列方式的不同，分为同心式和交叠式两种。我国生产的电力变压器，基本上都是心式变压器，绕组也都是同心式绕组，同心式绕组的高低压线圈也是同心地绕在心柱上。同心式绕组中的线圈有圆筒式、螺旋式、连续式、纠结式等10。由于课题的变电所电压等级是500kV,故选用广泛应用于66500kV变压器绕组的纠结式线圈，纠结式线圈的线匝布置顺序如图2-4所示。1-铁心柱 2-上铁轭 3-下铁轭 4-绕组图2-3 三相三铁心柱变压器的铁心和绕组图2-4 纠结式线圈的线匝布置顺序（2） 变压器的等值电路在分析波在变压器绕组中的传播过程，通常采用图2-5所示的等值电路。图2-5中是绕组单位长度的对地等值自电容，是绕组单位长度的等值纵向电容，是绕组单位长度的等值电感。由于直角波作用在图2-5所示的振荡回路的第一个瞬间，电感上不会有电流，可以视为开路，因此等值电路可以进一步简化为图2-6。图2-5 变压器绕组等值电路图2-6 t=0的瞬间变压器绕组的等效电路由图2-6可以推出： （2-1）解得： （2-2）其中，A，B值由，决定，因为高压绕组一端接地，所以, ，代入式（2-2）中，于是可以解得的表达式： （2-3）式（2-5）表示的是无穷长直角波到达绕组的瞬间（t=0）绕组上各点的对地电压分布，成为起始电压分布。试验表明，变压器绕组中的电磁振荡过程在10s以内尚未发展起来。在这期间，变压器绕组电感中电流很小，可以忽略，这样绕组电位分布仍与起始分布相近。等值电路没有了电感，可以用一个集中电容来表示，此集中电容称为变压器的入口电容。本课题中的变压器是三相的，由于高压侧的电压等级为500kV，所以其中性点是直接接地的。对于中性点直接接地的变压器，可以不考虑电磁感应，把三相变压器中的绕组当成是三个末端接地的独立绕组来分析。假设一个直角波沿着某一相输电线路向变压器传播时，变压器用入口电容等效，如图2-7所示，则可以列出下面的方程组： （2-4）其中为变压器的入口电容，单独对上式解，可以得到： （2-5）可以看出变压器上的电压是从0开始上升的。图2-7 直角波侵入用入口电容等效的变压器2.3 电流互感器电流互感器是一种可以测量一次线路电流的特殊变压器，她的原理接线如图2-8所示。在运行时，一次绕组与被测线路串联起来，而二次绕组接到测量仪表上，测量可以是安培表，也可以是功率表和电能表的电流线圈、继电器的低阻抗线圈等。高压电流互感器的二次侧应有一点接地。由于电流互感器的一次侧任意一点相对于地都是高电压，当一、二次线圈之间因绝缘损坏出现高压击穿时，将导致高压窜入低压侧。如二次线圈有一点接地，就会将高压引入大地，从而使二次线圈保持地电位，这样就能确保了人身及设备的安全。图2-8 电流互感器的原理接线图电流互感器的一次绕组可以是一段平直的铜条。二次绕组的额定电流规定是5A（或1A），因此，与它配套的电流表量程也都是5A（或1A）。由于接在电流互感器二次绕组上的仪表线圈上的阻抗是很小的，所以电流互感器相当于在二次侧短路下运行。本课题中的变电所电压等级是500kV，采用的主接线是3/2接线，易知，由于继电保护配置复杂，必定需要在一串中安装很多电流互感器，按照最简单的的设计来考虑，在一串中只安装三组电流互感器，安装位置如图2-9所示。图2-9 电流互感器的安装位置当雷电波侵入时，由于电流互感器长度和高度原因，其可以视为一个对地电容，让其一端接地，另一端与线路相连。这样就可以把电路中的电流互感器等效为图2-10所示的电路，其中是线路的波阻抗，并且假设入侵波是直角波。由图2-10可列出下列方程组： （2-6）单独解可以得到： （2-7） 从式（2-7）可知电容上的电压是从零开始上升的。图2-10 直角波侵入用对地电容等效的电流互感器2.4 电容式电压互感器电容式电压互感器是由电压分压单元和电磁单元两部分组成的，它的电气原理图如图2-11所示，通过电容分压器（由主电容和分压电容组成）获得系统电压的分压，再通过电磁单元（由中压变压器TM，补偿电抗器，阻尼器等组成）实现一次侧和二次侧的隔离和电压的变换。图2-11 电容式电压互感器的电气原理图假设没有补偿电抗器,那么由图2-11可列出下面方程： （2-8）将代入到式（2-8）中，整理得到： （2-9）当负载阻抗变化时，由于的存在，会使的幅值与的幅值之比发生变化，造成测量误差。补偿电抗器可以与相抵消，使的幅值与的幅值的比值在负载变化时保持不变。选择补偿电抗器的方法如下：设，则，并联后的总阻抗为： （2-10）设中压变压器TM一次侧的漏阻抗为，其为： （2-11）把和都考虑进来，则补偿电抗器的大小为： （2-12）补偿电抗器应该过补偿，即： （2-13）其中为过补偿系数，取1.061.10，一般使补偿后的剩余电抗低于。电容式电压互感器的主要构成是电容器件和电感器件，而且电感器件为铁磁非线性电感器件，因而在系统电压作用下，可能产生铁磁性串联谐振。为了一直铁磁谐振，需装设阻尼器，即图2-11中的。阻尼器可以是电阻型、谐振型、速饱和型等。由文献11可知，将电容式电压互感器安装于从一串引出的两条回路上，如图2-12所示。图2-12 电容式电压互感器的安装位置当雷电波侵入时，由于电容式电压互感器长度和高度原因，其可以视为一个对地电容，让其一端接地，另一端与线路相连。2.5 断路器与隔离开关断路器与隔离开关在闭合时，当雷电波入侵时，由于这两种电器长度和高度原因，可以将这两种电器用对地电容来等效。2.6 金属氧化物避雷器金属氧化物避雷器（MOA）又称为氧化锌避雷器，是70年代开始出现的新一代避雷器。其核心元件为氧化锌电阻片，呈圆饼状或环状，两端面喷有金属电极，侧面涂有绝缘釉保护以防沿面闪络。金属氧化物避雷器仅用氧化锌电阻片，一般不采用放电间隙。结构原理如图2-13所示。但在有些金属氧化物避雷器中，也可采用串联间隙或并联间隙，以及采用硅橡胶，石英砂等导热材料，改善其热稳定性；有时采用并联陶瓷电容，改善高电压等级产品的电位分布。氧化锌避雷器的伏安特性如图2-14所示。伏安特性可分为三个典型区域。区域是小电流区，电流为1mA以下，非线性系数又较高，约为0.2左右，故曲线较陡峭。在正常运行电压下，氧化锌阀片工作于此小电流区。区域是工作电流区，电流在A，非线性系数大大降低，约为0.020.04左右。区域内曲线较平坦，呈现出理想的非线性关系，所以此区域为非线性区。区域为饱和电流区，电流随电压的增加增长不快，非线性系数约为0.1左右，非线性降低。 图2-13 金属氧化物避雷器的结构原理图 图2-14 ZnO阀片的伏安特性曲线当不考虑区域，氧化锌避雷器的非线性可以用指数函数来描述12，即： （2-14）式中的，和是常数，的典型值为2030。为了减少雷电侵入波对变电所内的设备的危害，在变压器侧和线路侧装上避雷器，安装位置具体如图2-15所示。图2-15 金属氧化物避雷器的安装位置2.7 变电所布置型式根据葛洲坝大江电厂500kV开关站的布置型式，选择布置型式为分相中型三列布置。这里的分相中型与普通中型不是一样的，它是指每相隔离开关直接布置在各相母线之下；而这里的列是指变电站全体断路器的排列，排成一列叫单列，排成2列叫双列，排成三列叫三列。图2-16即500kV变电所的变电装置11，大致描述了各电气设备的位置，右上角就是500kV变电所的主接线图，只是未把变压器画出。图2-16 500kV变电所的变电装置3 绕击侵入波的仿真研究3.1 课题内容及研究结果本课题是设想当雷绕击于500kV变电所近区输电线路（出线第一基杆塔）时，变电站按一线一变方式运行，通过改变变压器侧避雷器到变压器之间线路的长度，得到相应条件下绕击时变压器侧的过电压水平。并归纳得到绕击时变压器侧过电压水平与避雷器到主变的距离的关系曲线。雷击时，电路结构如图3-2所示。图3-1 雷击时的电路结构根据第一，二章的研究结果，将图3-1中各电气设备和雷电流源对应的的模型情况给出，如表3-1所示：表3-1 雷电和各电气设备的模型情况序号雷电和各电气设备模型情况1雷电用雷电流源和波阻抗并联模拟，让其一端接地，另一端与雷击点相连2线路三相分别用相应的贝杰龙等效电路模拟3变压器用入口电容模拟,让其一端接地，另一端与线路相连4电流互感器用对地电容模拟,让其一端接地，另一端与线路相连5电容式电压互感器用对地电容模拟,让其一端接地，另一端与线路相连6断路器用对地电容模拟,让其一端接地，另一端与线路相连7隔离开关用对地电容模拟,让其一端接地，另一端与线路相连8金属氧化物避雷器用非线性电阻模拟,让其一端接地，另一端与线路相连3.2 EMTP-ATP与ATPDraw简介EMTP最初由加拿大不列颠哥伦比亚大学的H.W.Dommel教授创立，它具有分析功能多，元器件模型全和运算结果精确等优点，适用于一般电路的稳态和暂态分析及电力系统谐波分析的有力工具。在1984年以前的十多年里，美国邦纳维尔电力局（Bonneville Power Administration，BPA）主导了EMTP程序的开发工作，它在人力和财力上对EMTP程序的开发工作给予了极大的支持。当时的工作属于公共域内，其成果可以免费提供给任何一个感兴趣团体。1984年以后，EMTP程序主要分为两支：一支以DCG（EMTP Development Coordination Group，EMTP联合开发机构，由北美6个大型电力机构在1982年成立）/EPRI（Electric Power Research Institute，美国电力科学研究院）为代表，试图将EMTP程序商业化；另一支即EMTP-ATP，它继续保持EMTP程序的可免费使用性，但为防止其成果被商业化的EMTP所利用，EMTP-ATP不属于公共域内。1984年初，原EMTP的开发者之一Dr.W.Scott Meyer为了维护EMTP的可免费使用性，于1984年23月份终止了12年的EMTP开发合同，并将他所有的业余时间用来开发一个富于生命力的替代程序，从此EMTP-ATP程序正式于1984年秋诞生了。ATP的英文全称为The Alternative Transients Program，意为可替代的暂态仿真程序。EMTP-ATP是目前应用最为广泛的电磁暂态计算的标准程序。从理论上讲，EMTP可应用于任何电路的电磁暂态计算。但由于只有固定格式的文本输入方式。它的应用非常困难，许多电力工程人员虽然知道ATP-EMTP的潜在利用价值，但苦于入门困难，迟迟不敢尝试EMTP-ATP的应用。ATPDraw就是为了解决这个问题开发的。它是建立计算模型用的人机对话图形接口，是基于Windows操作系统的EMTP-ATP程序的图形预处理程序。ATPDraw准备了电力系统各种元件的图符，双击这些图符，可打开该元件的参数设置界面，连接这些图符，可构成所需要的电路。各个元件的参数设置界面都带有帮助按钮，点击后会出现各参数的含义。ATPDraw还具有设定时间步长，计算时间，输出要求及各种特殊要求（如频率扫描）的功能。ATPDraw生成文本输入文件，执行ATP时实际上还是通过文本输入文件。有了这个工具，使EMTP-ATP的使用大大方便了。 ATPDraw3.8的程序操作界面如图3-2所示。图3-2 ATPDraw3.8的程序操作界面3.3 绕击侵入波的建模和仿真结果在ATPDraw建立模型时，假设变电所没有处在带电运行状态，变压器侧低压绕组是开路的，变电所出线到第二基杆塔结束。下面的表3-2和表3-3给出雷电和各电气设备的具体数据，可用在建模中进行参考。表3-2 雷电和各电气设备的具体数据序号雷电和各电气设备具体数据1雷电波形选择标准波形；对于幅值可根据电气几何模型，计算使用杆塔最大绕击电流为17kA；雷电通道的波阻抗选择3002线路终端档距选择60m，变电所内部线路长度根据图2-16选择；波阻抗统一选择为5003变压器入口电容大小选择为5000pF4电流互感器对地电容大小选择为1000pF5电容式电压互感器对地电容大小选择为5000pF6断路器对地电容大小选择为800pF7隔离开关对地电容大小选择为300pF表3-3 金属氧化物避雷器的具体数据避雷器的安装位置额定电压（kV）伏安特性I（kA）0.00001131020线路侧444V（kV）6628488689761106变压器侧420V（kV）6628488689761046建模具体过程省略。最后在仿真时，通过选择一组线路长度的数据，在已建好的模型中进行仿真，由此得到变压器侧电压波形，取其幅值，作为变压器侧电压。具体结果如表3-4所示，表中还给出了断路