基于malab软件的超高压输电线路氧化锌避雷器的过电压保护性能仿真

基于malab软件的超高压输电线路氧化锌避雷器的过电压保护性能仿真

0带串并联间隙的电阻片自上世纪80年代以来，中国的氧化锌避雷器（moa）迅速开发。目前，该产品已开发到500kv的范围内，从带连接间隙发展到无间隙，阻路容量不断提高。我国500kV电网已经应用MOA作为输电线路、串联电容补偿等电力设备的过电压保护。1模型的移动1.1matlabpsb的运行环境MATLAB以矩阵运算为基础,把计算可视化程序设计融合到一个交互的工作环境中,实现工程计算、算法研究、建模与仿真、数据分析及可视化、工程绘图等功能。从1998年推出的MATLABVersion5.2开始,增加了电力系统模块库(PSB),它是对电力系统的可视化建模与仿真工具。强大的PSB和Simulink同时使用将使一些复杂、非线性的电力系统的建模与仿真简化。MATLABPSB运行环境为Simulink,涵盖电路、电力电子、电气传动和电力系统等电工学科中常用元件和系统的仿真模型,也可在MATLAB命令窗口直接键入Powerlib调出。它由以下6个子模块库组成:①电源库:交、直流、可控电压源,交流、可控电流源等;②基本元件库:串、并联RLC负载/支路、线性、饱和变压器/互感器、断路器、N相分布参数线路、单相Π形集中参数传输线路和浪涌放电器等;③电力电子库:二极管、晶闸管、GTO、MOSFET和理想开关以及为满足不同仿真要求并提高仿真速度的晶闸管简化模型;④电机库:励磁装置、水轮发电机及其调节器、异、同步电动机及其简化模型和永磁同步电动机等;⑤连接库:地、中性点和母线(公共点);⑥测量库:电流与电压测量。此外,还有一个附加模块库,它包括均方根、有功及无功功率测算、傅里叶分析、可编程定时器和同步触发脉冲发生器等。1.2模型的伏安特性MATLABPSB中的电涌放电器模块是过电压保护的非线性电阻器,即MOA。对于高能耗的应用场所,它由几柱金属氧化物阀片并联在同一个瓷套中。每柱金属氧化物阀片的非线性伏安特性用指数函数数学模型U/Uref=ki(I/Iref)1/αi表示,式中,Uref、Iref分别为参考电压与电流;ki与αi为第i(i=1,2,3分别对应伏安特性的小电流区、非线性区和饱和区)段曲线的系数。而通常避雷器的伏安特性表示为u=ciα,式中,c为阀片电阻的材料系数;α为阀片的非线性系数,<1,α越小,非线性的程度越大。比较2式可知,前者电压与电流采用pu,其基准值分别为参考电压与电流。参考电压是当避雷器通过参考电流时避雷器上的电压,其值通常与避雷器的额定电压接近或相等。避雷器上电压大于参考电压时,电流将随电压的升高而迅速增大,实现电压限制,所以参考电压又称起始工作电压,通常以通过1mA工频电流阻性分量峰值时避雷器端电压的峰值U1mA为参考电压。式中1/αi即为非线性系数。每柱金属氧化物阀片的保护电压Uport由Iref(通常为500A或1kA)确定,其伏安特性见图1。电涌放电器模块对话框中的缺省参数k和α根据MOA制造厂家提供的平均伏安特性确定,不随保护电压而变。通过增加每柱串联的氧化锌电阻片数量,得到所要求的保护电压。MOA模型为其两端电压驱动的电流源,不能与一个电抗器或另一个电流源串联。因电涌放电器高度非线性,须采用刚性的积分算法对电路仿真。2moa拆卸性能的模拟例子2.1故障hs-4e线路1、2以MOA在735kV电网中应用为例,系统模型见图2。735kV线路长200km,中点设有串联电容Cs补偿,在负荷端设有并联电抗器L1补偿,都用MOA保护。设负荷端发生三相短路故障,6个工频(60Hz)周期(10ms)后,故障被负荷端的断路器切除。为简化,仿真时以单相系统为例,所有元件参数均为正序参数。系统模型中各元件及其参数为:1)电源线电压735kV;三相短路容量15000MVA;等值阻抗Zeq=3.6+j36(Ω)。2)输电线路1,2长100km,额定电流2kA,电阻0.011Ω/km,电感0.8674mH/km,电容13.41nF/km,用单相π形集中参数传输线路模块。3)Cs=101.1μF,容抗26.2Ω,补偿度40%。4)Lp容量每相110MVA,品质因数Q=200。5)负荷P=2000MW。6)保护Cs的MOA1:Uref=185kV;柱数为30,每柱参考电流Iref=500A,可承受总电流15kA;第1、2、3段特性分别为:k1=0.955、k2=1.0、k3=0.9915;α1=50、α2=25、α3=16.5。MOA1可限制Cs的过电压峰值为2.5pu,即185kV。保护Ls的MOA2可限制过电压峰值1.8倍,即1080kV。故Uref=1081kV;柱数为2,每柱Iref=500A;第1、2、3段特性分别为:k1=0.955、k2=1.0、k3=0.9915,α1=50、α2=25、α3=16.5。7)断路器1、2两元件均为MATLABPSB中提供的断路器模块,“1”端输入,“2”端输出,“C”端为控制断路器动作的MATLABSimulink逻辑信号端。其中,“断路器2”用于模拟短路故障,其“C”端与故障定时器模块连接,在t=0.03s时使断路器闭合,模拟线路负荷端三相短路。“断路器1”在短路故障后6个周期(t=0.13s,由“定时器1”定时)断开故障电路。8)电流、电压测量和示波器模块用于测量MOA1、MOA2回路的电流以及串补电容和并补电抗上的电压,并显示电流、电压波形。2.2电流初始模型模拟仿真开始后t=0.03s时“断路器2”合闸,模拟输电线路负荷端发生三相短路故障,产生所需的过电压。接着在t=0.13s(短路后6周期)由“断路器1”跳闸,切除故障。将仿真参数设定为:积分类型stiff,积分算法为ode15s,其余取系统缺省项。启动仿真,观察在这一暂态过程中串联电容器Cs上的电压U1、母线B2上的电压U2、MOA1和MOA2上电流I1、I2的变化(见图3)。负荷端3相短路时,流过Cs的电流剧烈增加,两端产生的过电压峰值达185kV,即MOA1的起始工作电压(参考电压)使其立即导通,限制了Cs的过电压。图3(b)中MOA1的电流第二尖脉冲电流达到最大峰值约8.4kA,故障后两周期MOA1电流衰减为每半周期对称的脉冲电流,其值约4.5kA。3相短路故障期间(t=0.03～0.13s),母线B2上的电压跌落到0。t=0.13s切除故障时,电流熄灭,此一瞬时,B2并联的Ls电抗器产生的过电压(见图3c)最大峰值达到1081kV,MOA2动作,限制