2019超高壓輸變電系統內部過電壓分析與PSCAD EMTDC仿真應用

目錄TOC\o"1-2"\h\u27454 12061第一章緒論 33970第一節 329165第二節超高壓輸變電系統內部過電壓仿真計算的必 426875第三節超高壓輸變電系統內部過電壓計算的發展與 620174第二章超高壓輸變電設備及其參數特性 92699第一節輸電線路技術基礎及其參數 925889第二節變壓器技術基礎及其參數 2727563第三節斷路器技術基礎及其參數 455658第四節互感器技術基礎及其參數 626613第五節 703584第六節避雷器技術基礎及其參數 7623073第三章電力系統內部過電壓理論分析 8118374第一節工頻過電壓 8225835第二節諧振過電壓 931711第三節弧光接地過電壓 10629562第四節 11215817第五節 12122522第四章基于PSCAD/EMTDC軟件的電力系統計算 12423679第一節PSCAD/EMTDC 12423122第二節電源建模分析 13428831第三節變壓器建模分析 13710394第四節輸電線路建模分析 14120851第五節 16024632第六節控制元件建模分析 17925839第七節序列元件建模分析 1867404第八節測量元件建模分析 18722269第九節數據/閱讀元件建模分析 1909566第十節保護元件建模分析 1947275第五章基于PSCAD/EMTDC軟件的超高壓輸變電 20018661第一節電力系統的簡化與等值 2009737第二節工頻過電壓仿真計算 20524725第三節操作過電壓仿真計算 2103575第四節 21813801第六章超高壓輸變電系統過電壓現場錄波 2386204第一節錄波軟件介紹 23825465第二節 24926894第三節 26210396附錄A基于PSCAD/EMTDC的500kV武—察同塔雙 2829854附錄B基于PSCAD/EMTDC的500kV坤—旗Ⅰ線破 29612009附錄C呼和浩特抽水蓄能電站500kV輸變電工 312第一章緒論第一節1981年,我國建成平頂山武昌第一條500k線路,啟動了跨省、超高壓電網建設的進程。1993年,500k天—廣廣西天生橋至廣東羅洞一回交流輸電線路投運,其變電站布置了國內首次采用的500kV配電裝置和特殊的三相組合變壓器,敞開式的10大大減少了土建工程量,縮短了安裝周期,提高了運行可靠性,創造了顯著的經濟效益。天生橋二級水電站500k變電站的建成投運,使廣東、廣西、貴州、云南四省自治區電網相互連接而形成南方互聯電網,從而增強了電網抵御事故的能力,提高了電網的供電質量和可靠性。該電站已成為南方互聯電網中的主要樞紐變電站,將云南、貴州豐水期多余的電能送往缺電的廣東,使西電東送變為現實。而枯水期,天生橋水電站又通過500kV輸變電向云南送電,緩和云南省冬季缺電的局面。2001年5月,華北與東北電網通過500k高姜線高嶺—姜家營實現了第一個跨大區交流聯網。2001年11月,華東與福建電網通過福—雙福州—雙龍線交流聯網,標志著福建與華東電網互聯的開始。2002年5月,500k萬龍線四川萬縣—湖北龍泉投運,實現了川渝與華中電網聯網。2003年6月,貴廣貴州—廣東500k雙回工程投產,打通了貴州西電東送第一條通道。2003年9月,500k辛—洹線投運,實現華中與華北電網聯網,形成了由東北、華北、華中、川渝電網構成的交流同步電網。2005年3月,山東與華北電網通過500k輸電線路聯網。2014年4月,川—察右中—汗海—沽源的500k主干網架北通道,再次加強了與華北等電網的聯系,西電網的豐富電能源源不斷外送。500k超高壓在投入使用初期出現了一些問題,但隨著對這一電壓認識的逐步深入,這些問題都得到了很好的解決。在電力發展的歷史長河中,500k其重要的作用,并將在以后的電網格局中發揮重要作用。綜上所述,500k超高壓電網發展迅猛,發揮著極其重要的作用,然而由于電壓等級較高,電力系統中各種絕緣在運行中除了長期受較高等級工作電壓作用外,還會受到各種數倍于工作電壓的內部過電壓作用,因此會對系統的絕緣造成很大的影響,甚至導致事故的發生,所以必須加強對內部過電壓的重視和計算。對于500k輸變電工程而言,有著非常重要的理論意義和實踐指導價值可以為掌握系統的絕緣水平及安全可靠運行提供分析依據為滿足投產前系統調試的需要和更好地確定調試與啟動方案做前期參考為二次設備定值設置、過電壓保護裝置選擇及工程實施提供理論依據。可見,超高壓輸變電系統內部過電壓分析隨著工程的建設與發展顯得越來越重要了。第二節超高壓輸變電系統內部過電壓仿真計算的必隨著電網的快速發展,500k輸電線路逐漸成為電網的主干網架,因此對電網的可靠性和電氣絕緣提出了較高的要求。然而,由于500k輸電線路電壓等級高、輸送距離遠等特點,在線路末端會出現工頻電壓的升高,如果保護不當,的承受能力,從而造成很大的事故,對電網的安全和國民經濟的發展帶來非常不利的影響。另外,斷路器的頻繁分合閘操作也會給線路帶來很大的操作過電壓,它所引起的危害比工頻過電壓的危害還大,所以必須對引起過電壓的原因加以重視,并且采取一系列有效的措施限制過電壓的幅值和發生的幾率。電力系統內部過電壓是500k電網必須研究的重要課題,輸電線路等電力設備絕緣強度的設計,而且還直接關系到電力系統是否能夠安全穩定地運行。500k輸電線路參數以及系統容量的特點使得其內部過電壓比一般高壓線路更為嚴重。因此,內部過電壓是500k超高壓輸電技術的關鍵問題,也是500k超高壓輸電線路設計的決定性因素。由于超高壓輸電線路絕緣子能夠承受的過電壓裕度較低,而發生過電壓造成絕緣子擊穿就必須更換絕緣子,這給電力系統造成的綜合經濟損失是非常巨大的。因此,在超高壓線路建設初期就必須考慮如何限制內部過電壓。內部過電壓計算對超高壓輸變電系統具有十分重要的意義,內部過電壓仿真計算的必要性如下:內部過電壓計算是檢驗超高壓輸變電系統在調試方式、正常方式、檢修方式下工合閘時間的重要依據,是考核系統電弧能否重燃的重要參考。第三節超高壓輸變電系統內部過電壓計算的發展與我國電網發展很迅速,早在20世紀80年代就開始發展500k等級的升高,電網規劃設計及輸變電工程設計所涉及的系統問題也有了很大的變化。35～110k電網主要是潮流、短路電流問題,220k電網就增加了穩定問題,電壓升到500k就必代,內部過電壓計算越來越受到人們的重視。世界各國包括我國清華大學、浙江大學、中國電力科學研究院、國網電力科學研究院原武高所等在內的院校和研究機構對內部過電壓的形成機理、模型建立、仿真計算和防護限制都做了深入細致的研究,取得了很多成果,分合閘電阻和利用避雷器限制操作過電壓等。輸變電系統建模發展歷經變遷,由于傳輸線的重要性,傳輸線理論一直是個很活躍的研究領域,主要包括傳輸線特性、不連續性、不同傳輸線之間的變換等方面的研究。很長一段時間以來,對于電磁暫態研究來說,建立傳輸線模型時最重要的方面之一就是考慮參數的頻變特性,這方面的研究也始終未間斷過。最早人們所采用的行波算法是由y于1933年首創的網絡法,由于這種方法對步長限制很大,非線性元件的模擬也較難實現,使得實際計算非常復雜,從而并未得到廣泛的應用,現在仿真中也很少采用。20世紀70年代以來,許多學者都對頻變參數線路暫態計算的問題進行了研究,并建立了一些考慮參數頻變特性的傳輸線暫態模型。早期由udn提出的線路導納權函數法導納配置法是取代線路的電流沖激響應中作為基元過程,通過卷積計算以求解頻變參數線路的暫態過程。不過在此模型中權函數有很高的振蕩性,并且很難精確估計,這一方法由于計算方面的弱點未被普遍應用,但是它的物理意義有助于理解頻變傳輸線的暫態過程。non介紹了在時域應用gon簡化波動方程的解釋來獲得關聯電壓、電流的變量代換。non行波法的主要思路是將線性阻抗看作是一個不隨頻率變換的常數,然后再加權處理前行波和反行波分量來求解頻變參簡單,且效果好,但該法在低頻時會影響權函數的計算精度。y和o進一步提高了前、反行波權函數的概念,所得加權函數公式的表示法比其他加權函數法有了很大的改進,并且已在許多暫態研究中得出了可靠結果。然而,該方法要求計算積分每一步長上的值而導致運行時間較長,而且用卷積積分計算加權函數的尾部值很困難。這些早期方法都存在兩個較大的缺陷一是需要計算許多個卷積積分二是加權函數的振蕩難以確定。yn用指數函數對線路階躍響應及脈沖導納響應進行了擬合,并利用插值法將卷積運算簡化為當前輸入值及其歷史值可以獲得的遞歸公式,大大節省了計算時間。隨著計算機技術的不斷發展,簡捷又相當精確的數字仿真技術也得到了不斷發展,線路暫態仿真研究取得了大量成果。.在這方面取得了較大的進展,建立了更有效的模型。.模型不但發展了yn的思想,而且后來也被應用到電磁暫態計算程序中。該模型實質上就是將 目前常用的電力系統仿真軟件有 EMTP(ElectromagneticTransientsProgram)軟件。曼尼托巴高壓直流輸電研究中心(ManitobaHVDCResearchCenter)開發的PSCAD/EMTDC(PowerSystemComputerAidedDesign/ElectromagneticTransientsProgramincludingDirectCurrent)軟件。德國西門子公司研制的電力系統仿真軟件NETOMAC(NetworkTorsionMachine中國電力科學研究院開發的電力系統分析綜合軟件PSASP(PowerSystemAnalysisSoftwarePackage)。MathWorks公司開發的科學與工程計算軟件MATLAB(MatrixLaboratory,矩陣實驗PEPICE(SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis)、美國PTI公司開發的PSS/E、對于內部過電壓的仿真計算而言,目前廣泛使用的軟件是電磁暫態仿真軟件,它們可以模擬電源、電機、變壓器、斷路器、集中參數元件、分布參數元件以及控制系統等靈活組合成的任意系統,從而方便進行內部過電壓的計算與仿真,記錄所需的數據,并且可以有意識地改變某些參數,從而可以對影響內部過電壓的一些參數進行定量的分析。我國1981年引入和,并應用于許多項目建設之中,特別是在超高壓輸變電工程中應用非常廣泛,對電力系統的發展和安全起了非常重要的作用。由于內部過電壓計算對500k輸變電工程的啟動、調試以及絕緣保護等有著非常重要的意義,所以得到了廣泛的應用,對于每一個將要投入的系統逢投必算。對引起工頻電壓升 第五章基于軟件的超高壓輸變電系統內部過電壓仿真計算,建模分析了工頻、操作過電壓,潛供電流和恢復電壓,并在附錄部分給出了工程計算實例——基于的500k武—察武川到察右中同塔雙回輸變電工程內過電壓仿真分析、基于的500k坤—旗線破口輸變電工程內部過電壓計算與呼和浩特抽水蓄能電站500k輸變電工程內部過電壓計算實例,完善地給出了內部過電壓的計算數據,為相關的超高壓工程啟動提供了參考,將理論和實踐有效地結合起來,具有極強的實用性。第二章超高壓輸變電設備及其參數特性第一節輸電線路技術基礎及其參數桿塔(SupportingStructureofTransmissionLine;Pole&Tower)是支承架空輸電線路導線圖2-1圖2-2圖2-3圖2-4圖2-5圖2-6圖2-7拉線塔是門型桿塔的特例,常用于500k的輸電線路,在220k輸電線路中也有少量使用,它具有施工方便,耗鋼量低于其他拉線門型塔等優點但它占地較大,在河網及大面積機耕地區使用受到一定限制。這種塔型在國外還使用于人煙稀少的地域,便于利用直升機吊運和安裝。其主要優點是單基質量只有自立塔的70左右,降低了線路本體造價,受力清晰結構合理。缺點是要求地勢比較平坦,占地面積大。拉線塔如圖28所示。塔上架設兩根架空地線,導線呈等腰三角形布置,塔型呈貓頭狀的桿塔稱為貓頭型塔,圖210所示。它也是220k及以上電壓等級輸電線路常用的塔型,有良好的施工運行經驗,節省線路走廊,其經濟指標較酒杯型塔稍差。貓頭型塔與酒杯型塔的比較①貓頭型塔中相線抬高,塔高和塔重增加線間距比酒杯型塔小,所占線路走廊較窄,線路寬度較小③貓頭型塔線路走廊上場強均勻,地面電場強度也較酒杯型塔小。圖2-8圖2-9500kV圖2-10圖2-11圖2-12圖2-13按絕緣材料劃分子有陶瓷絕緣子、玻璃鋼絕緣子、合成絕緣子和半導體絕緣子。各類絕緣子實物如圖214所示。其中,直流棒形懸式復合絕緣子在世界上第一個800k直流輸電工程——云—懸式絕緣子為主,約占各類運行復合絕緣子總支數的90以上。輸電線路的電壓等級與直線桿塔上懸垂絕緣子串中絕緣子數量的關系見表21。表2-1電力金具是指連接和組合電力系統中各類裝置,以傳遞機械、電氣負荷及起到某種防護作用的金屬附件,分為線路金具和變電金具。主要用途用于支持、固定和接續導線、地線及絕緣子,亦用于保護導線和絕緣體。根據T682—2010圖2-14緣子串的所有金具。根據DL759—2009《連接金具》規定,其型式劃分為球頭掛環、U型圖2-15圖2-16合。跳線金具應具有良好的電氣性能,滿足導流要求,電氣連接部件不應降低跳線的導電能力。通過金具的連續額定載流量,在允許的溫度下不應小于導線的載流量。跳線金具實物如圖218所示。圖2-17圖2-18防振錘。高壓輸電線路桿塔兩側導線上懸掛的小錘稱為防振錘。通常,高壓架空線路的檔距較大,桿塔也較高,當導線受到大風吹動時,會發生較強烈的振動。導線振動時,懸掛處的工作條件最為不利。長時間和周期性的振動將造成導線疲勞損壞,使導線發生斷股、斷線。有時強烈的振動還會破壞金具和絕緣子。為了防止和減輕導線的振動風引起的在垂直面上的周期性擺動,且在整個檔距內形成一系列振幅不大的駐波一般在懸掛導線線夾的附近安裝一定數量的防振錘。當導線發生振動時,防振錘也上下運動,產生一個與導線振動不同步甚至相反的作用力,可減小導線的振幅,甚至能消除導線的振動。防振錘實物如圖219所示。圖2-19圖2-20間隔棒。間隔棒實物如圖220保持適當的間距。通過自身的阻尼特性,降低微風振動和次檔距振蕩對導線的危害。間隔棒的型式有環形阻尼間隔棒、組合式間隔棒。,適用的電壓形式為交流,可將高壓均勻分布在物體周圍,保證在環形各部位之間沒有電位差,從而達到均壓的效果,廣泛應用于高壓電器、高壓試驗設備、電力系統高壓線路、變電站等)中,屬于高壓電器配件,也可理解為電力金具中的一種。均壓環按用途不同,可分為避雷器均壓環、防雷均壓環、絕緣子均壓環、互感器均壓環、高壓試驗設備均壓環、輸變電線路均壓環等。均壓環按材質不同,可分為鋁制均壓環、不銹鋼均壓環、鐵制均壓環等。目前我國高壓電器和電力系統變電站、高壓線路等,一般要求均壓環表面進行拋光處理,達到表面光滑無毛刺,各類均壓環實物如圖221所示。圖2-21圖2-22強度時,導線表面的空氣分子被游離所產生的放電現象。其特征是:發出“嗤嗤的放電聲,并圖2-23PSCAD的500kV輸電線路可以采用集中參數模型,利用正序電阻R1、正序感抗XL1,正序容抗XC1和零序電阻R0,零序感抗XL0和零序容抗XC0式中:Dm為相導線間的幾何均距,m;μ為導線材料的相對磁導率;n為每相分裂導線的根數(可根據GB/T1179—2008《圓線同心絞架空線導線》查出);rdz為每相導線的等值半式中:Dm為相導線間的幾何均距,m;r為導線的半徑,m表2-2500kV式中:Di為導線a、b、c到其鏡像間的幾何均距,m;dm為相導線間的幾何均距,m;rg為地線g的半徑,m;Diagh為地線g和地線h至導線a、b、c的鏡像間的幾何均距,m;Dgh為地線g至地線h的鏡像距離,m;dmagh為地線g和地線h至導線a、b、c間的幾何均距,m;Hgh為地線g和地線h對地的幾何平均高,m;Rm為相導線的自幾何均距,m;dgh為地線g至地線h之間的距離,m。表2-3表2-4從表23可以看出,緊湊型輸電線路三相參數的不平衡度遠小于常規型輸電線路。根據500k常規輸電線路100k需換位的要求,緊湊型輸電線路可以在較長距離內不換位,換位距離應根據在實際背景下對電流、電壓不平衡度的要求進行考慮。根據表24中數據計算得到的緊湊型輸電線路的相間電容平均值比常規輸電線路高,輸電線路潛供電流中靜電感應分量正比于輸電線路的相間電容,恢復電壓中靜電感應分量也隨相間電容的增大而增大。因此,緊湊型輸電線路在設計中需加大對靜電感應分量的補償。在我國現有的高壓、超高壓輸電線路中,主要采用縱聯保護作為主保護,在操作過電壓研究的頻率范圍內(10～106Hz)的線路參數情況,為準確計算500kV線路操作表2-5典型500kV關。由于當線路發生不對稱接地故障時,線路兩端的工頻過電壓幅值與該線路零序阻抗有關。零序阻抗越小,過電壓越低,因此輸電線路采用的逐塔接地的良導體地線除了滿足避雷線的需要外,還可以降低輸電線路的零序阻抗,從而降低不對稱接地故障引起的工頻過電壓。為了避免流過地線和大地的環流造成電能損失,輸電線路有時采用分段絕緣一點接地的形式,這種情況下地線對相導線的壓降沒有影響,在計算串聯阻抗矩陣時不考慮地線,但在計算電容矩陣時,由于靜電場不受分段影響,需考慮地線ol H .P book.gonAnhofymngnng,1995。對緊湊型和常規型輸電線路工頻電氣參數在不同地線類型、不同接地方式下的影響比較結果見表26。表2-6500k輸電線路所經過的大地電阻率是一個隨地域變化的值,率,在不同季節也可能發生較大的變化。土壤電阻率的變化對輸電線路的電氣參數產生影響,進而會對輸電線路的潛供電流和恢復電壓造成影響。從表27可知,土壤電阻率的變化對線路正序參數和電容參數幾乎沒有影響。土壤電阻率從100增加到2000鋼絞地線的零序電阻增幅為3良導體地線4—12的零序電阻增幅為17鋼絞地線的零序電抗增幅為24良導體地線的零序電抗增幅為8。從參數的幅值上來看,裝設良導體地線的緊湊型線路在大地電阻率變化時,零序阻抗的波動程度略小,但從進行電磁暫態分析時的精度要求來看,仍需要合理考慮大地電阻率變化對零序阻抗計算的影響。表2-7第二節變壓器技術基礎及其參數上的兩個或兩個以上的繞組組成的,繞組之間通過交變的磁通相互聯系著,它的功能是把一與其交鏈的幾個繞組,且它們之間的空間位置不變。當某一個繞組從電源接受交流電能時,通過電感生磁、磁感生電的電磁感應原理改變電壓(電流在其余繞組上以同一頻率、不同電壓傳輸出交流電能。因此,變壓器的主要結構就是鐵芯和繞組。鐵芯和繞組組裝了絕緣和引線之后組成變壓器的器身。器身一般在油箱或外殼之中,再配置調壓、冷卻、保護、測溫和出線等裝置,就成為變壓器的結構整體。自然油循環自然冷卻(油浸自冷式自然油循環風冷(油浸風冷式通常情況下,當變壓器容量在8000k及以上、40000k及以下時,散熱器,可選用風冷冷卻方式,一般在散熱器上加裝風扇,因為表面散熱系數與流體在表面流動的速度有關,在吹風之后,對流部分的散熱系數將增大好幾倍,大大提高散熱器的冷卻效率。風冷式散熱器是利用風扇改變進入散熱器與流出散熱器的油溫差,提高散熱器的冷卻效率,這樣可使散熱器數量減少,占地面積縮小。但此時要引入風扇的噪聲和風扇的輔助電源。停開風扇時可按自冷方式運行,但是輸出容量要降低到額定容量的23。對管式散熱器而言,每個散熱器上可裝兩個風扇對片式散熱器而言,可用大容量風機集中吹風,或一個風扇吹幾組散熱器。對于油浸自循環風冷式變壓器而言,油為自然循環,其循環動力是溫度差(鐵芯及線圈由于電磁損耗而發熱,這種熱量由靠近繞組和鐵芯部分的油所吸收箱底油溫低,頂層油溫高,頂層油與散熱器連通散熱器內的油將熱量傳給散熱管或者散熱板片,空氣,這樣散熱器進出口就形成溫度降落(一般為20～30。溫度降落使油的密度產生變化,冷卻油的密度變大,靠自重而下沉油箱內的油因被器身加熱使油溫升高,密度變小,形成浮升力這樣油箱內的發熱與油箱外部的空氣靠動力循環,熱空氣被風扇吹走,充進來形成冷熱空氣交換流動,變壓器的熱量不斷地傳給空氣,形成一種動態平衡。維持變強迫油循環冷卻按冷卻器可以分為水冷卻和風冷卻。對于強迫油循環冷卻的變壓器,它的油箱上沒有油管或者散熱器,變壓器內的油經過管道和油泵被打到一個分開裝置的油冷卻器,油被冷卻后重新回到變壓器內。這種冷卻方式的優點是一方面,強變壓器內部油的流動,降低內部繞組對油的溫升另一方面,由于去掉了龐大的散熱器,變壓器的安裝面積可以大大縮小,而且散熱器可以安裝在其他合適的地方,這一點對于巨型水電站的設計是很有利的。因為水電站的水源方便,一般采用水冷卻方式。在其他場合也可以用風冷,它的結構基本上與裝在變壓器上的冷卻器差不多。強迫油循環冷卻因為結構較為復雜,所以一般只用在容量為50000k及以上的巨型變壓器上。圖2-24繞組和鐵芯都是變壓器的核心元件。由于繞組本身有電阻或接頭處有接觸電阻,由圖2-25圖2-26圖2-27呼吸器又稱吸濕器,通常由一根管道和玻璃容器組成,內裝干燥劑(硅膠或活性氧化鋁27所示。當油枕內的空氣隨變壓器油的體積膨脹或縮小時,排出或吸入的空氣都經過呼吸器,呼吸器內的干燥劑吸收空氣中的水分,對空氣起過濾作用,持油的清潔。浸有氯化鈷的硅膠,其顆粒在干燥時是鈷藍色的,但是隨著硅膠吸收水分接近飽和時,粒狀硅膠將轉變成粉白色或紅色,據此可判斷硅膠是否已失效。受潮后的硅膠可通過加熱烘干而再生,當硅膠顆粒的顏色變成鈷藍色時,再生工作就完成了。壓力釋放裝置在保護電力變壓器方面起著重要作用。充有變壓器油的電力變壓器中,如果內部出現故障或短路,電弧放電就會在瞬間使油汽化,導致油箱內壓力極快升高。如果不能盡快釋放該壓力,油箱就會破裂,將易燃油噴射到很大的區域內,可能引起火災,破壞,因此必須采取措施防止這種情況發生。壓力釋放裝置有防爆管和壓力釋放器兩種防爆管用于小型變壓器壓力釋放器用于大、中型變壓器。繞組一般有3、5、7個或19個分接頭位置,分接頭的中間分頭為額定電壓的位置。3個分接頭的相鄰分頭電壓相差5多個分頭的相鄰分頭電壓相差2.5或1.25%。操作部分裝于變壓器頂部,經傳動桿伸入變壓器的油箱。根據系統運行的需要,按照指示的標記來選擇分接圖2-28圖2-29圖2-30根據用戶要求,側共用,稱為公共繞組,其匝數為N2;Aa與公共繞組串聯后供高壓側用,稱為串聯繞組,匝數為N1。高壓繞組(原繞組)由Aa繞組和ax繞組組成,其匝數為N1+N2;圖2-31主磁通Φ,還會在繞組少量產生經空氣等非磁性物質閉合的漏磁通Φσ1,產生感應電動勢e式中:1為高壓側電壓;為串聯繞組Aa的電動勢;為串聯繞組Aa的電流;ZAa為串聯繞組Aa的漏阻抗,Zax為公共繞組ax的漏阻抗。低壓側回路電壓方程為流;Zax為公共繞組ax的漏阻抗。按照全電流定律,自耦變壓器串聯繞組磁動勢N1與公共繞組磁動勢N2之和為勵磁磁動勢(N1+N2),即類似于雙繞組變壓器,把-)用勵磁電流I0在勵磁阻抗Zm上的壓降表示,另kA為自耦變壓器的變比,等式兩邊同時除以N1+N2,得令把式(2-5)的等號兩邊同乘以kA,圖2-32圖2-33 示,是指自耦變壓器總的輸入或輸出容量。例如,高壓側的額定容量S1NA為高、低壓側的額定容量彼此相等,式中:kxy由于kA＞1,故kxy＜1。因此,在自耦變壓器,電磁容量總是小于額定容量的。參看圖2-組,公共繞組ax是低壓繞組,它們的電壓、電流相應為和當接成自耦變壓器 低壓側輸出容量比公共繞組ax的電磁容量SM增加了一項傳導容量SC。SC可以看成是量。這種現象在雙繞組變壓器里是不存在的。可見,高壓側的情況,接成自耦后,高壓側電壓在數值上變為U1=UAa+U2,當然比UAa增大了。這下面把自耦變壓器和雙繞組變壓器來進行比較,由于變壓器的有效材料,如硅鋼片和銅線的用量與繞組容量有關,自耦變壓器的繞組容量(電磁容量)小,當然所用的材料也少,可以降低成本。在同樣的電流密度和磁通密度下,自耦變壓器的銅損耗和鐵損耗以及勵磁電流都比較小,從而提高了效率。相應地,自耦變壓器的重量及外形尺寸也都比較小,可以減小變電站占地面積和減少變壓器運輸和安裝的困難。還可看出,效益因數kxy越小,上述的優點就越顯著。為此,自耦變壓器的變比k越接近1越好一般不超過2,若kA大,其繞組容量就接近于自耦變壓器額定容量,優越性就明顯降低。此外方便。效率程度與kA有關,kA越接近1,經濟效益越大。例如,當kA=1.1時,9.09%,大部分為傳導功率;當kA=1時,電磁感應功率為零,全部功率為直接傳導,而kA較大時由于自耦變壓器原、副邊之間有電的直接聯系,為防止高壓側單相接地引起的低壓側的過電壓,自耦變壓器中性點必須可靠接地同時,當高壓側遭到雷擊過電壓時,會引起低壓邊的過電壓,因此高、低壓兩側均須要裝設避雷器,加強初級、次級側防雷保護措施,保護較為復雜。自耦變壓器的短路阻抗較小,因此短路電流較大。故設計時應注意繞組的機械強度起來。由于自耦變壓器一般采用星形聯結方式,這時為了消除三次諧波磁通的影響,變壓器中加上一個三角形聯結的第三繞組。為了充分利用這個第三繞組,就把它當作低壓繞組,作為附近地區的電源,或接調相機或電力電容器以改善功率因數。于是就形成了三繞組自耦變壓器。這種三繞組自耦變壓器實際上只是高、中壓是自耦的,低壓繞組在電氣上獨立的。由于超高壓電力系統中要求中性點接地,所以它們的標準聯結組通常,0,d11,如圖234～圖23所示。其中,500k單相自耦變壓器繞組聯結與出線示意圖如圖234所示,用三臺單相自耦變壓器聯結成三相變壓器的聯結組,0,d11的相量圖如圖235所示。圖2-34500kV圖2-35三相變壓器聯結組標號(YN,a0,d11)表2-8主變壓器本體設備參數表2-9表2-10500kV表2-11500kV主變絕緣電阻、電容、介損測量,表2-12500kV第三節斷路器技術基礎及其參數一、550PM型超高壓罐式SF6圖2-36550PM型超高壓罐式SF6電流互感器在出廠前安裝,通過電纜連接到控制柜中的端子排上,出的操作命令轉換為滅弧室的線性機械運動。液壓操動結構包括一套可壓縮的盤簧,它們作為儲能系統使用。滅弧室的靜觸頭和動觸頭,靜觸頭和動觸頭均包括一個主觸頭和一個弧觸頭。在分閘和合閘操作期間,液壓油驅動液壓操動機構的活塞拉桿,消耗液壓操動機構內盤簧的能量。儲能彈簧利用液壓泵充能。當斷路器分閘和合閘時,儲存的能量為液壓油提供驅動力。操動桿閉合時,該連接將液壓操動機構的驅動力傳遞到滅弧室,導致滅弧室觸頭斷開和閉合。在開斷期間,滅弧室靜觸頭和動觸頭分離,電弧產生,在觸頭之間貫穿,并最終被環通滅弧室的6表2-13550PM型超高壓罐式SF6二、LW13-550型超高壓罐式SF6圖2-37LW13-550型超高壓罐式SF6圖2-38LW13-550型超高壓罐式SF63.表2-14LW13-550型超高壓罐式SF6三、3AT2/3-EI型超高壓SF6圖2-393AT2/3-EI型超高壓SF6表2-153AT2/3-EI型超高壓SF6四、SF6電弧具有很大的危害性,它是一種明亮的氣體放電,弧柱的溫度可達5000以上,這樣的高溫足以使金屬觸頭熔化蒸發,可能燒壞觸頭及觸頭附近的其他部件。如果電弧長久不能熄滅,必然破壞開關設備,將引起電氣設備燒毀或爆炸,長期不能切斷故障部分,系統的安全發供電,危及電力系統的安全運行,造成生命財產的極大損失。升階段,當電壓升至A點時,電弧重燃,對應于A點的電壓urh稱為燃弧電壓。由于電弧熱游離流逐漸減小,電弧壓降相應回升(BC段),到達C點(對應于電壓uxh)時電弧再次熄滅,uxh稱為圖2-40交流電弧過零后,是重燃還是熄滅,主要取決于弧隙電壓(uhf)的恢復過程和介質強度(以能耐受的電壓uj表示)的恢復過程。其中弧隙介質絕緣強度或介質強度(圖2-41加裝并聯電阻。如圖2-42所示,斷路器每相有兩對觸頭,一對為主觸頭K1,另一對為輔助觸頭K2,低值電阻R并聯在主觸頭K1上。當斷路器在合閘位置時,主觸頭和輔助觸頭都閉合。當斷開電路時,主觸頭K1先斷開,并聯電阻R在主觸頭斷開過程中起分流作用,R值愈廣泛應用,如上述的LW13-550型超高壓SF6斷路器為雙斷口結構,3AT2/3-EI型550kVSF6斷圖2-42圖2-43吹弧。在高壓斷路器中,常制成各種形式的滅弧室,使氣體產生較高的壓力,有力地吹向弧隙,吹弧的方式有縱、橫吹圖243和縱橫混合吹等。吹動方向與弧柱軸線平行的稱為縱吹吹弧方向與弧柱軸線垂直的稱為橫吹既有縱吹又有橫吹的稱為縱橫混合吹。吹弧的作用是使電弧強烈冷卻和拉長,加速擴散,促使電弧迅速熄滅。縱吹的滅弧室結構簡單,主要是使電弧冷卻變細最后熄滅而橫吹的滅弧室結構復雜,主要是把電弧拉長,增大散熱表面積,加強冷卻,熄滅電弧效果較好。然而很多種類的斷路器,把縱吹和橫吹的特點融為一體,廣泛采用縱橫混合吹弧的方式,熄弧效果更好。五、SF6常見的密度繼電器型號有1型、、OM等,如圖244所示。下面以1型密度繼電器為例進行分析,如圖244所示,該密度繼電器的準確度級為1.5其額定值為0.6,報警值為0.52對應1—2觸點,即當6壓力降至0.520.015a時,1—2圖2-44進行檢漏須使用專用的檢漏儀,如TIF-5750A型(圖2-45)、TIFXP-1型、CPSL790B型等檢漏求,空氣中氧氣含量濃度不應低于18%圖2-45TIF-5750A中,根據GB50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》,測量斷路器內根據 O5)作電解法。電解法是用涂敷了磷酸的一對電極(鉑或銠形成一個電解池,在兩極間施加一恒定的直流電壓。被測氣體的水分被吸濕劑25)吸收,并在電流作用下電解還原,圖2-46質量法測定SF6圖2-47露點法測量SF6露點法。該法是測量氣體所含水分的凝露及濕度。被測氣體通過一個密封池中的金屬鏡面,用人工控制或借助光電池監控鏡面濕度,以保持穩定的水分凝結量。當測試系統溫度略低于被試品氣體中水蒸氣飽和溫度(露點時,水蒸氣結露。通過熱電偶測得的鏡面溫度為露點。根據T5832.2—2008《氣體中微量水分的測定第2部分氣體水分含量的換算公式或對照表,即可得到氣體中水分含量。露點法所用儀器比較復雜,需要液態氮作制冷劑,造價較高。露點法現場應用如圖247所示。合還原,只有當SF6氣體中存在一定量的H2O、O2氣相色譜儀法。氣相色譜儀分析的基本原理是利用樣品中各種物質的分子對某種固體物質(色譜技術上稱為固定相的吸附和解吸能力上的差異,體物質(色譜技術上稱為流動相或載氣的載帶下通過固定相時,速度和時間(色譜技術上稱為保留時間離開固定相。利用不同的信號轉換方法將其分別檢出,并記錄在色譜圖上。根據保留時間的不同可對各組分進行定性確認,根據色譜圖上代表各組分的譜峰高度和面積可進行定量分析。約為:SOF2,50ppmV;SO2F2,50ppmV。表2-16列舉了幾種常見氣體的相對保留時間。SF4表2-16氣相色譜-質譜聯用分析。色譜-質譜聯用分析是將氣體樣品先經色譜分離然后由質譜鑒定,從而大大提高了分析檢測的靈敏度。質譜分析的基本原理是將被分析的物質用一定方式電離形成多種特定組成的離子,再將其引出聚焦成離子束,經加速后通過電場或(和磁場,由于各種離子的質荷比)不同,而被分別檢出。然后通過與標準圖譜對照或按照離子組成特點進行譜圖解析,以達到定性或定量分析的目的。質譜分析法具有精確可靠、靈敏度高、多用途等優點。1ppmV的SOF2、SOF4、CF4和其他不常見的氣體分解產物,如COS、Si(CH3)2F2。圖2-48GC-MS圖2-49超高壓SF6斷路器的SF6 表2-17SF6第四節互感器技術基礎及其參數電壓互感器的基本結構和變壓器很相似,它也有兩個繞組,一個稱為一次繞組,一個稱為二次繞組。兩個繞組都裝在或繞在鐵芯上。兩個繞組之間以及繞組與鐵芯之間都有絕緣,使兩個繞組之間以及繞組與鐵芯之間都有電的隔離。電壓互感器在運行時,一次繞組N1聯接在線路上,二次繞組N2并聯接儀表或繼電器。因此在測量高壓線路上的電壓時,盡管一電壓互感器。電磁式電壓互感器根據電磁感應原理變換電壓,原理與基本結構和變壓器完全相似,我國多在220k器、中間變壓器、阻尼器及載波裝置防護間隙等組成,目前我國110～500k電壓等級均有應用,超高壓變電站廣泛應用的電容式電壓互感器詳見本節“三、超高壓電站互感器。光電式電壓互感器通過光電變換原理以實現電壓變換,近年來才開始使用。路的負載,而與電流互感器的副邊負載無關。由于副邊接近于短路,所以原、副邊電壓U1U2都很小,勵磁電流I0流互感器是根據電磁感應原理實現電流變換的電流互感器光電式電流互感器是通過光電變換原理以實現電流變換的電流互感器。電壓等級越高,其制造工藝越復雜,可靠性越差,圖250所示為兩只單相電壓互感器接成不完全星形接線,廣泛地用于中性點不接地或經高阻抗接地的35k以下電網中,它既能節省一個電壓互感器,所需要的電壓。儀表電壓線圈接于—b相及—相之間。但這種接線不能用來測量相電壓。圖251所示為三相三柱式電壓互感器接線圖。互感器的一、二次線圖均接成星形,可以用來測量線電壓。但所接負荷過多時,而各相負荷分布不平衡,將使測量誤差增大。互感器高壓線圈中點不允許接地,否則當一次側電網發生單相接地時,因磁化電流比正常值大得多,及不接地兩相鐵芯磁通也超過正常磁通,可能使電壓互感器燒壞,互感器的錯誤接線,高壓線圈無中點引出線。圖2-50圖2-51圖2-52圖2-53圖2-54圖2-55圖2-56表2-18500kV圖2-571—均壓環;2—線路端子;3—高壓電容C1;4—中壓電容C2;5—低壓套管;6—電磁單元;7—二表2-19500kV圖2-58(一500kV圖2-58(二500kV圖2-59500kV第五節圖2-60的并聯電容器,如圖260所示。這種電容器是全密封免維護型的產品,具有占地面積小、運行安全可靠等特點。集合式電容器主要用于工頻電力系統進行無功補償,以提高電網功率因數,減少線路損耗,改善電壓質量,充分發揮發電、供電設備的效率。圖2-61由于容性電流IC相位超前電壓90°,可抵消一部分相位滯后于電壓90°的感性電流IX,使電流由I1減小為I2,相角由φ1減小到φ2,從而使功率因數從cosφ1提高到cosφ2,因此可求得提式中:P為負荷功率,kW電容器外部保護形式過電流速斷保護按短路電流進行整定,圖2-62并聯電抗器。一般接在超高壓輸電線的末端和地之間,表2-20500kV并聯線路電抗器的參數(A相表2-21500kV第六節避雷器技術基礎及其參數這里主要介紹金屬氧化物避雷器(MetalOxideArrester,MOA)金屬氧化物避雷器是一種現代的避雷器,由于具有許多優點, O2,Sb2O3,Cr2O3等金屬氧化物,經混合高溫燒結而成。其非線性比SiC好得多。在殘壓相體積小。結構簡單,無間隙。大大改善了避雷器陡波響應特性,圖2-63金屬氧化物避雷器伏-點b處,有電流為毫安級的殘壓值UNmA,一般取N=1,即1mA直流電流通過電阻元件時,在其MOA的溫度特性。MOA運行在小電流區域,呈負的溫度特性;電流超過100mA,溫度500kVZnO避雷器性能參數。表2-22MOA1mA參考電壓(kV)表2-23500kVZnO第三章電力系統內部過電壓理論分析電力系統內部過電壓是指電力系統中由于斷路器操作、故障或其他原因,使系統參數發生變化,引起電網內部電磁能量的轉化或傳遞所造成的電壓升高。內部過電壓的能量來源于電網本身,所以它的幅值與電網工頻電壓基本上成正比。一般將內部過電壓幅值與電網最高運行相電壓幅值之比稱為內部過電壓倍數Kn,表示內部過電壓的大小。Kn電力系統運行的可靠性很大程度上決定于設備絕緣水平及其工作狀況。因此,合理地規定電力設備和線路的絕緣水平并采取有效的防護措施具有十分重要的意義,而這一工作緣除了受到正常工作電壓的作用外,還將承受各種過電壓。由于系統外部雷電及內部開關操作、斷線、接地等的各種原因,電力系統中的某些部分會出現高于額定工作電壓的過電壓。概括起來,設備在運行中承受的電壓可分為四種類型類,正常運行條件下的工頻電壓類,暫時過電壓類,操作過電壓類,雷電過電壓。其中,類就是電網最高運行電壓。它比額定電壓高些,其值與額定電壓之比隨電網電壓等級的不同而有所差異。例如,220kV系統最高運行電壓為252k,即最高運行相電壓峰值為206k,500k電網系統最高運行電壓為550k。、兩類稱為內部過電壓,它是由于系統的內部狀態變化而產生的。過電壓的幅值與系統的額定電壓相關,因而常用過電壓倍數來表示幅值大小,并取最高運行相電壓幅值為基準值。暫時過電壓的產生原因很多,如空載長線路的電容效應、不對稱接地故障、突然甩負荷、線性或鐵磁諧振等。這類過電壓的持續時間比操作過電壓長,基本上與電路的穩態相聯系。操作過電壓是由于電網中某處參數突變如斷路器操作或線路對地短路而引入,它是電網從某一穩態向另一新穩態過渡階段中產生的,因此,它與電路的暫態相聯系,暫時過電壓相比其持續時間較短。雷電過電壓,顧名思義,它是與雷云發展、放電過程相聯系的。對較低電壓等級的電網,它是確定其絕緣水平的依據。隨電壓等級的提高,操作過電壓,以至于工頻電壓都逐漸上升為決定絕緣水平的主要因素。負荷等原因引起。一般,這類過電壓的本身幅值不直接對正常絕緣的電氣設備造成危害,但由于它對其他過電壓的潛在影響,在考慮超高壓遠距離輸電系統的絕緣配合時還必須給予特別重視。主要原因如下: 第一節工頻過電壓概括起來,設備在運行中承受的電壓可分為四種類型①正常運行條件下的工頻電壓暫時過電壓③操作過電壓④雷電過電壓。其中,①類就是電網最高運行電壓,它比額定電壓高些,其值與額定電壓之比,隨電網電壓等級的不同而有所差異。例如,220k系統最高運行電壓為252k,即最高運行相電壓峰值為206k,500k電網系統最高運行電壓為550k。②、③兩類稱為內部過電壓,它是由于系統的內部狀態變化而產生的,其包含的成分如下流流過時,由于電感與電容上的壓降UL、UC反相,且其有效值UC＞UL,單相線路的T型等值電路,圖中R0、L0分別為電源的內電阻和內電感,RT、CT、LT分別為圖3-1(b)所示的R、L、C串聯電路。空載線路的工頻容抗XC大于感抗XL,且R一般要比X和XC小得多,則在電源電壓的作用下,回路中將流過容性電流。由于電感上壓降UL與電容上的壓降UC反相,且UC＞UL,因此電容上的壓降大于電源電動勢,這就是空載線路的電容效圖3-1圖3-2式中:為系統電源電壓;Z為線路波阻抗;XS為系統電源等值電抗;ω為電源角頻率;v為光圖3-3線路末端電壓路,α約為0.06°/km,當=1500km時,αl=90°,U2=∞。此時,線路處于諧振狀態。表3-1圖3-4圖。當電源容量為無限大,即電源電抗 ,空載線路末端電壓相對于電源電動勢的升高可用K12表示,即。當電源容量有限,即XS≠0時,壓傳遞系 表示根據四端口網絡鏈接關系式,令 ,代入上式,得顯然,K02也是實數在式(3-6)中,電源電抗XS的影響通過角度φ表示出來。分析可知,XS使線路末端電壓升高得更為嚴重。由于αl+φ=90°時,K02→∞,相當于αl=90°-φ。對工頻線路,l＜1500km,綜上所述,電源感抗XS的存在使線路首端的電壓升高,從而加劇了線路末端工頻電壓的升高。電源容量越小(XS越大),工頻電壓升高就越嚴重。當電源容量為無窮大時,升高為最小。因此為了估計最嚴重的工頻電壓升高,應以系統最小電源容量為依據。在單電源供電的線路中,應取最小運行方式時的X為依據。在雙端電源的線路中,【例3-1】某500kV線路長300km,電源電抗XS=263.2Ω,線路參數 圖3-5設系統中相發生單相接地故障,其邊界條件為故障點相電0,非故障相的故障電流0。由邊界條件,按對稱分量關系可作出如圖35所示的復合序網絡。其中,為正常運行時故障點處的電壓,Z1、Z2、Z0分別為從故障點看進去的網絡正序、負序、零序入端阻抗(相應的電抗分別為X1、X2、X0),和分別為電網中電壓其中對于電源容量較大的系統,Z1≈Z2;如再忽略阻抗中的電阻分量,則式(3-9)時對地電壓有效值之比。接地系數K的大小與零序阻抗關系極大,K的大小決定于比值X1,而X0/X1的值取決于系統中性點的接地方式,接地系數亦由此得名。圖3-6給出了K與X1圖3-6對于中性點絕緣的3～10kV系統,X0主要由線路容抗決定,故應為負值。單相接地時, N考慮,避雷器的滅弧電壓 對于中性點直接接地的110kV、220kV系統,X0為不大的正值,X0/X1≤3,單相接地時,甩負荷引起工頻電壓升高的主要原因如下發電機電勢不能突變。當線路輸送大功率時,負荷后,由于磁鏈不能突變,發電機將在短時間內維持高的暫態電勢不變,導致母線電壓上升。功率P=3UphIphcosφ,無功功率Q=3UphIphsinφ,圖3-7中發電機電動勢為圖3-7母線電壓,正如計算表明E＞Uph。甩負荷以后,根據磁鏈不變原理,電源暫態電動勢維持式中:XS為電源的等值電抗;為發電機的暫態電抗;XT為變壓器的漏抗;ZC為線路的波阻抗;Pn為輸電線路的三相自然功率。設電源變壓器與發電機的容量相等,均為S(kVA),將XS化作以S為基值的標幺值,也就是說,在給定的參數條件下,甩負荷以前為保持母線電壓為 ph,電源電動E=1.186Uph。因此甩負荷后,電機的暫態電動勢仍是此值根據我國的運行經驗,在220k及以下電網中,一般不需要采取特殊措施去限制工頻電壓升高。在330k及以上的超高壓系統中,用,應當采取措施將工頻電壓升高限制在一定水平以下,如合理的電網接線科學的操作程序正確設置并聯電抗器和采用新型靜止無功補償器補償空載線路電容效應變壓器中性點直接接地可降低由于不對稱接地故障引起的工頻電壓升高發電機配置性能良好的勵磁調節器或調壓裝置,使發電機突然甩負荷時能抑制容性電流對發電機的助磁電樞反應,從而防止過電壓的產生和發展發電機配置反應靈敏的調速系統使得突然甩負荷時能有效限制發電機轉速上升造成的工頻過電壓等。依據T620—1997規定,330k以上系統母線上的工頻電壓升高不超過最高工頻相電壓的1.3倍,線路不超過1.4倍。鑒于在超高壓系統中,工頻電壓升高對確定絕緣水平有重要作用,應當采取措施將工頻電壓升高限制在規程規定的水平之下,并聯電抗器是補償空載線路電容效應的有效措施。高于電源電壓,因此,通過補償這種容性電流削弱電容效應,就可以降低這種工頻過電壓。由于并聯電抗器的電感能補償減小流經線路的容性電流,因此在超高壓線路上,常用并聯電抗以裝設在線路的末端、首端或中部。在超高壓系統中,隨著輸送距離的增長,線路的充電功率相當可觀,例如,我國500k線路若電壓按525k計算,則每百千米線路的充電功率可達110v,因此,超高壓系統中多采用并聯電抗器。根據具體系統情況,適當選擇電抗器的容量及不同的安裝位置,不但可降低線路的充電功率,也可以有效地將工頻電壓升高限制在規程規定的范圍之內。在實際系統中可能采用的并聯電抗器的連接位置如圖38所示,經研究分析得出了能限制工頻電壓升高效果的空載線路接有并聯電抗器時的電壓傳遞系數計算公式,見表32。圖3-8表3-2第二節諧振過電壓電路中的電感與電容、電阻一樣,都是常數。這類線性電感元件主要有不帶鐵芯的電感元件(如輸電線路的電感、變壓器的漏電感及激磁特性接近線性的帶鐵芯的電感元件(如消弧線圈。它們與系統中的電容元件形成串聯回路,自振頻率時,回路的感抗和容抗相等或相近而互相抵消,回路中產生串聯諧振。串聯諧振將在回路的電感和電容上產生遠大于電源電壓的過電壓,回路電流受回路電阻限制。系統中某些元件的電感會發生周期性變化,如發電機轉動時其電感的大小隨著轉子位置的不同而周期性地變化(凸極發電機的同步電抗在Xd與Xq之間周期變化)圖3-9500kV變電站主變35kV圖3-10上述反應電流與磁鏈大小比值的電感值實際上是靜態電感。在過渡過程中,應該采用反應電流與磁鏈變化量的比值,這就是動態電感Lddd。對于線性電感,中出現有3次、5次、……奇次諧波。對于動態電感值Ld,頻率變化的電感Ld(t)的波形。圖3-11設磁鏈為正弦波形Ψ(t)=Ψmsinωt,代入式(3-16)式(3-17)表明Ld(t)以電源頻率的偶數倍呈現周期性的變化。據此,可將電感隨時間的變化Ld(t)表示為在交流電源作用下,鐵芯元件的電感值作周期性的變化,這是產生鐵磁諧振的基本原因。電感值的這種變化并非外力作用引起的,特性引起的,因此鐵磁諧振也稱自參數諧振,以區別于參數諧振。由于鐵磁元件的非線性特性,電感值不是常數,中,既可能產生諧振頻率等于電源頻率的基波諧振,也可能產生高次諧波(如2次、3L(I)、UC(I),曲線上電壓及電流均用有效值表示。由于C為常數,UC(I)=I/(ωC)是一條直線。鐵芯電感則由于其磁飽和特性,電流較小時具有未飽和的電感值L0,UL(I)基本上是直線;隨著電流的增加,鐵芯逐漸飽和,電感值下降,UL(I)不再是直線。在滿足條件圖3-12圖3-13時,在I=IK處曲線UL(I)與UC(I)有交點K,這時UL=UC,如同線性回路的諧振點。在電流因為與反相, 時,。按照線性諧振的定義可以這樣理解如果鐵芯未飽和時,回路參數滿足式319)的條件,則回路的自振頻率低于電源頻率隨著線圈中電流的增加,電感值下降,使回路自振角頻率0上升到接近或等于電源角頻率滿足了串聯諧振的條件。總之,由于鐵芯的飽和,電感值下降,使回路由非諧振狀態轉化為諧振狀態,因此產生鐵磁諧振的條件是 K)點為不穩定工作點,回路的工作狀態只能穩在伏安特性ΔU(I)的Om段及pd段,前者稱為非諧振區,后者稱為諧振區。這是與線性回路的3-13中a1、a2、a3。但是要成為實際工作點,平衡點的穩定性,即若有一小擾動作用于回路,使回路狀態偏離平衡點之后,自動返回原平衡點,則該平衡點是穩定的,能夠成為回路的實際工作點如果小擾動之后,回路狀態更加偏離平衡點,則該平衡點是不穩定的,不可能成為回路的實際工作點。對于工作點a1,若由于某種擾動,回路電流有微小的增加,工作點由a1點沿ΔU(I)曲線偏離到a'1,但回路電動勢將小于總壓降,即ΔU(I)＞E,使電流減小而返回原工作點a1;相反,若擾動使回路電流下降,工作點由a1偏離到a″1,ΔU(I)＜E使電流增加而返回到原工作點a1,因此a1點是穩定的。同理,a3點也是穩定的。而對于a2點,若擾動使電流稍有增加,工作點由a2偏離至a'2,則ΔU(I)＜E,使回路電流繼續增加,直到工作點偏離到穩定的平衡點a3為止;反之,若擾動使電流稍有下降,工作點由a2偏離至a″2,則ΔU(I)＞E,使回路電流繼續減小,直到穩定的工作點a1為止,可見a2點不能經受任何微小的擾動,是不穩定的。根據以上分析,在一定電源電動勢作用下,串聯鐵磁諧振回路存在兩個可能的穩定工作點①非諧振工作狀態a1點,回路呈電感性,大;②諧振工作狀態a3點,工作區域超過了特性曲線的交點K,回路呈電容性,在圖313中,如果電動勢由零逐漸增加,回路的工作點將由點逐漸上升到點,隨后突變到n點,回路電流將由電感性突變為電容性若電動勢繼續上升,工作點將沿np變化若此后電動勢緩慢下降,工作點將不會沿n回到點,而是沿np降至p點,再突降到點,容性變成電感性。鐵磁諧振回路中這種工作點的躍變現象,使回路電流相位發生180的變化,稱為相位反傾現象。對于串聯諧振回路,產生鐵磁諧振的條件是ω0=,對一定的電感值L0,鐵磁在鐵磁諧振回路中,若電源電動勢較小,E＜Um時,大多可以自保持。若E＞Um,則只有一個基波諧振的穩定工作狀態,且可以自激產生。電機—升壓變壓器組接線圖和等值電路。其中,C12為變壓器高低壓繞組間的耦合電容,C圖3-14發電機—壓為。通常低壓側消弧線圈采用過補償運行方式,所以當L與3C0并聯后呈感性。在特條件下,當時,將發生串聯諧振,達到很高的數值,即出現了傳遞過電壓。15圖3-15圖3-16(或輕載)變壓器的勵磁電感,C0為每相導線對地電容,C12為導線相間電容,l為線路長度,器接在線路末端。若在離電源xx0～1處相導線斷線,斷線處兩側相導線的對地等值電容分別為xC0和1xC0。相電源側導線的相間電容為xC12,變壓器側導線的相間電容為=(1-x)C12。線路正序電容與零序電容的比值圖3-17圖3-16(b)一般1.5～2.0。由上式可知,C121C0。由于電源三相對稱,且相斷線后,、C相從電路上完全對稱,因而可以得到如圖316b的等值單相電路。利用戴維南定理可以進一步將該電路簡化為一串聯諧振電路,如圖317所示。圖中電源為、b兩端點間的開路電壓,等值電容為、b間的入口電容(電壓源短接計算如下:表3-3等值電容的數值較大,即當斷線故障發生在負載側(x=1)時,電容C最大達Cmax=3C0式中:L0若變壓器的勵磁阻抗Xm=ωL0,則上述情況下不發生斷線引起的基波鐵磁諧振過電壓設線路長度為lkm,則C0=0.005lμF,如斷路器操作后發生異常現象,圖3-18帶有Y0站母線上常接有Y0接線的電磁式電壓互感器,且其繞組中性點直接接地。于是,數除了電力設備和導線的對地電容 式中:Y1、Y2、Y3圖3-19正常運行時,Y1=Y2=Y3,所以很低,一般不大于15%,各相對地導納呈容性。擾動的結果是電壓互感器上某些相的對地電壓升高。假定B相、C相兩相電壓升高,流過L2和L3的電流增大,由于電感的飽和使L2和L3減小,這樣就可能使B相和C相的對地導納Y2和Y3呈感性,而Y1呈容性,容性導納與感性導納的抵消作用使Y1+Y2+Y3顯著減小,導納中性點位移電壓大大增加。如參數配合不當使Y1+Y2+Y3=0,則發生串聯諧振,劇上升,如圖3-19所示為中性點位移后的相量圖。中性點位移電壓為U0,在此情況下,B相兩相電壓升高,相電壓下降。這種結果與系統出現單相接地如相接地)的情況是相仿的,但實際上并不存在單相接地,所以此時出現的這種現象稱為虛幻接地現象。顯然,點位移電壓越高,出現相對地的過電壓也越高。為了限制和消除這種鐵磁諧振過電壓,可以采取以下措施選用勵磁特性較好的電磁式電壓互感器,組的兩端接上電阻R(R≤0.4XT,XT為互感器在額定線電壓作用下換算到電壓側繞組的單相圖3-20第三節弧光接地過電壓圖3-21(a)所示為中性點絕緣系統發生單相接地故障時的等值電路圖。圖中C1、C2、C3分別為各相導線的對地電容,設C1=C2=C3=C,則正常情況下中性點電位為零,UN=0。當 壓[圖3-21(b)],C2、C3中的電流分別領先 圖3-21式329表明,單相接地時流過故障點的容性電流與線路對地電容及系統額定電壓成正比。因此為了簡化,工程上常以每千米線路每千伏線電壓產生的電容電流I0表示。對于表3-4(幾百安以下感—電容回路的電磁振蕩過程,產生遍及全系統的弧光接地過電壓。而且由于電弧過程的強烈的隨機性,過電壓倍數亦具有統計性質。根據國內外實測,弧光接地過電壓一般不超過3倍,個別可達3.5倍。這種過電壓持續時間可能較長,如不采取措施,可能危及設備絕緣,引起相間短路,中性點經消弧線圈接地方式,是消除弧光接地過電壓最有效的措施。圖3-21(a)所示等值電路中,A相發生單相接地故障,設以uA、uB、uC代表三相電源電壓以u1、u2、u3代表三相線路對地電壓(也就是三相線路對地電容C1、C2、C3上的電壓)相電容C1上的電荷通過電弧電流泄放入地,電壓突降為零。兩健全相電容C2、C3由電源線電壓通過電源內電抗LS(等值電路中未畫出) 回路的振蕩角頻率則由電路參數決定,圖3-22圖3-22中,在t1瞬間故障相燃弧后,B相、C相分別發生對地電容C2、C3的高頻振蕩的充電過程,在t1時刻,故障電流i(t)的工頻分量為零(由圖3-21(b)矢量圖中落后90°),t1時刻個工頻周期以后,即發生在t2=t1+時刻,所以故障電弧將持續0.01s。t=t2熄弧過程的電壓穩態值似乎是三個相電壓在時刻的瞬時值。但是由于系統中性點是這個電荷重新分配過程實際上就是電容C2、C3通過電源電抗對C1由于時刻各相電壓的新穩態值與時刻分別相等,因此t2時刻故障電弧熄滅后將不會在t2半個周期以后即t3=t2+時,故障相電壓達到最大值2Uphm,如果這時故障點再次燃弧,u1突降為零,電路將再次出現過渡過程。這次燃弧過程的電壓起始值為即線路電容C2、C3分別被電源通過電源電抗由0.5Uphm充電至-1.5Uphm,振蕩過程中過圖3-23及大氣條件的影響,電弧的燃燒與熄滅具有強烈的隨機性質,直接影響過電壓的發展過程,使過電壓數值具有統計性。以上分析是在一定的假設條件下進行的,即第一次發弧及重燃均發生在故障相電壓達到最大值的時刻,且熄弧發生在工頻電流過零的時刻。大量實測表明,燃弧不一定發生在故障相達最大值的時刻,熄弧可能發生在工頻電流過零的時刻,也發現在第一次或幾次高頻電流過零后熄弧的情況。 3=C、C12=C23=C31=Cm。分析可知,故障點燃弧后,在電路上相當于C12與C2、C31與C3綜上所述,這種過電壓的幅值并不太高,但是這種過電壓遍及全系統,且持續時間較長,對于絕緣較弱的設備威脅較大,必須予以重視。第四節過去,在110～220k系統中,由于斷路器的重燃問題沒有很好地解決如老式的油斷路器致使這種過電壓可高達3p.u.以上,持續時間長達0.5～1個工頻周期。因此,圖3-24LT—線路電感;CT—線路對地電容;LS—電源系統等值電感(發電機、變壓器的漏感之和);e(t)—電源電勢;CS—電源側對地電容(變壓器、母線等對地電容);uAB—斷路器觸頭兩設電源電勢為e(t)=Emcosωt,電路中的容抗大于感抗,流過容性電流,因此,電流i(t)超前e(t)90°。忽略線路的容升效應,斷路器分斷之前線路電壓u(t)(即電容CT上的電壓)就等于電頭開始分離;當t=t1時,工頻電流過零,電弧熄滅,此時電容上的電壓為u(t)=-Em,如圖3-25示。不考慮線路的泄漏,斷路器分斷后,CT上的電壓將保持-Em不變;但電源側觸頭(A點)上的電壓仍按電源電勢變化(圖3-25中虛線所示),于是斷路器觸頭上恢復電壓uAB[其值為uAB=e(t)-(-Em)=Em(1+cosωt),如圖3-25中陰影部分所示]越來越大。產生過電壓;否則,在t1～t2的時間間隔內可能發生重燃。圖3-25t1—第一次斷弧;t2—第一次重燃;t3—第二次斷弧;t4—第二次重燃;t5—按最嚴重情況考慮,設重燃發生在恢復電壓uAB最大的時刻t2,重燃前瞬間uAB=2Em。電弧的重燃首先使CT與CS并聯起來,兩電容上的電荷重新分配,然后電容C(C=CS+CT)上的電壓過渡為電源電壓Em。而此回路是一振蕩回路,所以電弧重燃后將產生暫態的振蕩過程,振蕩頻率為f0=1/(2π),因網絡參數的不同可達數百至數千赫茲。電荷重新分配后電容上的電壓為振蕩電壓的起始值,Em,這就減小了振蕩產生的過電壓。但在一般情況下,CS?CT,因此在分析時忽略Cs的作用,仍設起始電壓為-Em。可以認為在高頻振蕩過程中,電源電勢保持Em不變,由于回路中的損耗,CT上的電壓u(t)會趨于電源電勢Em。高頻振蕩時u(t)的最大值為Em+[Em-(-Em)]=3E由圖3-25所示,t3時刻振蕩電壓到達最大值3Em,線路容性電流i(t)高頻電流一般只有半個周波。電弧熄滅后,線路電容電壓保持在3Em。此后,觸頭之間的距離越來越大,但恢復電壓越來越高。到t4時刻,恢復電壓uAB可達4Em,如在此時再次發生重燃,則CT上的電壓將由3Em振蕩變為-Em,振蕩時的最大值為-Em+[-Em-(3Em)]=-5Em。假如繼續每半個工頻周期后就重燃,則線路上的過電壓將按3Em、-5Em、7Em、…的規律變化,越來越高,直到觸頭間已有足夠的絕緣強度,電弧不重燃為止。會影響過電壓大小的因素歸納如下路時,工頻電流過零時熄弧,被分閘的線路保持-Em,未分閘的線路電壓按電源電壓變化。在重燃的瞬間,未開斷線路(電壓為Em)上的電荷將迅速與斷開線路(電壓為-Em)上的殘余電荷中性點接地方式。中性點直接接地系統中,各相自成獨立的回路,相間電容影響不大切除空載線路過電壓的產生過程如上所述。但在中性點非有效接地系統中,三相斷路器的分閘不同期會形成瞬間的不對稱電路,使中性點發生偏移,相間電容也將產生作用,使整個分閘過程變得更為復雜,在不利的條件下,過電壓明顯增大,一般比中性點直接接地時的過電壓高20%左右。在電力系統中,空載線路的合閘也是常見的一種操作。通常分成兩種情況正常計劃性)合閘和自動重合閘。由于初始條件的差別,況。路不存在接地故障,三相對稱,為零初始狀態。假設三相接線完全對稱,在合閘初瞬,電源電壓通過LS對CT充電,回路中將發生高頻振蕩,振蕩頻率為f嚴重的情況是在電源電壓e(t)為幅值Em時合閘,此時可以看作是合閘于直流電源Em的振蕩回路,則合閘過電壓的幅值=穩態值+(穩態值-初始值)=Em+(Em-0)=2Em。過電壓波形如圖27圖3-26LS—系統等值電感;CT—線路對地電容;e(t)—圖3-27 2.重合閘操作,這也是系統中經常遇到的一種操作。如圖3-28所示,當C相接地時,K2先跳閘,后K1跳閘。在開關K2跳閘以后,流經開關K1中非故障相的電流是線路電容電流。當電流為零、電源電壓達到最大值Em的時刻,K1熄弧,于是在健全相線路上將留有殘余電壓。考慮到線路單相接地、空載線路的電容效應,該殘余電壓的數值會略高于Em,平均殘余電壓為uT=1.3Em。在開關K1重合閘前,線路上的殘余電荷將通過線路泄漏電阻入地,圖3-28設K1重合閘前,線路殘余電壓已下降了30%,即ur=(1-0.3)×1.3Em=0.91Em。最嚴重的情況是電源電壓與線路殘余電壓反極性,并且為峰值-Em時合閘,這時線路發生高頻振蕩,穩態值為-Em,初始值為0.91Em,故最大值為圖3-29實測120～220kV如果不考慮線路電荷泄漏,過電壓還會更高;但重合閘時刻電源電壓不一定為-Em,這時的瞬時值取決于它的相位,它遵從于統計規律。由于斷路器在合閘時有預擊穿現象,位影響較小,這種斷路器有兩個觸頭,主觸頭K1并聯一個電阻,2是輔助觸頭,如圖330所示。斷器的動作分兩步進行。分閘時先斷開主觸頭K1,線路仍通過與電源相連,線路上的殘余荷可通過向電源釋放。這時上的電壓即為K1上的恢復電壓只要不太大,主觸頭間就會發生電弧的重燃。再經過1.5～2個工頻周期后,輔助觸頭2斷開,因消耗了部分能量,線路殘余電壓較低,故觸頭K2上的恢復電壓不高,K2上不易發生電弧重燃。即使發生重燃,因串在回路中抑制了振蕩,過電壓也顯著降低,實際值只有2.28p.u.左右。從K 1斷開不易發重燃的目的出發,希望值小些從抑制振蕩和使K 2不易發生重燃的角度看又希望值大些所以對一般開關取1000～3000,這樣的電阻稱為中值并聯電阻。圖3-30 我國在幾十條110～220k線路上進行了實測,結果表明,切除空載線路過電壓是隨機變量,其統計分布近似正態分布。按斷路器性能分類有如下結果使用重燃次數較多的斷路器時,出現3.0p.u.過電壓的概率為0.86使用重燃次數較少的空氣斷路器時,出現2.6p.u.的概率為0.73使用油斷路器時的最大過電壓為2.8p.u.使用中值和低值并聯電阻時,過電壓被限制在2.2p.u.以下。在中性點非有效接地的電網中,這種過電壓一般不超過3.5p.u.。在110～220k電網中,切空線過電壓低于線路絕緣水平,所以我國生產的110～220k統的各種斷路器一般不加并聯電阻。在超高壓電網中,斷路器都帶有并聯電阻,從而基本上消除了電弧的重燃。在330k中測到的最大過電壓只有1.19p.u.,而合閘過電壓卻達到2.03p.u.。這些情況說明,在超高壓電網中,切空線過電壓已被限制,合閘過電壓已成主要矛盾,成為決定超高壓電網絕緣水平的主要因素之一。圖3-31并聯電阻R與過電壓倍數K0采用帶并聯電阻的斷路器是限制空載線路合閘過電壓的最有效的措施。如圖331所示,帶并聯電阻開關合閘時,輔助觸頭2先接通,電阻對回路中的振蕩過程起阻尼作用,使過渡過程中的過電壓降低,電阻越大,阻尼作用越強,過電壓也就越低。經1.5～2個工頻周期左右,主觸頭1再閉合,將合閘電阻短接,完成了合閘操作。由于前一階段回路振蕩受到R阻尼而被削弱,電阻兩端的電壓較低,因此和電阻并聯的主觸頭兩端的電位差也比較小,因而主觸頭閉合后回路中的振蕩過程就較弱,過電壓也就較低。很明顯,越小,其兩端的電位差也就越小,過電壓就越低。從以上分析可見,輔助觸頭K2閉合時要求合閘電阻R大,而主觸頭K1閉合時要求R小,圖3-31所示為500kV開關并聯電阻R與合閘過電壓倍數K0的關系曲線,當采用450Ω表3-5500kV斷路器(帶合閘電阻)安裝在線路首端和末端(線路斷路器的線路側)的ZnO避雷器均能對空載線路合閘過電第五節為了防止損壞設備,必須迅速切除接地相甚至三相,從經濟角度看,中性點直接接地是一種投資最小的接地方式,其主要原因如下中性點不接地方式系統弧光接地過電壓的產生可分以下兩種情況電網電容電流大于熄弧臨界值11.4,此時接地電弧在電流過零時短暫熄滅,在峰值附近重燃,形成時斷時續的間歇性電弧。由于電網是由電感、電容和電阻等元件組成的網絡,電弧間歇性的熄滅與重燃會導致網絡強烈的電磁振蕩,產生嚴重的過渡過程過電壓,且過電壓持續時間長,遍及全網,會使電網中絕緣弱點發生擊穿,如電纜頭爆炸、避雷器爆炸等,時過電壓的幅值可達3.5,因而弧光接地過電壓對電網構成了較大的危害。采用中性點經消弧線圈接地方式即在中性點和大地之間接入一個電感消弧線圈,中性點經消弧線圈接地又稱為諧振接地(共振接地網系統。這種系統中,用消弧線圈的目的是補償或中和電網中的接地電容電流。經消弧線圈接地系統,單相接地電流將可以被補償或中和到很小的數值,因此一般情況下接地電弧不能維持,而且在電流經過零點使電弧熄滅后,消弧線圈的存在還能顯著減小故障相電壓的恢復速度,減小電弧重燃的可能性。正是這樣,單相接地故障將會自動消除。應用消弧線圈不但可以使單相接地故障所引起的停電事故大大減小,還將大大減少發生多相短路故障的次數。但是該系統也有它自己的缺點,補償電網的運行比較復雜,接地投資也比較大,接地選線保護存在一些困難。該系統的主要缺點是同中性點不接地系統相似,第四章基于PSCAD/EMTDC軟件的電力系統計算本章主要介紹了電磁暫態軟件PSCAD/EMTDCX4版本的應用,詳細分析了各元件庫的第一節PSCAD/EMTDC TransientsinDCSystem,直流系統電磁暫態)是電力系統數字仿真軟件。PSCAD(PowerSystemsComputerAidedDe