畢業(yè)設(shè)計（論文）基于Matlab的合閘空載線路過電壓仿真分析

1、學(xué) 號： 18074522南京師范大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目基于matlab的合閘空載線路過電壓仿真分析學(xué) 院中北學(xué)院專 業(yè)電氣工程及其自動化班 級姓 名指導(dǎo)教師-目錄-1第1章 緒論- -2 1.1課題研究目的和意義- -2 1.2國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢-31.3 本論文研究內(nèi)容 - -6第2章matlab/simpowersysterms的使用-7 2.1 matlab/simulink概述-72.1.1 matlab/simulink發(fā)展簡史-72.1.2 simpowersystems庫發(fā)展簡史-82.2 simulink的基本操作-92.2.1 模塊及信號線的基本操作-92.

2、2.2 系統(tǒng)模型的基本操作-112.3 simulink 系統(tǒng)建模的步驟-112.4斷路器合閘電阻值及接入時間選取-122.5空載線路合閘過電壓- -132.6操作過電壓分析 -142.6.1操作過電壓的限制措施-152.7空載線路合閘過電壓仿真模型的建立-1627.1未使用合閘電阻的仿真模型的建立過程-16未使用合閘電阻的仿真參數(shù)的設(shè)置-17未使用合閘電阻的仿真波形-19得到的結(jié)論-192.7.2使用單級合閘電阻-202.7.3使用兩級合閘電阻-212.7.4使用三級合閘電阻-22第3章 結(jié)論-22第4章 工作進度安排-22第5章 參考文獻-23第6章 英文原文-24第7章 譯文-28第8章

3、 致謝-30第1章 緒論1.1課題研究目的和意義 我國電網(wǎng)的特點是能源資源與經(jīng)濟發(fā)展地理分布極不平衡，水電主要分布在西南、西北地區(qū)，煤炭主要集中在華北地區(qū)，負(fù)荷中心卻集中在東部和東南部的沿海地區(qū)。所以根據(jù)我國的國情必須發(fā)展長距離、大容量電能傳輸技術(shù)，實現(xiàn)西電東輸，北電南送。特高壓輸電技術(shù)具有跨區(qū)域、大容量、遠(yuǎn)距離、低損耗等優(yōu)勢，無論從電網(wǎng)發(fā)展，還是從能源資源分布條件和國家經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展需求來看，建設(shè)特高壓輸電工程，將特高壓線路作為全國電網(wǎng)的主網(wǎng)架是我國電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，是提高我國能源開發(fā)和利用效率的基本途徑，是培育和發(fā)展國家電力市場的重要條件，同時也是滿足未來持續(xù)增長的電力需求的根本保證。

4、建設(shè)特高壓電網(wǎng)是電力工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新的重大舉措。我國電力工業(yè)必須依靠科技進步，不斷創(chuàng)新，實現(xiàn)加速發(fā)展。以特高壓電網(wǎng)為核心的國家電網(wǎng)建設(shè)，將使我國電力科技水平再上一個新臺階建設(shè)特高壓電網(wǎng)，是世界電網(wǎng)發(fā)展領(lǐng)域一項嶄新的事業(yè)，可以增強我國的科技自主創(chuàng)新能力，占領(lǐng)世界電力科技的制高點。我們要敢為人先，敢于走在世界電網(wǎng)科技發(fā)展的前列。目前，我國500kv輸變電技術(shù)已基本成熟，國內(nèi)具備了相應(yīng)的設(shè)計、建設(shè)和運行能力，設(shè)備制造也基本實現(xiàn)了國產(chǎn)化。加快建設(shè)特高壓電網(wǎng)，對于推進我國電網(wǎng)的技術(shù)升級，帶動國內(nèi)相關(guān)科研、設(shè)計部門以及制造、建設(shè)等企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新，提高電力及相關(guān)行業(yè)的整體技術(shù)水平和綜合競爭實力，都具有重要意義建

5、設(shè)特高壓電網(wǎng)是提高電力工業(yè)整體效益的必然選擇。發(fā)展大電網(wǎng)是電力工業(yè)發(fā)展的客觀規(guī)律。發(fā)展特高壓輸電網(wǎng)，把送端和受端之間大容量輸電的主要任務(wù)轉(zhuǎn)到特高壓輸電上來，以減少輸電網(wǎng)損，提高電網(wǎng)的安全性，使整個電力系統(tǒng)能繼續(xù)擴大覆蓋范圍，有效地利用整個電網(wǎng)內(nèi)各種可以利用的發(fā)電資源，大電網(wǎng)不僅在資源優(yōu)化配置中具有重要作用，而且在安全性、可靠性、靈活性和經(jīng)濟性等方面具有諸多優(yōu)越性。我國地域遼闊，時差、季節(jié)差十分明顯，加上地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不平衡，使不同地區(qū)的電力負(fù)荷具有很強的互補性。特高壓電網(wǎng)在合理利用能源，節(jié)約建設(shè)投資，降低運行成本，減少事故和檢修備用，獲得錯峰、調(diào)峰和水火、跨流域補償效益等方面潛力巨大。建設(shè)特高壓

6、電網(wǎng)，不僅可以節(jié)約裝機、降低網(wǎng)損、減少棄水、提高火電設(shè)備利用率、節(jié)約土地資源，還可以提高電網(wǎng)的安全運行水平，避免500kv電網(wǎng)重復(fù)建設(shè)等問題，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。根據(jù)規(guī)劃，特高壓電網(wǎng)建成后，可節(jié)約發(fā)電裝機2000萬千瓦，每年可減少發(fā)電耗煤2000萬噸。建設(shè)特高壓電網(wǎng)是提高我國能源開發(fā)和利用效率的基本途徑。我國是全球第一大煤炭消費國和第二大石油、電力消費國。煤炭占全國能源生產(chǎn)和消費總量的比重高達(dá)2/3左右，但開發(fā)和利用的總體效率還比較低。同時，我國生產(chǎn)力發(fā)展水平的地區(qū)差異很大，一次能源分布嚴(yán)重不均衡。能源需求主要集中在東部和東南部經(jīng)濟較發(fā)達(dá)地區(qū)，約占需求總量的3/4左右；用于發(fā)電的煤炭

7、和水力資源，則主要分布在北部和西部地區(qū)。這種能源分布與消費的不平衡狀況，決定了能源資源必須在全國范圍內(nèi)優(yōu)化配置，以大煤電基地、大水電基地為依托，實現(xiàn)煤電就地轉(zhuǎn)換和水電大規(guī)模開發(fā)，并通過建設(shè)特高壓電網(wǎng)，實現(xiàn)跨地區(qū)、跨流域水火互濟，將清潔的電能從西部和北部大規(guī)模輸送到中東部地區(qū)。發(fā)展特高壓電網(wǎng)，有利于西部地區(qū)將資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟優(yōu)勢，促進西部大開發(fā)，實現(xiàn)區(qū)域經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展；有利于在西部和北部煤炭基地發(fā)展壯大一批大型煤炭和發(fā)電企業(yè)，提高煤炭、發(fā)電行業(yè)的集約化發(fā)展水平，提高資源的開發(fā)和利用效率。建設(shè)特高壓電網(wǎng)是培育和發(fā)展國家電力市場的重要條件。發(fā)展電力市場的根本目的在于發(fā)揮市場對資源配置的基礎(chǔ)性作用，有

8、效調(diào)節(jié)電力供求關(guān)系，引導(dǎo)電力投資，優(yōu)化能源資源配置，提高效率和效益。電網(wǎng)是電力市場的基礎(chǔ)和載體，只有建設(shè)特高壓電網(wǎng)，才能實現(xiàn)跨地區(qū)、遠(yuǎn)距離的電能輸送和交易，更好地調(diào)節(jié)電力平衡，促進全國范圍的資源優(yōu)化配置，發(fā)揮國家級電力市場的作用。電力工業(yè)長期以來“重發(fā)(電)輕供(電)”，造成電網(wǎng)投入不足，電網(wǎng)建設(shè)嚴(yán)重滯后，近年來，隨著電源建設(shè)步伐的加快，電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)滯后的矛盾進一步加劇。電網(wǎng)建設(shè)難以有效促進西部煤電基地的集約化開發(fā)，造成東部地區(qū)新增大量煤電項目，加劇了煤炭供應(yīng)和交通運輸?shù)木o張局面，降低了全國范圍的能源配置和利用效率，也增加了環(huán)保壓力，影響了國家的整體利益。建設(shè)特高壓電網(wǎng)是滿足未來持續(xù)增長的電力

9、需求的根本保證。到2004年，我國電力裝機總?cè)萘恳堰_(dá)4.4億千瓦。目前，我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，電力需求快速增長，預(yù)計在未來的15年間，我國新增裝機將超過5億千瓦。我國現(xiàn)有電網(wǎng)主要以500kv交流和正負(fù)500kv直流系統(tǒng)為主，電力輸送能力和規(guī)模受到嚴(yán)重制約，只有加快建設(shè)電壓等級更高、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)更強、資源配置規(guī)模更大的以特高壓電網(wǎng)為核心的國家電網(wǎng)，才能滿足大規(guī)模的電力輸送和供應(yīng)，保障全面建設(shè)小康社會目標(biāo)的實現(xiàn)。因此，必須加快特高壓電網(wǎng)建設(shè)，促進電網(wǎng)與電源協(xié)調(diào)發(fā)展，推動國家電力市場建設(shè)，滿足國民經(jīng)濟發(fā)展的需要然而發(fā)展特高壓是一項極具挑戰(zhàn)性的工作，目前國內(nèi)外尚無實際運行經(jīng)驗，要建立

10、特高壓網(wǎng)架，必須進行大量認(rèn)真細(xì)致的研究。電網(wǎng)電壓等級越高，技術(shù)要求就越高，特高壓輸電技術(shù)的一個重要技術(shù)經(jīng)濟參數(shù)是絕緣水平，而與絕緣水平有直接關(guān)系的就是過電壓倍數(shù)。特高壓遠(yuǎn)距離輸電線路的空載長線電容效應(yīng)將會引起很高的工頻過電壓，在此基礎(chǔ)上輸電線路開關(guān)的操作會在輸電線路及與其連接的設(shè)備上產(chǎn)生更高的過電壓，如何限制特高壓輸電線路的操作過電壓倍數(shù)，是發(fā)展特高壓電網(wǎng)所要解決的重大問題。操作過電壓的允許值與系統(tǒng)的額定電壓有關(guān)，330kv系統(tǒng)操作過電壓倍數(shù)要求不超過2.2pu，500kv系統(tǒng)不超過2.0pu，也就是說電網(wǎng)的額定電壓越高，對限制操作過電壓的要求也越嚴(yán)格。根據(jù)前蘇聯(lián)、日本和意大利等國的研究資料，

11、1000kv輸電線路允許的過電壓倍數(shù)為低于1.61.8倍，明顯低于500kv系統(tǒng)的2倍。這將對電網(wǎng)操作過電壓允許值提出更加苛刻的要求，即500kv及以下電壓等級電網(wǎng)中已滿足的過電壓限壓要求在1000kv電網(wǎng)中將不能被滿足，而原來不成問題的一些種類過電壓也可能成為必須考慮的問題。我國電力工程實踐表明，由于超高壓輸電線路上的單相重合閘過電壓通常低于空載線路合閘過電壓，并且我國電力系統(tǒng)一般不采用三相重合閘，因此在特高壓線路的操作過電壓絕緣配合中空載線路合閘過電壓就具有非常重要的意義。 1.2國內(nèi)外研究概況、水平和發(fā)展趨勢 電力系統(tǒng)的輸電線路以及電氣設(shè)備都有各自的電感和電容，由于系統(tǒng)運行狀態(tài)的突然變化

12、，導(dǎo)致電感和電容元件間電磁能量的互相轉(zhuǎn)換，就會引起振蕩性的過渡過程。 這個過渡過程會在輸電線路、某些電氣設(shè)備或者局部電網(wǎng)上造成很高的電壓，即遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常運行的電壓，稱為操作過電壓。 操作過電壓的幅值與波形顯然跟電力系統(tǒng)的參數(shù)有密切的關(guān)系，這一點與雷電過電壓不同，后者一般取決于接地電阻，與系統(tǒng)電壓等級無關(guān)。操作過電壓則不然，由于其過渡過程的振蕩基值即是系統(tǒng)運行電壓，因此電壓等級越高，輸電線路越長，操作過電壓的幅值也就越高。在不同的振蕩過程中，振蕩幅值最高可達(dá)最大相電壓峰值的34倍。特高壓線路參數(shù)與超高壓線路參數(shù)相比，為了提高其傳輸能力，減小電壓損耗，其分布電阻和電感較小，而分布電容較大。另外特高

13、壓輸電線一般比較長，所以電壓、電流在暫態(tài)過程中呈現(xiàn)波的特性，特別是在故障和斷路器操作過程中更為明顯。目前國內(nèi)外學(xué)者提出了很多過電壓分析計算方法，不同之處主要在于長線模型的處理方法上。 最初，分析過電壓的傳統(tǒng)方法是使用模擬裝置，即內(nèi)部過電壓模擬裝置，或稱瞬態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀(tna)。而現(xiàn)在數(shù)字計算機己經(jīng)成為一種必要的工具，使得過去難于計算的過電壓問題，能借助計算機得到可靠的結(jié)果。模擬裝置的優(yōu)點在于能夠形象地深入了解現(xiàn)象地發(fā)展過程，但由于受到設(shè)備的限制，很難改變系統(tǒng)的接線和調(diào)節(jié)元件的特性。對于計算機而言，則不像模擬裝置那樣，它沒有改變系統(tǒng)接線和參數(shù)的困難，一旦建立了比較準(zhǔn)確的計算方法，就能有意識地改變

14、某些參數(shù)，從而進行過電壓對一些影響參數(shù)的敏感性分析。目前，對分析過電壓來說，模擬實驗室和數(shù)值計算可看作是相互補充的手段。 六十年代以來，對過電壓的數(shù)值計算，先后提出了不同的計算方法，不同之處主要反映在對分布參數(shù)長線的處理方法上，例如： 1、行波法； 2、差分法； 3、拉普拉斯變換法； 4、用集中參數(shù)的t和型鏈代替分布參數(shù)長線的方法。 上述1，2，3種方法歸結(jié)起來就是解決含r、l、c復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)瞬態(tài)計算的兩種時域方法。一種是列出并求解表示網(wǎng)絡(luò)特性的聯(lián)立微分方程；另一種方法是用近似的電導(dǎo)和等效電流源的組合來代替電感和電容，然后求解所得的聯(lián)系代數(shù)方程。實際過電壓計算中，主要采取后一種方法。 在以上方法中

15、，行波法利用相模變換，可以將三相網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)榈刃У膯蜗嗑W(wǎng)絡(luò)，然后采用微分方程來進行電壓計算。其特點是在保證精度前提下盡量簡化，缺點是如果把線路看成無畸變線時，即夸大了漏電導(dǎo)的作用，在某些情況下，可能會導(dǎo)致衰減過快的錯誤結(jié)論。道米爾給出了小損耗線路模型，他把線路總的電阻的四分之一放在線路兩端，而二分之一插入線路中間。目前的過電壓計算中，行波法與差分法、拉普拉斯變換法共同使用，形成了網(wǎng)格法和貝杰龍(bergeron)法兩種計算方法。這兩種方法的共同點是： 1、參數(shù)長線的計算本質(zhì)是相同的，均是由拉普拉斯變換導(dǎo)出的行波法在時間域內(nèi)直接求解；2、導(dǎo)線被看作無損耗定常數(shù)參數(shù)導(dǎo)線時，上述兩種方法給出的解答是一

16、樣的； 3、數(shù)學(xué)模型均不夠嚴(yán)格(未考慮參數(shù)的頻率特性，認(rèn)為特性阻抗為常數(shù))。 這兩種方法的不同點是當(dāng)考慮線路損耗時，處理方法不同，網(wǎng)格法常引入衰減系數(shù)，這實際是把導(dǎo)線看作為無畸變線，而貝杰龍-道米爾法是把導(dǎo)線看作為“小損耗”線，前者夸大了漏電導(dǎo)的作用，而后者忽略了電導(dǎo)的作用；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中含有l(wèi)、c集中參數(shù)元件時，貝杰龍法采用的是梯形積分規(guī)則，截斷誤差為零。當(dāng)步長h較小時，用梯形差分格式的伴隨模型和用等效的短線計算所得的結(jié)果差別很小；雖然網(wǎng)格法有一定的應(yīng)用范圍，但貝杰龍法有更大的通用性。道米爾(dommel)等人采用貝杰龍方法于1969年完成的bpa通用電磁瞬態(tài)程序(emtp)，它可用于大型復(fù)雜系統(tǒng)

17、，現(xiàn)已得到廣泛的應(yīng)用。而用集中參數(shù)的t和型鏈代替分布參數(shù)長線的方法，其主要思想是采用有限個單元組成的鏈代替分布參數(shù)的長線，計算結(jié)果與采用行波法所得結(jié)果相比有一定誤差，其誤差隨著鏈的個數(shù)增大而減小。利用行波法、差分法、拉普拉斯變換法和用集中參數(shù)的t和型鏈代替分布參數(shù)長線這四種方法通過計算機可以很好的計算出各種情況(故障、跳閘、合閘)下輸電線路的過電壓，但其缺點是不能明確的分析出電力系統(tǒng)運行狀態(tài)和線路參數(shù)對各種情況下過電壓的影響： 1、線路長度和電源等效電抗對線路工頻過電壓的影響； 2、故障前線路上的電感電流以及電容電壓和電源相角對故障過電壓的影響； 3、跳閘前線路上的電感電流以及電容電壓和電源相

18、角對跳閘過電壓的影響； 4、合閘前瞬間的線路殘壓和電源相角對合閘過電壓的影響。 特高壓交流輸電可根據(jù)需要由中途落點向沿途地區(qū)供電，靈活性較強，具有網(wǎng)絡(luò)功能，采用特高壓聯(lián)接大區(qū)電網(wǎng)，錯開高峰，互為備用，聯(lián)網(wǎng)效益明顯。特高壓交流電網(wǎng)的突出優(yōu)點是：輸電能力大、覆蓋范圍廣、網(wǎng)損小、輸電走廊明顯減少，能靈活適應(yīng)電力市場運營的要求。因此，世界各國紛紛對此進行研究和建設(shè)，20世紀(jì)70年代，歐洲、美國及日本等國家對交流l000kv級特高壓(uhv)輸電技術(shù)進行了探索，其中前蘇聯(lián)、美國、意大利和日本是世界特高壓輸電的先行者，他們都曾建成交流特高壓試驗線路，進行了大量的交流特高壓輸電技術(shù)研究和試驗，但是最終只有前

19、蘇聯(lián)和日本建設(shè)了交流特高壓線路。 前蘇聯(lián)在前期研究的基礎(chǔ)上，從1981年開始動工建設(shè)1150kv交流特高壓線路，分別是?；退箞D茲-科克契塔夫494公里，科克契塔夫-庫斯坦奈396公里。1985年8月，世界上第一條1150kv線路埃基巴斯圖茲-科克契塔夫在額定工作電壓下帶負(fù)荷運行，后延伸至庫斯坦奈。1992年1月1日，通過改接，哈薩克斯坦中央調(diào)度部門把1150kv線路段電壓降至500kv運行。從1981年到1989年，前蘇聯(lián)還陸續(xù)建成特高壓線路1500公里，總體規(guī)模達(dá)到2400公里。目前全部降壓至500kv運行。 日本于1988年秋動工建設(shè)1000kv特高壓線路，1992年4月28日建成從西群

20、馬開關(guān)站到東山梨變電站的西群馬干線138公里線路，1993年10月建成從柏崎刈羽核電站到西群馬開關(guān)站的南新瀉干線中49公里的特高壓線路部分，兩段特高壓線路全長187公里，目前均以500kv電壓降壓運行。1999年完成東西走廊從南磐城開關(guān)站到東群馬開關(guān)站的南磐城干線194公里和從東群馬開關(guān)站到西群馬開關(guān)站的東群馬干線44公里的建設(shè)，兩段特高壓線路全長238公里。目前日本共建成特高壓線路426公里。 在特高壓方面我國起步雖然比較晚，但發(fā)展較快，西北地區(qū)750kv交流輸電線路已經(jīng)建成投產(chǎn)。2006年8月19日，我國第一個百萬伏級電壓等級特高壓交流工程：晉東南南陽荊門特高壓交流試驗示范工程在山西長冶奠

21、基, 標(biāo)志著我國百萬伏級交流特高壓工程突破理論階段,進入全面建設(shè)階段。隨著遠(yuǎn)距離、大容量輸電、聯(lián)網(wǎng)和節(jié)省線路走廊、解決短路電流等需要，采用輸電電壓為1000kv、1100kv或1200kv的特高壓輸電是我國電力工業(yè)今后的發(fā)展方向。交流百萬伏級避雷器的開發(fā)創(chuàng)造了條件，縮小了與世界上避雷器制造企業(yè)的差距。國內(nèi)已具備了開發(fā)更高電壓等級電站和線路避雷器的技術(shù)能力，國內(nèi)研制的750kv避雷器，操作沖擊水平已達(dá)1.75pu，電阻片比能量也達(dá)到了20kj/kv，其性能達(dá)到了國際同類產(chǎn)品的先進水平。從目前中國避雷器制造水平上來看，研制和開發(fā)的1000kv避雷器，在設(shè)計技術(shù)及制造技術(shù)上的難度不是很大。 由于特高

22、壓輸電線路的輸送能力與其額定電壓的平方成正比，據(jù)估計1條l150kv輸電線路的輸電能力可代替56條500kv線路或3條750kv線路；可減少鐵塔用材三分之一，節(jié)約導(dǎo)線二分之一，節(jié)省包括變電所在內(nèi)的電網(wǎng)造價1015。l150kv特高壓線路走廊約為同等輸送能力的500kv線路所需走廊的四分之一，這對于人口稠密，土地寶貴或走廊困難的國家和地區(qū)，特高壓輸電會帶來重大的經(jīng)濟和社會效益。顯然，在線路和變電站的運行維護方面，特高壓輸電所需的成本將比超高壓輸電少得多，線路的功率和電能損耗，在運行成本方面占有相當(dāng)?shù)谋戎?。在輸送相同功率情況下，1100kv線路功率損耗為500kv線路的十六分之一左右。所以，特高壓

23、輸電在運行成本方面具有更強的競爭優(yōu)勢，將特高壓線路作為全國電網(wǎng)的主網(wǎng)架是我國電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。 1.3 本文研究內(nèi)容 隨著電網(wǎng)電壓等級的提高，對輸電線路操作過電壓允許值提出了更加苛刻的要求。國內(nèi)外超高壓系統(tǒng)中用得最多的利用避雷器與合閘電阻限制操作過電壓的方法，在特高壓系統(tǒng)中還能不能得到滿足呢？本文利用電磁暫態(tài)分析程序atp-emtp分別對國內(nèi)第一條特高壓交流輸電試驗示范工程晉東南陽荊門特高壓交流輸電工程中的1000kv輸電線路不采取任何措施，在線路兩端安裝金屬氧化物避雷器(moa)，在線路兩端和線路中部都安裝金屬氧化物避雷器(moa)，使用單級合閘電阻和使用多級合閘電阻限制同期合閘過電壓

24、進行了分析研究。 本文的主要工作包括以下兩方面：1、合閘過電壓產(chǎn)生原因：由于電力系統(tǒng)中存在大量的儲能原件（l、c），當(dāng)開關(guān)的刀閘操作使這些儲能原件的狀態(tài)發(fā)生變化時，將會產(chǎn)生過渡過程。由于電源能量的持續(xù)供給，而同時儲能原件的能量要釋放出來，這兩種能量的疊加，將產(chǎn)生高于電源電勢的過電壓，并且一般在幾毫秒至幾十毫秒之間消失。2、對目前國內(nèi)外超高壓系統(tǒng)中用得最多的利用避雷器與單級合閘電阻限制操作過電壓的方法進行了分析研究，簡要介紹了斷路器附加合閘電阻和金屬氧化物避雷器限制過電壓的工作原理，合閘電阻值和接入時間的選擇，金屬氧化物避雷器的結(jié)構(gòu)特性、優(yōu)點及其選用原則，國內(nèi)外運行經(jīng)驗證明，在超高壓電力系統(tǒng)中采

25、取上述兩種措施的任一種之后，都可以將輸電線路合閘過電壓的最大值限制在合理范圍之內(nèi)，但是用上述措施對特高壓線路進行合閘過電壓仿真計算，結(jié)果卻較難滿足預(yù)期要求。 3、提出利用多級合閘電阻以及在線路兩端和中部都安裝額定電壓為828kv的金屬氧化物避雷器限制1000kv特高壓輸電線路合閘操作過電壓的方法。本文基于特高壓輸電線路的自身特點，采用電磁暫態(tài)分析程序（atp-emtp）對晉東南陽荊門特高壓交流輸電工程中的1000kv輸電線路用集中參數(shù)模型，進行了大量的仿真計算,結(jié)果非常理想。 第2章matlab/simpowersysterms的使用2.1 matlab/simulink概述2.1.1 mat

26、lab/simulink發(fā)展簡史1.matlab發(fā)展簡史matlab的名字是由matrix和laboratory兩詞的前三個字母組合而成.原先是作為matrix實驗室使用linpack和eispack矩陣軟件工具包的接口，后來才逐漸發(fā)展為集通用科學(xué)計算、圖形交互、系統(tǒng)控制和程序語言設(shè)計于一體的軟件。matlab以商品形式出現(xiàn)后的短短幾年，就以其良好的開放性和運行的可靠性，使原先控制領(lǐng)域的封閉式軟件紛紛淘汰，而改在matlab平臺上重建。20世紀(jì)90年代，matlab已成為國際控制界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)計算軟件，而在30多個數(shù)學(xué)類科技應(yīng)用軟件中，matlab在數(shù)值計算方面獨占鰲頭。mathworks公司于

27、 1984 年推出了第一個 matlab 的商業(yè)版本。 當(dāng)時的 matlab 版本已經(jīng)用 c 語言完全改寫了原來的fortran 語言，其后又增添了豐富多彩的圖形圖像處理、多媒體功能、符號運算和它與其他流行軟件的接口功能，使matlab 的功能越來越強大。 該公司又于 1992 年推出了具有劃時代意義的 matlab 4.0 版本，并于 1993 年推出了其微機版, 可以配合 microsoft windows 一起使用， 使之應(yīng)用范圍越來越廣。 1994 年推出的 4.2 版本擴充了 4.0 版本的功能，尤其在圖形界面設(shè)計方面更提供了新的方法。 1997 年推出的 matlab 5.0 版允

28、許了更多的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如單元數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體、多維矩陣、對象與類等，使其成為一種更方便編程的語言。1999 年初推出的 matlab 5.3 版在很多方面又進一步改進了 matlab 語言的功能。 2000 年 10 月底推出了其全新的 matlab 6.0 正式版(release 12)，在核心數(shù)值算法、界面設(shè)計、外部接口、應(yīng)用桌面等諸多方面有了極大的改進。2002年又推出了6.5版，matlab“面向?qū)ο蟆钡奶攸c愈加突出,數(shù)據(jù)類型愈加豐富,操作界面更加友善，最近7.0版本也已面世。2.simulink發(fā)展簡史 simulink是matlab works公司開發(fā)的又一個產(chǎn)生重大影響的軟件產(chǎn)品。

29、為了準(zhǔn)確地分析控制系統(tǒng)的復(fù)雜模型，1990年matlab works公司為matlab提供了嶄新的控制系統(tǒng)模型圖形輸入與仿真工具，并命名為simulab，它以工具庫的形式掛接在matlab 3.5版上。simulab包括仿真平臺和系統(tǒng)仿真模型庫兩部分，主要用于仿真以數(shù)學(xué)函數(shù)和傳遞函數(shù)表達(dá)的系統(tǒng)，它是20世紀(jì)70年代開發(fā)的連續(xù)系統(tǒng)仿真程序包(ccs)的繼續(xù)。該軟件發(fā)布后很快就在控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，因為其名字與著名的軟件simulink類似，所以1992年改名為simulink(simulation link)，意思是仿真鏈接。 該軟件有兩個特別明顯的功能：仿真與鏈接。也就是說，可以直

30、接利用鼠標(biāo)在模型窗口中畫出所需要的控制系統(tǒng)模型，然后再利用該軟件提供的功能來對控制系統(tǒng)直接進行模擬。很明顯，這種做法使得一個原本很復(fù)雜的系統(tǒng)變得相當(dāng)容易輸入。simulink的出現(xiàn)，使得matlab 在控制系統(tǒng)仿真以及電腦輔助設(shè)計(cad)中的應(yīng)用開創(chuàng)了嶄新的一頁?，F(xiàn)在的simulink都直接捆綁在matlab之上，版本也從1993年matlab4.0/simulink 1.0版升級到了2007年的matlab7.3/simulink 6.6版，并且可以針對任何能夠用數(shù)學(xué)描述的系統(tǒng)進行建模，例如航空航天動力學(xué)系統(tǒng)、衛(wèi)星控制制導(dǎo)系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、船舶及汽車動力學(xué)系統(tǒng)等，其中包括連續(xù)、離散、條件執(zhí)行

31、、事件驅(qū)動、單速率、多速率和混雜系統(tǒng)等。由于simulink的仿真平臺使用方便、功能強大，因此后來拓展其它模型庫也都共同使用這個仿真環(huán)境，成為了matlab仿真的公共平臺。2.1.2 simpowersystems庫發(fā)展簡史 simpowersystems庫是simulink下面的一個專用模塊庫，是在simulink環(huán)境下進行電力、電子系統(tǒng)建模和仿真的先進工具。它建立在加拿大的hydro-quebec電力系統(tǒng)測試和仿真實驗室的實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)之上，并由hydro-quebec和tecsim international公司共同開發(fā)而成，功能非常強大。simpowersystems庫提供了一種類似電路

32、建模的方式進行模型繪制，在仿真前自動將仿真系統(tǒng)圖變化成狀態(tài)方程描述的系統(tǒng)形式，然后在simulink下進行仿真分析。它為電路、電力電子系統(tǒng)、電機系統(tǒng)、發(fā)電、輸變電系統(tǒng)和配電計算提供了強有力的解決方法，尤其是當(dāng)設(shè)計開發(fā)內(nèi)容涉及控制系統(tǒng)設(shè)計時，優(yōu)勢更為突出。1998年，當(dāng)時以power system blockset（psb）命名的電力系統(tǒng)模塊集跟隨matlab5.2 一同推出。該模塊集中包含電力系統(tǒng)常見的元器件和設(shè)備，以直觀易用的圖形方式對電力系統(tǒng)進行模型描述，并可與其它simulnk模塊相連接，進行一體化的系統(tǒng)級動態(tài)分析。2002年，matlab推出r13版本，將power system bl

33、ockset 更名為simpowersystems，當(dāng)年的版本號為2.3。2003年9月推出的simpowersystems 3.0 有了較大的改進。它明確定義了simuilink端口與電力線路端子端口之間的區(qū)別，并專門為電力系統(tǒng)物理建模提供了相關(guān)端子端口，強調(diào)不得將電力端口連接到simulink的輸入輸出端口；規(guī)定simpowersystems3.0中的模塊可以只有端子端口，也可以只有simulink端口，還可同時兼有二者；對早期simulinkpowersystems和powersystemblockset版本中的分析命令進行重新命名。2004年9月推出的simpowersystems 4

34、.0 對simulink進行了擴展，提供可適合基本電子電路和具體電力系統(tǒng)的建模與仿真工具。這些工具可以對發(fā)電、輸電和配電以及機電能量轉(zhuǎn)換的過程進行高效建模。simpowersystems 4.0 提供了新的應(yīng)用程序庫，其中包括電氣驅(qū)動模型、柔性交流輸電系統(tǒng)（facts）模型和適合普通風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)的分布式能源模型。表2-1為matlabsimulink和simpowersystems的版本號以及對應(yīng)的發(fā)布時間。 表2-1時間 matlab simulink simpowersystems1984matlab1993matlab4.2simulib1996matlab5.0.1(r08)1997m

35、atlab5.1(r09)simulink2.01998matlab5.2(r10)simulink2.2powersystemsblockset1.01999.1matlab5.3(r11)simulink3.0powersystemsblockset1.11999.11matlab5.3.1(r11.1)simulink3.0.12000matlab6.0(r12)simulink4.0powersystemsblockset2.12001matlab6.1(r12.1)simulink4.1powersystemsblockset2.22002matlab6.5（r13）simulink

36、5simpowersystems2.32003.2matlab6.5.1(r13sp1)simulink5.1simpowersystems3.02004.6matlab7.0(r14)simulink6.0simpowersystems3.12004.9matlab7.0.1(r14sp1)simulink6.1simpowersystems4.02005.3matlab7.0.4(r14sp2)simulink6.2simpowersystems4.0.12005.9matlab7.1(r14sp2)simulink6.3simpowersystems4.1.12006.3matlab7.

37、2(r2006a)simulink6.4simpowersystems4.22006.9matlab7.3(r2006b)simulink6.5simpowersystems4.32007.3matlab7.3(r2007a)simulink6.6simpowersystems4.42.2 simulink的基本操作2.2.1 模塊及信號線的基本操作1.模塊的基本操作 表2-2simulink中模塊的基本操作方法操作內(nèi)容操作目的操作方法選取模塊從模塊庫瀏覽器中選取需要的模塊放入simulink仿真平臺窗口中方法1：在目標(biāo)模塊上按下鼠標(biāo)左鍵，拖動目標(biāo)模塊進入simulink仿真平臺窗口中，松開左

38、鍵；方法2：在目標(biāo)模塊上單擊鼠標(biāo)右鍵，彈出快捷菜單，選擇“add to untitled”選項選中多個模塊可對多個模塊同時進行共同的操作，如移動、復(fù)制等方法1：按住“shift”鍵，同時用鼠標(biāo)單擊所有目標(biāo)模塊方法2：使用“范圍框”，即按住鼠標(biāo)左鍵，拖拽鼠標(biāo)使范圍框包圍所有目標(biāo)模塊刪除模塊刪除窗口中不需要的模塊方法1：選中模塊，按下“delete”鍵；方法2：選中模塊，同時按下“ctrl”和”x”鍵，刪除模塊并保存到剪貼板中調(diào)整模塊大小改善模型的外觀，調(diào)整整個模型的布置選中模塊，模塊四角將出現(xiàn)小方塊；單擊一個角上的小方塊并按住鼠標(biāo)左鍵，拖拽鼠標(biāo)到合理大小位置移動模塊將模塊移動到合理位置，調(diào)整整個

39、模型的布置單擊模塊，拖拽到合適的位置，松開鼠標(biāo)按鍵旋轉(zhuǎn)模塊適應(yīng)實際系統(tǒng)的方向，調(diào)整整個模型的布置方法1：選中模塊，選中菜單命令【formatrotate block】模塊順時針旋轉(zhuǎn)90；選擇菜單命令【formatflip block】，模塊順時針旋轉(zhuǎn)180；方法2：右鍵單擊目標(biāo)模塊，在彈出的快捷菜單中進行與方法1同樣的菜單項選擇表2-3 simulink信號線的基本操作方法操作內(nèi)容操作目的操作方法在模塊間連線在兩個模塊之間建立信號聯(lián)系在上級模塊的輸出端按住鼠標(biāo)左鍵，拖動至下級模塊的輸入端，松開鼠標(biāo)鍵移動線段調(diào)整線段的位置，改善模型的外觀選中目標(biāo)線段，按住鼠標(biāo)左鍵，拖拽到目標(biāo)位置，松開鼠標(biāo)左鍵移

40、動節(jié)點可改變折線的走向，改善模型的外觀選中目標(biāo)節(jié)點，按住鼠標(biāo)左鍵，拖拽到目標(biāo)位置，松開鼠標(biāo)左鍵畫分支信號線從一個節(jié)點引出多條信號線，應(yīng)用于不同目的方法1：先按住“ctrl”鍵，再選中信號引出點，按住鼠標(biāo)左鍵，拖動至下級模塊的輸入端，松開鼠標(biāo)鍵方法2：先選中信號引出線，然后在信號引出點按住鼠標(biāo)右鍵，拖動至下級模塊的輸入端，松開鼠標(biāo)鍵刪除信號線刪除窗口中不需要的線段或斷開模塊間連線方法1：選中目標(biāo)信號線，然后按“delete”鍵方法2：選中目標(biāo)信號線，使用editcut命令信號線標(biāo)簽設(shè)定信號線的標(biāo)簽，增強模型的可讀性雙擊要標(biāo)注的信號線，進入標(biāo)簽的編輯區(qū)，輸入信號線標(biāo)簽內(nèi)容，在標(biāo)簽編輯框外的窗口中單

41、擊鼠標(biāo)退出2.2.2 系統(tǒng)模型的基本操作表2-4 simulink系統(tǒng)模型的基本操作方法操作內(nèi)容操作目的操作方法創(chuàng)建模型創(chuàng)建一個新的模型方法1：運行matlab菜單命令file-new-model方法2：點擊simulink模塊庫瀏覽器窗口工具欄中快捷按鈕打開模型打開一個已有的模型方法1：運行matlab菜單命令file-open方法2：點擊simulink模塊庫瀏覽器窗口工具欄中快捷按鈕保存模型保存仿真平臺中模型方法1：運行matlab菜單命令file-save方法2：點擊simulink模塊庫瀏覽器窗口工具欄中快捷按鈕注釋模型使模型更易讀懂在模型窗口中的任何想要加注釋的位置上雙擊鼠標(biāo)，進入

42、標(biāo)簽的編輯框，輸入注釋內(nèi)容，在窗口中任何其它位置單擊鼠標(biāo)退出2.3 simulink 系統(tǒng)建模的步驟（1）分析待仿真系統(tǒng)，確定待建模型功能需求及結(jié)構(gòu)。（2）啟動模塊庫瀏覽器窗口，選擇菜單中的file-new-model選項，新建一個模型文件。（3）在模塊庫瀏覽器窗口中找到模型所需的各模塊，并分別將其拖拽到新建的仿真平臺窗口中。（4）將模塊適當(dāng)排列，并用信號線將其正確連接。有幾點需要注意：1在建模之前應(yīng)對模塊和信號線有一個整體、清晰和仔細(xì)的安排，這樣在建模時會省下很多不必要的麻煩：2.模塊的輸入端只能和上級模塊的輸出端相連接；3.模塊的每個輸入端必須有指定的輸入信號，但輸出可以空置。（5）對模塊

43、和信號線重新標(biāo)注。（6）依據(jù)實際需要對相應(yīng)模塊設(shè)置合適的參數(shù)值。(7)如有必要，可對模型進行子系統(tǒng)建立和封裝處理。（8）保存模型文件。2.4斷路器合閘電阻值及接入時間選取斷路器并聯(lián)合閘電阻的阻值不同，限制過電壓的效果也不同。例如幾十千歐（高值）的合閘電阻可以限制切空變過電壓；幾千歐（中值）的合閘電阻可以限制切空線以及系統(tǒng)解列過電壓；幾百歐（低值）的合閘電阻可以限制合空線過電壓。考慮到切空變過電壓可以用一般的避雷器保護，切空線過電壓可以用提高斷路器滅弧能力避免重燃的辦法來解決，所以通常將斷路器裝設(shè)并聯(lián)合閘電阻作為限制空載線路合閘過電壓超高壓和特高壓電網(wǎng)中的主要操作過電壓的主要措施。 合閘線路時先

44、合斷路器輔助觸頭k1，接入合閘電阻，然后合斷路器主觸頭k，短接合閘電阻r，完成合閘線路的操作。所以，合閘過程可以分為兩個階段，每個階段的過渡過程的起始值與穩(wěn)態(tài)值的差值減小，即減小了振蕩分量的幅值。又由于電阻的阻尼作用，振蕩過程的衰減加快，從而使過電壓幅值受到限制。 從限制過電壓的角度出發(fā)，兩個階段所要求的電阻值是不相同的。第一階段合上斷路器輔助觸頭k1時，電阻r值愈大，過電壓愈??；電阻r為零時，相當(dāng)于沒有并聯(lián)合閘電阻的線路，其過電壓最大。而第二階段合斷路器主觸頭k時，恰好相反，電阻r值愈大，過電壓也愈大，當(dāng)電阻r趨于無窮大時，也相當(dāng)于沒有并聯(lián)合閘電阻，其過電壓最大，所以兩個合閘階段所合成的過電

45、壓與合閘電阻的關(guān)系是一條v形曲線，其交點處的過電壓最低。 對一定類型的斷路器，最大合閘過電壓將隨著電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、電源容量、線路長度不同而不同，相應(yīng)的合閘過電壓v形曲線也各不相同，若在各種不同的具體情況下，都要求并聯(lián)合閘電阻值是對應(yīng)與過電壓值最低時的電阻值，這是不切實際的。一般是針對某一電壓等級，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟比較的綜合研究，提出限制過電壓的水平，但是為了盡量減小通過電阻的電流，保證熱穩(wěn)定，合閘電阻值選大的比較好，同時，合閘電阻較大，對輔助觸頭的滅弧能力的要求也可以降低。因此，實際合閘電阻的選擇決定于合閘的第二階段。 國內(nèi)研究中斷路器合閘電阻值取200900，為了確定特高壓斷路器合適的合閘電阻值，不同

46、系統(tǒng)方式及線路長度時，不同合閘電阻的合閘過電壓水平也不同，并不代表全部特高壓線路合閘電阻與過電壓關(guān)系，特別不能反映各種工況下過電壓的實際幅值。但從圖中及其他的計算表明當(dāng)合閘電阻值在300400之間時，過電壓相對而言最低。而電阻值低，其所需的能量就比較大，綜合比較后，考慮取合閘電阻值為400。 實踐證明，并聯(lián)合閘電阻的作用是明顯的，為了充分發(fā)揮合閘電阻的作用，要求有足夠的合閘電阻接入時間，使斷路器主觸頭k合閘時，前一階段的過渡過程基本結(jié)束，不再對第二階段產(chǎn)生不利的影響。 我國500kv斷路器并聯(lián)合閘電阻的接入時間一般為1015ms，繼續(xù)增加合閘電阻接入時間能夠降低合閘統(tǒng)計過電壓，其效果與輸電系統(tǒng)

47、運行方式有關(guān)，有些效果明顯，有些方式并不明顯，但電阻的能量卻明顯增加。 綜合各種因素后，初步確定1000kv斷路器合閘電阻值取400、接入時間取9.51.5ms。某種運行方式下不同合閘電阻的合閘操作統(tǒng)計過電壓值2.5空載線路合閘過電壓合閘于空載線路是電力系統(tǒng)中常見的一種操作，通?？煞譃閮煞N情況：一種是正常有計劃的合閘，如線路檢修后投入運行根據(jù)調(diào)度需要對送電線路的合閘操作等。這種情況下，在合閘之前，線路上不存在任何異常，線路上起始電壓為零合閘后，線路各點電壓由零值過渡到考慮電容效應(yīng)后的工頻穩(wěn)態(tài)電壓值，在此過渡過程中會出現(xiàn)合閘過電壓。由于線路具有分布參數(shù)特性，所以振蕩電壓將由工頻穩(wěn)態(tài)分量和無限多個

48、逐漸衰減的諧波分量疊加組成。另一種合閘操作是運行線路發(fā)生單相接地故障，由繼電保護系統(tǒng)控制跳閘后，經(jīng)一短促時間再合閘，即自動重合閘操作。如上圖所示，線路單相接地，斷路器k2先跳閘，線路成為帶接地故障的空載線路，當(dāng)斷路器kl動作時在觸頭流過的電流過零時電弧斷開，非故障相線路上將留有殘余電壓，假定為-u0。在大約05s后，k1自動重合，若線路上一沒有泄露和衰減，則非故障相線路上各點電壓就會從一砜過渡到考慮電容效應(yīng)后的工頻穩(wěn)態(tài)值在此振蕩過程中將出現(xiàn)較高的過電壓。顯然，重合閘過電壓要比計劃性合閘過電壓嚴(yán)重的多，由于空載線路各點工頻穩(wěn)態(tài)電壓不等，所以合閘過電壓的幅值也不同，線末最高，線首最低。2.6操作過

49、電壓分析 電力系統(tǒng)中的電容、電感均為儲能元件，正常運行中的電力系統(tǒng)是一個穩(wěn)定的系統(tǒng)，如果系統(tǒng)中出現(xiàn)任何擾動(如電氣元件的操作、發(fā)生各種故障等)，都會引起系統(tǒng)某一部分甚至整個系統(tǒng)的電氣量發(fā)生變化。由于運行方式調(diào)整、設(shè)備檢修等原因，電力系統(tǒng)中經(jīng)常會進行一次設(shè)備的投入或停用的操作；或由于輸電線路發(fā)生故障，在繼電保護裝置動作切除故障后，自動重合閘裝置動作，將線路重新投入。 當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)斷路器無論上述何種原因進行操作時，電力系統(tǒng)將由一種穩(wěn)定狀態(tài)過渡到另一種穩(wěn)定狀態(tài)。在過渡過程中，由于電源繼續(xù)供給能量，而且儲存在電感中的磁能或電容中的靜電場能量會釋放或轉(zhuǎn)換，所以會產(chǎn)生高于電源電勢的過電壓。他們是在幾毫秒至幾十

50、毫秒之后要消失的暫態(tài)過電壓，這種暫態(tài)過電壓是由工頻電壓和以系統(tǒng)自振頻率振蕩的電壓相疊加構(gòu)成，這種過電壓叫做操作過電壓。操作過電壓是電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓的另一種類型，它是由系統(tǒng)中斷路器操作和各種故障產(chǎn)生的過渡過程引起的。與暫時過電壓相比，操作過電壓通常具有幅值高，存在高頻振蕩、強阻尼和持續(xù)時間短等特點。操作過電壓可分為: 1、間隙電弧接地過電壓； 2、切除電容性負(fù)載過電壓； 3、切除電感性負(fù)載過電壓； 4、解列過電壓； 5、空載線路合閘過電壓。 特高壓輸電線路參數(shù)與超高壓輸電線路參數(shù)相比，為了提高其傳輸能力，減小電壓損耗，其分布電阻和電感較小，而分布電容較大，另外特高壓輸電線路一般比較長。而超高壓

51、輸電線路上的單相重合閘過電壓通常低于空載線路合閘過電壓，并且我國超高壓以上系統(tǒng)一般不采用三相重合閘，在特高壓線路的操作過電壓絕緣配合中空載長線合閘操作過電壓具有幅值高、存在高頻振蕩、阻尼較強以及持續(xù)時間短等特點，是特高壓電網(wǎng)中最嚴(yán)重的過電壓，在最不利的情況下過電壓倍數(shù)可達(dá)3倍以上。影響合閘過電壓的因素實際上。合閘過電壓的幅值受到很多因素的影響，如系統(tǒng)參數(shù)。結(jié)構(gòu)及運行方式等；此外如合閘相位，三相斷路器合閘動作的不同期性等隨機因素不但影響過電壓的數(shù)值。還使其具有統(tǒng)計性質(zhì)。歸納起來，影響合閘過電壓的因素主要有以下幾個方面：(1)合閘相位電源相電動勢p(，)=瓦c(cot十0)，合閘瞬間的電動勢e(o)=甌coso取決于合閘初相角口，正常合閘時，若0=0即p(o)=以是其中過電壓最嚴(yán)重的情況。伊它是個隨機數(shù)值，遵循統(tǒng)計規(guī)律。由于斷路器觸頭在機械上閉合以前可能發(fā)生預(yù)擊穿現(xiàn)象，而且多發(fā)生在觸頭問電壓接近最人的情況，即相當(dāng)了：電源電動勢在最大值附近合閘或接近反相重合閘。為了限制該合閘過電壓，選相合閘(或稱同步合閘)是可