電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓畢業(yè)設(shè)計(jì)方案

工頻過電壓分析及其仿真課程名稱：高電壓技術(shù)任課教師：高金蘭所在學(xué)院：信息技術(shù)學(xué)院專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：電氣8班學(xué)生姓名：劉昌明學(xué)號(hào)：20084073804中國(guó)·大慶2018年12月摘要工頻過電壓是造成電網(wǎng)內(nèi)高電壓設(shè)備損壞的重要原因之一，它伴隨著電網(wǎng)的正常操作過程、故障過程而生。如果在電網(wǎng)建設(shè)初期不認(rèn)真分析、計(jì)算這類過電壓，采取相應(yīng)防護(hù)措施，特別是500kV電壓等級(jí)的高壓設(shè)備，由于對(duì)地電容電流較大，過電壓水平會(huì)更高，那么在以后設(shè)備運(yùn)行過程中就心中無(wú)數(shù)，可能造成設(shè)備損壞，帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)損失。由于過電壓的水平不僅與具體的電網(wǎng)環(huán)境有關(guān)，而且與投切對(duì)象及裝設(shè)的相關(guān)設(shè)備有關(guān)，所以，具體到每一實(shí)際工程，都必須進(jìn)行過電壓的計(jì)算，了解過壓情況，以便采取防護(hù)措施，指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，防止過電壓損壞設(shè)備。關(guān)鍵詞：高電壓、工頻過電壓、電磁暫態(tài)分析目錄TOC\o"1-2"\h\z1工頻過電壓的理論分析-1-1.1輸電線路的工頻過電壓-1-1.2空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)及系統(tǒng)阻抗對(duì)工頻過電壓的影響-1-1.3不對(duì)稱短路引起的工頻電壓升高-2-1.4線路甩負(fù)荷效應(yīng)-3-2輸電線路工頻過電壓仿真分析-4-2.1單端電源與帶有并聯(lián)電抗器補(bǔ)償?shù)拈L(zhǎng)線相連-4-2.2雙端電源與帶有并聯(lián)電抗器補(bǔ)償?shù)拈L(zhǎng)線相連-6-2.3雙端電源供電且線路首末兩端及中間均并聯(lián)有電抗器-9-3線路不接并聯(lián)電抗器仿真數(shù)據(jù)-11-3.1僅線路首端接并聯(lián)電抗器-11-3.2僅線路末端接并聯(lián)電抗器-11-3.4線路首末兩端及開關(guān)站處均并聯(lián)電抗器-12-4結(jié)論-13-參考文獻(xiàn)-14-1工頻過電壓的理論分析內(nèi)部過電壓是電力系統(tǒng)中的一種電磁暫態(tài)現(xiàn)象，它可分為暫時(shí)過電壓和操作過電壓兩大類。在故障和/或操作時(shí)，瞬時(shí)發(fā)生的過渡過程過電壓稱為操作過電壓，其持續(xù)時(shí)間一般在幾十毫秒之內(nèi)。在暫態(tài)過渡過程結(jié)束以后出現(xiàn)持續(xù)時(shí)間大于0.1秒至數(shù)秒甚至數(shù)小時(shí)的持續(xù)性過電壓稱為暫時(shí)過電壓，暫時(shí)過電壓又可分為工頻過電壓和諧振過電壓。220kv及以下系統(tǒng)中，內(nèi)部過電壓是由系統(tǒng)本身絕緣來(lái)承擔(dān)的。有必要對(duì)輸電線工頻過電壓的產(chǎn)生，影響及其相應(yīng)的限制措施進(jìn)行深入的研究。1.1輸電線路的工頻過電壓工頻過電壓產(chǎn)生的原因包括空載長(zhǎng)線的電容效應(yīng)，不對(duì)稱接地故障引起的正常相電壓的升高，甩負(fù)荷等，它與系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、容量、參數(shù)及運(yùn)行方式有關(guān)，其頻率等于或接近于工頻。1.1.1均勻長(zhǎng)輸電線的分布參數(shù)模型描述輸電線路波過程的微分方程式如下：<1-1）則根據(jù)邊界條件可以求解得沿線電壓表達(dá)式如下：=<1-2）對(duì)于三相輸電線路，由于導(dǎo)線彼此間存在著電磁耦合聯(lián)系，在電磁暫態(tài)計(jì)算中，往往用等值阻抗和電流源來(lái)等效其分布參數(shù)模型。1.2空載長(zhǎng)線路的電容效應(yīng)及系統(tǒng)阻抗對(duì)工頻過電壓的影響如果輸電線路突然從負(fù)荷側(cè)斷開，那么線路就進(jìn)入了開路狀態(tài)。此時(shí)線路上，特別是其末端上，會(huì)出現(xiàn)較高的電壓升高；在系統(tǒng)并車前，先從電源側(cè)投入線路時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致同樣的情況，這些過電壓就是由空載線路的電容效應(yīng)引起的。求解該復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)得：=<1-3）由空載線路邊界條件=0，聯(lián)合<1-2）<1-3）式，可得沿線電壓的表達(dá)式：<1-4）=cos=<1-5）顯然，當(dāng)x=0，即線路末端時(shí)的工頻過電壓最高。電源電抗相當(dāng)于增加了線路長(zhǎng)度，使諧振點(diǎn)提前了。1.3不對(duì)稱短路引起的工頻電壓升高不對(duì)稱短路是輸電線路最常見的故障形式，短路電流中的零序分量會(huì)使健全相上出現(xiàn)工頻電壓升高<常稱為不對(duì)稱效應(yīng)）。系統(tǒng)中的不對(duì)稱短路故障，以單相接地故障最為常見，且引起的工頻電壓升高也最為嚴(yán)重。下面就以單相接地故障為例，分析不對(duì)稱短路故障引起的工頻電壓升高。設(shè)系統(tǒng)中A相M處發(fā)生單相接地故障，如圖1所示：XMNCBA圖1單行接地故障圖其邊界條件為：=0，==0，所以有：++=0(1-6>++=++<1-7）由式<1－7）可得：==；(1-8>又有—=，0—=，0—=<1-9）由上面幾式聯(lián)立求解便可得出健全相電壓：<1-10）=－j<1-11）1.4線路甩負(fù)荷效應(yīng)當(dāng)輸電線路重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于某種原因線路末端斷路器突然跳閘甩掉負(fù)荷，也是造成工頻電壓升高的原因之一，通常稱為甩負(fù)荷效應(yīng)。此時(shí)，影響工頻過電壓的因素主要有四個(gè)：1.甩負(fù)荷前線路輸送的潮流，特別是向線路輸送無(wú)功潮流的大小，它決定了電源電動(dòng)勢(shì)E的大小。一般來(lái)講，甩負(fù)荷前，若線路上輸送相當(dāng)大的有功及感性無(wú)功功率，電源電勢(shì)必然高于母線電壓。甩負(fù)荷后發(fā)電機(jī)的磁鏈不能突變，可簡(jiǎn)單認(rèn)為電源暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)在短暫時(shí)間內(nèi)維持原來(lái)數(shù)值，向線路輸送功率越大，電源的暫態(tài)電動(dòng)勢(shì)也越高，計(jì)算工頻電壓所用等值電勢(shì)越大，工頻過電壓也就越高。2．電源的容量，其決定了電源的等值阻抗，電源容量越小，等值阻抗就越大，可能出現(xiàn)的工頻過電壓也就越高。3.線路長(zhǎng)度，線路越長(zhǎng)，充電的容性無(wú)功就越大，工頻過電壓就越高。4.發(fā)電機(jī)組調(diào)速器和制動(dòng)設(shè)備的惰性，甩負(fù)荷后其不能立即起到應(yīng)有的調(diào)速效果，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，電動(dòng)勢(shì)及頻率上升，從而使空載線路的工頻過電壓更為嚴(yán)重。2輸電線路工頻過電壓仿真分析交流高壓工程的建設(shè)包括變電和輸電<線路）兩部分，涉及特高壓輸變電設(shè)備的制造，輸變電系統(tǒng)的絕緣配合，電磁環(huán)境，輸電系統(tǒng)的電磁暫態(tài)問題等研究?jī)?nèi)容。輸變電電氣設(shè)備和線路合理的絕緣水平的確定是影響整個(gè)工程技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的一個(gè)重要因素。電氣設(shè)備和線路在運(yùn)行中除要長(zhǎng)期承受額定工作電壓以為，還必須承受各種原因引起的波形、幅值及持續(xù)時(shí)間各異的過電壓。限制高壓線路工頻過電壓的措施有多種，如使用高壓并聯(lián)電抗器補(bǔ)償特高壓線路的充電電容；使用良導(dǎo)體地線或光纖復(fù)合架空地線減小不對(duì)稱故障時(shí)的接地系數(shù)；使用線路兩端聯(lián)動(dòng)跳閘或過電壓繼電保護(hù)縮小工頻過電壓的持續(xù)時(shí)間；使用金屬氧化物避雷器限制短時(shí)高幅值工頻過電壓；選擇合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式等等。在所有的這些措施中，并聯(lián)高壓電抗器是限制工頻過電壓最基本同時(shí)也是最要的手段，因此有必要對(duì)其進(jìn)行深入的研究。2.1單端電源與帶有并聯(lián)電抗器補(bǔ)償?shù)拈L(zhǎng)線相連由于并聯(lián)電抗器的電感能夠補(bǔ)償線路的對(duì)地電容，減小流經(jīng)線路的電容電流，消弱電容效應(yīng)，所以在特高壓輸電線路上，為了保證遠(yuǎn)距離輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的電壓水平在允許范圍內(nèi)，必須沿線裝設(shè)高壓并聯(lián)電抗器。通常將并聯(lián)電抗器的容量與空載長(zhǎng)線的電容無(wú)功功率的比值稱為并聯(lián)電抗器的補(bǔ)償度。2.1.1單端電源與首端帶有并聯(lián)電抗器的長(zhǎng)線相連單端電源與首端帶有并聯(lián)電抗器的長(zhǎng)線相連的等效電路和復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)：設(shè)x為距線路末端的距離，復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)方程得：<2-1）<2-2）對(duì)于空載線路，，結(jié)合上兩式可得沿線任一點(diǎn)的電壓表達(dá)式為：<2-3）2.1.2單端電源與末端帶有并聯(lián)電抗器的長(zhǎng)線相連單端電源與末端帶有并聯(lián)電抗器的長(zhǎng)線相連的等效電路和復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)：設(shè)x為距線路末端的距離，求解復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)方程得：<2-4）<2-5）對(duì)于空載線路，，結(jié)合上兩式可求得沿線任一點(diǎn)的電壓為：<2-6）2.1.3單端電源與兩端帶有并聯(lián)電抗器的長(zhǎng)線相連單端電源與線路兩端帶有并聯(lián)電抗器的長(zhǎng)線相連的等效電路和復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)設(shè)x為距線路末端的距離，求解的復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)方程得：(2-7>(2-8>對(duì)于空載線路，，結(jié)合上兩式可求得沿線任一點(diǎn)的電壓為：(2-9>2.1.4單端電源與線路中點(diǎn)帶有并聯(lián)電抗器的長(zhǎng)線相連單端電源與線路中部帶有并聯(lián)電抗器的長(zhǎng)線相連,以線路中點(diǎn)接并聯(lián)電抗器為例設(shè)x為距線路末端的距離，求解的復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)方程得：<2-10）在0—段上：<2-11）在段上：<2-12）對(duì)于空載線路，，結(jié)合上三式便可求得沿線上任一點(diǎn)的電壓的表達(dá)式。2.2雙端電源與帶有并聯(lián)電抗器補(bǔ)償?shù)拈L(zhǎng)線相連2.2.1雙端電源供電且線路一端帶有并聯(lián)電抗器時(shí)的沿線電壓分布雙端電源供電且線路一端帶有并聯(lián)電抗器時(shí)的沿線電壓分布可以用疊加原理求得。復(fù)合二端口網(wǎng)絡(luò)以線路受電端帶有并聯(lián)電抗器為例。利用疊加原理可得(2-13>(2-14>由邊界條件，結(jié)合上兩式可求得：<2-15）(2-16>(2-17>由邊界條件，結(jié)合上兩式可求得：(2-18>根據(jù)疊加原理，由式<2-15），(2-18>便可得線路上任一點(diǎn)的電壓表達(dá)式為：+<2-19）同理，可以求出雙端電源供電，線路送電端帶并聯(lián)電抗器時(shí)的沿線電壓表達(dá)式如下：<2-20）2.2.2雙端電源供電且線路兩端都帶有并聯(lián)電抗器雙端電源供電且線路兩端都帶有并聯(lián)電抗器時(shí)線路沿線電壓分布同樣可以由疊加原理來(lái)求得。(2-21><2-22）由邊界條件，結(jié)合上兩式可求得：(2-23>可得：(2-24>(2-25>由邊界條件，結(jié)合上兩式可求得：(2-26>根據(jù)疊加原理，由式<2-23），(2-26>便可得線路上任一點(diǎn)的電壓表達(dá)式為：＋(2-27>2.3雙端電源供電且線路首末兩端及中間均并聯(lián)有電抗器雙端電源供電且線路首末兩端及中間均帶有并聯(lián)電抗器時(shí)線路沿線電壓分布同樣可以由疊加原理來(lái)求得。(2-28>在0-段上:<2-29）在段上：(2-30>由邊界條件，結(jié)合上三式可求得線路上沿線任一點(diǎn)的電壓表達(dá)式?？傻茫?lt;2-31）在0-段上:(2-32>在段上：<2-33）由邊界條件，結(jié)合上三式可求得線路上沿線任一點(diǎn)的電壓表達(dá)式。3線路不接并聯(lián)電抗器仿真數(shù)據(jù)3.1僅線路首端接并聯(lián)電抗器Ⅰ電抗器補(bǔ)償度K=60%表1電抗器補(bǔ)償度K=60%時(shí)仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.061.091.071.091.071.041.00線路中點(diǎn)0.991.041.091.161.181.151.10線路末端0.940.991.001.031.071.091.12表2電抗器補(bǔ)償度K=80%時(shí)仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.011.011.031.031.031.010.99線路中點(diǎn)0.910.930.960.991.031.061.09線路末端0.940.991.041.121.131.101.043.2僅線路末端接并聯(lián)電抗器Ⅰ電抗器補(bǔ)償度K=60%表3電抗器補(bǔ)償度K=60%時(shí)仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.121.101.101.071.041.000.91線路中點(diǎn)1.001.041.091.121.091.040.96線路末端0.970.991.001.011.000.990.96Ⅱ電抗器補(bǔ)償度K=80%表4電抗器補(bǔ)償度K=80%時(shí)仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.101.091.061.030.990.930.84線路中點(diǎn)0.991.011.041.071.030.970.88線路末端0.960.960.970.960.960.930.883.3線路首末兩端均并聯(lián)電抗器Ⅰ電抗器補(bǔ)償度K=60%表5電抗器補(bǔ)償度K=60%時(shí)仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.091.091.091.091.061.030.99線路中點(diǎn)0.991.031.091.151.131.101.04線路末端0.940.971.001.011.031.041.06Ⅱ電抗器補(bǔ)償度K=80%表6電抗器補(bǔ)償度K=80%時(shí)仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.061.061.061.031.010.990.93線路中點(diǎn)0.961.001.061.091.091.040.99線路末端0.930.940.970.990.990.990.993.4線路首末兩端及開關(guān)站處均并聯(lián)電抗器Ⅰ電抗器補(bǔ)償度K=60%表7電抗器補(bǔ)償度K=60%時(shí)仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.091.091.071.061.031.010.97線路中點(diǎn)0.971.011.061.101.081.061.01線路末端0.940.970.981.001.011.021.05Ⅱ電抗器補(bǔ)償度K=80%表8電抗器補(bǔ)償度K=80%時(shí)仿真結(jié)果距首端距離/km故障位置020406590110130線路首端1.061.051.041.000.980.950.91線路中點(diǎn)0.940.991.011.031.020.990.95線路末端0.930.930.960.960.960.960.98⑴若不接并聯(lián)電抗器，則在健全相上將產(chǎn)生嚴(yán)重的工頻過電壓，在并聯(lián)上電抗器后過電壓得到了明顯的抑制，且并聯(lián)電抗器補(bǔ)償度越高，限壓效果越好。⑵同一補(bǔ)償度，同一故障位置下，線路首末兩