论文部分内容阅读
引言
就变电系统而言，电力系统过电压，是发展高压、超高压以及特高压电网所必须重点研究的课题之一。它决定了变压器、输电线路、断路器等设备的绝缘强度设计问题，还影响到电力系统的安全可靠运行。
各种类型的过电压，如在正常运行或者切除故障时所引起的操作过电压，雷闪放电引起的大气过电压等，都是由于电力系统中突然出现的电磁暂态过程激发而成的，电力系统中含有很多种非线性电磁元件，如：避雷器、铁磁电感、具有分布参数特性的输电线路等，有的时候还需要考虑输电线路参数随频率变化的特性等。因此，要分析电力系统中的电磁暂态过程是非常复杂的，一般的解决方法也只是局限于过电压时的原理分析以及简单情况下的分析计算。而按照实际工程条件下计算过电压时，则必须借助模拟方法和数值计算方法。
1.过电压的计算方法
过电压计算方法种类繁多，其中，贝杰龙法一直是被普遍认可且是实际运用最为广泛的。这种方法的思路主要是从线路的贝杰龙数学模型中得来的，它主要是把分布参数的线段作为集中参数的模型，然后用集中参数电路的结点分析法计算。道米尔等人在1969年研究出了参考贝杰龙方法的通用电磁暂态程序（EMTP），该程序在大型复杂系统的计算中已经得到了广泛应用。由加拿大曼尼托巴高压直流输电研究中心开发出的电力系统仿真软件（PSCAD/EMTDC），在过电压的计算上也参考了贝杰龙方法。
过电压的计算，必须特别考虑线路参数的频率特性。80年代末至90年代中期，马蒂和他的学生卡斯特仑提出了输电线过电压计算的改进模型，同样，是建立在贝杰龙方法的基础上，这种改进模型将线路参数的频率特性考虑在内，并且计算的准确度有了很大的提高。随后开发的仿真软件中，也沿袭了这种模型。显而易见，贝杰龙方法在线路过电压计算方法中最经典的，后来的改进算法也是在其基础上逐步发展起来的。因此，用贝杰龙方法计算过电压，既满足实际工程设计的需要，且计算方法简单，计算中所要用到的参数少，容易获取。因此，贝杰龙方法仍有很深的工程实用价值。
2.计算过电压的仿真软件
ATP软件是电磁暂态分析软件（EMTP）之一，目前已在世界上被广泛使用，该软件在大部分类型的计算机上都可以使用。尤其是在高电压领域，常用于分析与研究雷电过电压、铁磁谐振过电压等暂态过电压。该软件基本功能是对电力系统进行仿真计算，如预测电力系统在某个扰动前后（如：进行开关投切或发生接地故障）一些变量随时间变化的规律。
目前，ATP的数学模型包括集总参数RLC、多相PI等值电路、多相分布参数输电线路、非线性电阻电感、时变电阻、电压源和电流源等。此外，还配有图形输入程序：ATP-Draw。通过ATP-Draw直接搭建研究者所需要的仿真电路图，可输入模型参数，最后生成仿真输入文件。经过多年的考验，ATP软件中的仿真模型、计算结果等获得了学术界的一致认可。
3.仿真模型的建立与仿真计算
本文的变电站模型含有110kV、35kV、10kV三种电压等级，站内两台主变并列运行。该变电站的110kV侧接线方式为单母线分段接线方式，两条线路都为电压输入线路。35kV侧接线方式为为单母线分段接线方式，其中仅有一条线路为电压输入线路。10kV侧接线方式为为单母线分段接线方式，共有四条出线，两段母线上各两条。计算机模型中各个模块的参数主要包括：电压互感器参数、变压器参数、线路参数等重要模块。
模拟变电站10kV侧出线线路单相接地故障，是仿真10kV侧的铁磁谐振过电压。选择10kV侧的任意一条出线，设置该线路A相发生单相接地，设置接地时间在0.005时刻，并在0.015时刻单相接地故障消失。
图1 基于Matlab的A相电流频谱分析
通过实验可以看出，发生接地时，由于10kV侧负荷较大，而且出线多，并没有引起10kV母线电压的较大突变，而且接地点距离母线有一段距离，所以，故障时母线电压变化不是很明显。在正常工作的情况下，单相电压的幅值Um为8.15kV，发生接地时，接地相A相的电压骤降，B相、C相电压骤升。随着在t=0.015s时故障的消失，母线电压逐步恢复了正常，恢复时间很快。如图1所示，故障时刻故障线路电流中非故障相，即B、C两相电流变化较小，只有A相变化比较突出，但是故障过后立马就恢复了。通过对比母线电压、电流波形可以看出电压电流的波形基本一致，没有饱和的趋势。得出结论，10kV出线发生单相接地故障时，对35kV侧供电基本上没有影响，图形上看接地时刻电压波形图上只有轻微的毛刺。
4.结论
长期以来，当电网系统发生电气设备损害时，需要通过分析电网运行情况、现场运行环境、电气设备损坏情况等现象来判断事故产生的原因，一方面需要有非常丰富经验的工作人员，一方面需要强有力的理论数据作为支撑，才能快速、准确的找到事故产生原因。本文提供了一种基于ATP-EMTP仿真软件对110kV变电站内部过电压的仿真模型，模拟其内部过电压，并对其过电压波形进行频谱分析。以模拟10kV侧出线A相接地短路造成的变电站内部过电压情况，通过分析研究，表示该方法对分析变电站事故原因有较大帮助。
（作者单位：扬州供电公司）
就变电系统而言，电力系统过电压，是发展高压、超高压以及特高压电网所必须重点研究的课题之一。它决定了变压器、输电线路、断路器等设备的绝缘强度设计问题，还影响到电力系统的安全可靠运行。
各种类型的过电压，如在正常运行或者切除故障时所引起的操作过电压，雷闪放电引起的大气过电压等，都是由于电力系统中突然出现的电磁暂态过程激发而成的，电力系统中含有很多种非线性电磁元件，如：避雷器、铁磁电感、具有分布参数特性的输电线路等，有的时候还需要考虑输电线路参数随频率变化的特性等。因此，要分析电力系统中的电磁暂态过程是非常复杂的，一般的解决方法也只是局限于过电压时的原理分析以及简单情况下的分析计算。而按照实际工程条件下计算过电压时，则必须借助模拟方法和数值计算方法。
1.过电压的计算方法
过电压计算方法种类繁多，其中，贝杰龙法一直是被普遍认可且是实际运用最为广泛的。这种方法的思路主要是从线路的贝杰龙数学模型中得来的，它主要是把分布参数的线段作为集中参数的模型，然后用集中参数电路的结点分析法计算。道米尔等人在1969年研究出了参考贝杰龙方法的通用电磁暂态程序（EMTP），该程序在大型复杂系统的计算中已经得到了广泛应用。由加拿大曼尼托巴高压直流输电研究中心开发出的电力系统仿真软件（PSCAD/EMTDC），在过电压的计算上也参考了贝杰龙方法。
过电压的计算，必须特别考虑线路参数的频率特性。80年代末至90年代中期，马蒂和他的学生卡斯特仑提出了输电线过电压计算的改进模型，同样，是建立在贝杰龙方法的基础上，这种改进模型将线路参数的频率特性考虑在内，并且计算的准确度有了很大的提高。随后开发的仿真软件中，也沿袭了这种模型。显而易见，贝杰龙方法在线路过电压计算方法中最经典的，后来的改进算法也是在其基础上逐步发展起来的。因此，用贝杰龙方法计算过电压，既满足实际工程设计的需要，且计算方法简单，计算中所要用到的参数少，容易获取。因此，贝杰龙方法仍有很深的工程实用价值。
2.计算过电压的仿真软件
ATP软件是电磁暂态分析软件（EMTP）之一，目前已在世界上被广泛使用，该软件在大部分类型的计算机上都可以使用。尤其是在高电压领域，常用于分析与研究雷电过电压、铁磁谐振过电压等暂态过电压。该软件基本功能是对电力系统进行仿真计算，如预测电力系统在某个扰动前后（如：进行开关投切或发生接地故障）一些变量随时间变化的规律。
目前，ATP的数学模型包括集总参数RLC、多相PI等值电路、多相分布参数输电线路、非线性电阻电感、时变电阻、电压源和电流源等。此外，还配有图形输入程序：ATP-Draw。通过ATP-Draw直接搭建研究者所需要的仿真电路图，可输入模型参数，最后生成仿真输入文件。经过多年的考验，ATP软件中的仿真模型、计算结果等获得了学术界的一致认可。
3.仿真模型的建立与仿真计算
本文的变电站模型含有110kV、35kV、10kV三种电压等级，站内两台主变并列运行。该变电站的110kV侧接线方式为单母线分段接线方式，两条线路都为电压输入线路。35kV侧接线方式为为单母线分段接线方式，其中仅有一条线路为电压输入线路。10kV侧接线方式为为单母线分段接线方式，共有四条出线，两段母线上各两条。计算机模型中各个模块的参数主要包括：电压互感器参数、变压器参数、线路参数等重要模块。
模拟变电站10kV侧出线线路单相接地故障，是仿真10kV侧的铁磁谐振过电压。选择10kV侧的任意一条出线，设置该线路A相发生单相接地，设置接地时间在0.005时刻，并在0.015时刻单相接地故障消失。
图1 基于Matlab的A相电流频谱分析
通过实验可以看出，发生接地时，由于10kV侧负荷较大，而且出线多，并没有引起10kV母线电压的较大突变，而且接地点距离母线有一段距离，所以，故障时母线电压变化不是很明显。在正常工作的情况下，单相电压的幅值Um为8.15kV，发生接地时，接地相A相的电压骤降，B相、C相电压骤升。随着在t=0.015s时故障的消失，母线电压逐步恢复了正常，恢复时间很快。如图1所示，故障时刻故障线路电流中非故障相，即B、C两相电流变化较小，只有A相变化比较突出，但是故障过后立马就恢复了。通过对比母线电压、电流波形可以看出电压电流的波形基本一致，没有饱和的趋势。得出结论，10kV出线发生单相接地故障时，对35kV侧供电基本上没有影响，图形上看接地时刻电压波形图上只有轻微的毛刺。
4.结论
长期以来，当电网系统发生电气设备损害时，需要通过分析电网运行情况、现场运行环境、电气设备损坏情况等现象来判断事故产生的原因，一方面需要有非常丰富经验的工作人员，一方面需要强有力的理论数据作为支撑，才能快速、准确的找到事故产生原因。本文提供了一种基于ATP-EMTP仿真软件对110kV变电站内部过电压的仿真模型，模拟其内部过电压，并对其过电压波形进行频谱分析。以模拟10kV侧出线A相接地短路造成的变电站内部过电压情况，通过分析研究，表示该方法对分析变电站事故原因有较大帮助。
（作者单位：扬州供电公司）