中性點直接接地系統(tǒng)合閘空載線路操作過電壓仿真分析

摘要：操作過電壓是常見的電力系統(tǒng)內(nèi)部過電壓，經(jīng)常發(fā)生在中性點直接接地系統(tǒng)中，其產(chǎn)生的過電壓和過電流，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)安全運行。本文針對中性點直接接地系統(tǒng)合閘空載線路過程產(chǎn)生的操作過電壓，通過建立數(shù)學(xué)模型、調(diào)整元件參數(shù)，對得到的數(shù)據(jù)圖形進(jìn)行仿真分析，研究操作過電壓的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：操作過電壓;合閘;空載線路

在電力系統(tǒng)的振蕩回路中，當(dāng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時，電力系統(tǒng)從一個穩(wěn)定工作狀態(tài)通過振蕩轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)定工作狀態(tài)時，產(chǎn)生的操作過電壓會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行造成危害，而這種過電壓經(jīng)常出現(xiàn)在中性點直接接地系統(tǒng)空載線路投切過程中。因此，研究操作過電壓的起因和變化規(guī)律，預(yù)測其幅值并采取措施加以限制，對于電力設(shè)備制造和電力系統(tǒng)運行都具有重要意義[1]。

1 操作過電壓的原理

操作過電壓是由于進(jìn)行斷路器操作或發(fā)生突然短路而引起的衰減較快、持續(xù)時間較短的過電壓，對頻率為50 Hz的電網(wǎng)，一般持續(xù)時間在0.1 s（5個工頻周波）以內(nèi)的過電壓稱為操作過電壓。

2 參數(shù)元件的瞬態(tài)等效模型

2.1 儲能元件L，C

電力系統(tǒng)中儲能元件L，C瞬態(tài)等效數(shù)學(xué)模型[2]：

當(dāng)R= 2L/?t時對應(yīng)電感，R= ?t/2C時對應(yīng)電容：

式中±號取﹢時為電感元件，取-時為電容元件。

用遞推公式算出等效電流源：

2.2 電阻

線性電阻在等效電路圖中仍為電阻本身，而對于非線性電阻可采用分段線性化法得到電阻近似值。

3 合閘空載線路操作過電壓

合閘空載線路是電力系統(tǒng)中常有的一種操作。在中性點直接接地系統(tǒng)中，由于線路的電壓在合閘和重合閘前后發(fā)生突變，再次變化的過渡過程會引起空載線路合閘過電壓。這種過電壓是超高壓系統(tǒng)中的最常見的操作過電壓[3]。

影響線路合閘過電壓的因素主要有如下4個方面。

（1）空載線路的長度、電源容量。

（2）合閘時電源電壓的相位角θ_0。

（3）線路殘余電壓U_0的極性和大小。

（4）母線上接有的其他線路。

以下主要研究分析線路的長度、相位角θ_0變化對合閘過電壓的影響。

4 仿真元件的參數(shù)選擇

4.1 電 源

電源e=E_m? sin?ωt為電源，ω為電壓角頻率，t為時間，E_m為電壓幅值，E_m=√2 E，E為電壓有效值，E= 110/√3，其內(nèi)阻為 ，電感為 H。

4.2 線路參數(shù)

線路正負(fù)序電感為 ，零序電感為 ;正負(fù)序電容為 ，零序電容為 ;正負(fù)序電阻為 ，零序電阻為 ，線路長度為 。

5 合閘空載線路的仿真分析

5.1 初相角對空載合閘過電壓的影響

在其它參數(shù)不變的條件下，對不同初相角下的空載合閘進(jìn)行仿真分析：

從圖1、2中可以看出，0-100Hz時，A、B、C三相幅值基本相同;100-400Hz時，A相幅值較高，B、C相幅值相同;>400Hz時，A、B、C三相幅值趨近于0。

由表1可以看出，當(dāng)電源的相位角不同時，三相空載合閘過電壓的情況不同，從仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）在其它條件不變的的情況下，對于不同電源相位角，產(chǎn)生的三相空載合閘過電壓的諧波是不同的。

（2）隨著電源初相角的增大，三相電壓幅值的最大值和達(dá)到最大值的時間發(fā)生了變化，其諧波的幅值隨著電源相位角的增大而減小。

（3）基波的幅值隨著相位角的增大基本沒有發(fā)生太大變化，高次諧波的幅值隨相位角的增大而減小，當(dāng)頻率達(dá)到一定限度時（>400Hz），高次諧波的幅值逐漸趨于0，三相過電壓的高次諧波的幅值隨著相位角的增大逐漸相同。

5.2 線路長度對空載合閘過電壓的影響

在其它參數(shù)不變的條件下，對不同線路長度下的空載合閘進(jìn)行仿真分析

從圖3、4中可以看出，0-100Hz時，A、B、C三相幅值基本相同;100-400Hz時，A相

幅值較高，B、C相幅值相同;>400Hz時，A、B、C三相幅值趨近于0。

由表2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)線路長度不同時，三相空載合閘過電壓的情況不同，從仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

（1）在其它條件不變的的情況下，對于不同線路長度，產(chǎn)生的的三相空載合閘過電壓諧波是不同的，線路長度越長，產(chǎn)生高幅值諧波的頻率越低。

（2）隨著線路長度的增大，各項幅值到達(dá)最大值的時間其和最大值的大小發(fā)生了變化。線路長度越長，各相過電壓到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時間就越短。

（3）基波的幅值隨著線路長度的增大基本沒有發(fā)生太大變化，中間一些諧波的幅值隨著線路長度的增大而增大，高次諧波的幅值隨線路長度的增大反而減小，當(dāng)頻率達(dá)到一定限度時（>400Hz），高次諧波的幅值逐漸趨于0。

6 結(jié) 論

從上面的仿真結(jié)果可以看出，空載線路合閘過電壓集中發(fā)生在0-400Hz之間，對于既定長度的線路，合閘時電源電壓的相位角在很大程度上決定了初次諧波電壓的幅值。在電源電壓幅值附近（θ=0^°）合閘時，過電壓最大。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳維賢.電網(wǎng)過電壓教程[M]. 北京：中國電力出版社，1996.

[2] 李富壽.電力系統(tǒng)過電壓計算[M]. 北京：水利水電出版社，1988.

[3] 施圍等.高電壓工程基礎(chǔ)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[4] 朱子述.電力系統(tǒng)過電壓[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2002.

作者簡歷：李建龍（1985-），男，陜西寶雞人，本科，工程師，從事發(fā)電廠電氣設(shè)備檢修管理工作。