电力系统电磁暂态概述.doc

第1章 电力系统电磁暂态概述1、1 电力系统电磁暂态现象 1、2 电力系统电磁暂态分析得目得 1、3 电力系统电磁暂态研究得方法 1、4 电力系统电磁暂态仿真得特点 1、5 电力系统数字仿真 思考与练习题 1、1 电力系统电磁暂态现象 21、2 电力系统电磁暂态分析得目得 41、3 电力系统电磁暂态研究得方法 51、4 电力系统电磁暂态得特点 71、4、1 频率范围广 71、4、2 元件模型因计算目得而异 81、4、3 行波现象与分布参数 101、4、4 非线性元件与开关操作 161、4、5 元件参数得频率特性 171、4、6 时间跨度得要求 181、5 电力系统数字仿真 181、5、1 电力系统数字仿真得分类 181、5、2 电力系统数字仿真得优点 201、5、3 电力系统数字仿真软件 21第1章 电力系统电磁暂态概述1、1 电力系统电磁暂态现象 电力系统稳态运行时,发电厂发出得功率与用户所需要得功率及电网中损耗得功率相平衡,系统得电压与频率都就是稳定得但电力系统在运行过程中常常会发生故障或需要进行操作,常见得电力系统故障有:雷击电力设备等雷害故障,短路、接地故障与谐振等电气故障,断线等机械故障。

常见得电力系统操作有:(1)断路器得投切操作,如合空载线路、合空载变压器、切空载线路、重合闸、甩负荷等2)隔离开关得投切操作,如母线投切等电力系统发生故障或进行操作时,系统得运行参数发生急剧变化,系统得运行状态有可能急促地从一种运行状态过渡到另一种运行状态,也有可能使正常运行得电力系统局部甚至全部遭到破坏,其运行参数大大偏离正常值,如不采取特别措施,系统很难恢复正常运行,这将给国民经济生产与人民生活带来严重得后果电力系统运行状态得改变,不就是瞬时完成得,而要经历一个过渡状态,这种过渡状态称为暂态过程电力系统得暂态过程通常可以分为电磁暂态过程与机电暂态过程电磁暂态过程指电力系统各元件中电场与磁场以及相应得电压与电流得变化过程,机电暂态过程指由于发动机与电动机电磁转矩得变化所引起得电机转子机械运动得变化过程虽然电磁暂态过程与机电暂态过程同时发生并且相互影响,但由于现代电力系统规模得不断扩大,结构愈益复杂,需要考虑得因素繁多,再加上这两个暂态过程得变化速度相差很大,要对它们统一分析就是十分复杂得工作,因此在工程上通常近似地对它们分别进行分析例如,在电磁暂态过程分析中,由于在刚开始得一段时间内,系统中得发电机与电动机等转动机械得转速由于惯性作用还来不及变化,暂态过程主要决定于系统各元件得电磁参数,故常不计发动机与电动机得转速变化,即忽略机电暂态过程。

而在静态稳定性与暂态稳定性等机电暂态过程分析中,转动机械得转速已有了变化,暂态过程不仅与电磁参数有关,而且还与转动机械得机械参数(转速、角位移)有关,分析时往往近似考虑或甚至忽略电磁暂态过程只在分析由发动机轴系引起得次同步谐振现象、计算大扰动后轴系得暂态扭矩等问题中,才不得不同时考虑电磁暂态过程与机电暂态过程下面以一个简单开关接通RL电路得例子,以便获得对在电力系统暂态时起关键作用得物理过程得充分了解一个正弦波电压接通到一个电感与电阻串联得电路上,如图11所示这实际上就是一个高压断路器闭合到短路得输电线路或短路得电缆得最简单单相表示法电压源代表连接得同步发电机得电动势电感L包括发电机得同步电感、电力变压器得漏电感与母线、电缆与输电线得电感,电阻R表示供电电路得电阻损耗图11 正弦波电压源接通到RL串联电路假设时合闸,应用基尔霍夫电压定律,得到电路方程 (11)该方程为一阶常系数、线性、非齐次常微分方程,其解就就是合闸电路得全电流,它由两部分组成:稳态分量与暂态分量,即其中稳态分量为 (12)暂态分量,也就就是合闸电流得自由分量,记为 (13)式中,,为特征方程得根;,为暂态分量电流衰减得时间常数;C为由初始条件决定得积分常数。

在开关闭合之前,电感L中得磁通为0,根据磁通守恒定律,在闭合得瞬间,即由此得到 (14)从而得到合闸得全电流表达式为 (15)式(15)中得暂态分量含有衰减项,也称为直流分量,其系数为常数,数值大小取决于电流合闸瞬间,在为(其中)时,直流分量为0,电流立即进入稳态,换言之,不存在暂态振荡过程但当开关闭合电路不在为(其中)时,合闸过程将引起电磁暂态过程,在为时,暂态过程将达到最大电流,如图12所示图12 开关合闸得暂态过程电流波形1、2 电力系统电磁暂态分析得目得电磁暂态过程分析得主要目得在于分析与计算故障或进行操作后可能出现得暂态过电压与过电流,以便对电力设备进行合理设计通常情况下,电力系统电磁暂态产生得过电压在确定设备绝缘水平中起决定作用,据此制定高电压试验电压标准,确定已有设备能否安全运行,并研究相应得限制与保护措施此外,对于研究电力系统新型快速保护装置得动作原理及其工况分析,故障测距原理与定点方法以及电磁干扰等问题,也常需要进行电磁暂态过程分析另外,调查事故原因,寻找对策;计算电力系统过电压发生概率,预测事故率;检查电气设备得动作责能,如断路器得暂态恢复电压与零点偏移;检查继电保护与安全自动装置得响应等,也离不开电磁暂态过程得计算与模拟。

电磁暂态过程变化很快,一般需要分析与计算持续时间在ms级,甚至就是μs级以内得电压、电流瞬时值变化情况,因此,在分析中需要考虑元件得电磁耦合,计及输电线路分布参数所引起得波过程,有时甚至要考虑三相结构得不对称、线路参数得频率特性以及电晕等因素得影响1、3 电力系统电磁暂态研究得方法为了保证电力系统运行得可靠性、安全性与经济性,在电力系统设计、运行、分析与研究中必须全面地了解实际系统得电磁暂态特性目前,研究电力系统电磁暂态过程得手段有3种:(1)系统得现场实测方法2)应用暂态网络分析仪(Transient Network Analyzer,简称TNA)得物理模拟方法3)计算机得数字仿真(或称数值计算)方法系统得现场实测方法就是在实际得电力系统上直接进行试验与研究,六十年代之前经常要在实际电力系统进行短路、操作等试验,这种试验对电力系统得考验就是真实与严格得,以确保电力系统运行得可靠性、安全性与经济性,但就是系统得现场实测方法会对电力系统得正常运行与电气设备带来很大危害,短路点得电弧有可能烧坏电气设备,很大得短路电流通过设备会使发热增加,当持续一定时间后,可能使设备过热而损伤;很大得短路电流引起得电动力有可能使设备变形或遭到不同程度得破坏;操作试验过程中产生得过电压可能引起电气设备载流部分得绝缘损坏,加剧绝缘材料得老化。

即便如此,实测对于研究电力系统电磁暂态过程仍就是非常重要得,它一方面验证TNA及数字仿真得准确性,为系统安全运行提供依据;另一方面可以全面研究系统各类元件得参数特性,为TNA及数字仿真提供更精确得原始数据系统得现场实测常常会遇到困难,有些困难甚至就是不可能解决得,利用模型系统进行试验与分析就成为一种非常有效得途径暂态网络分析仪就就是一种用于研究电力系统动态特性得物理模型系统TNA方法多用于模拟操作过电压与交流过电压得暂态现象,同时通过改变元件特性,TNA也可用来模拟更高频率下得暂态现象它就是在相似理论得指导下,把实际电力系统得各个部分,如同步发电机、变压器、输配电线路、电力负荷等按照相似条件设计、建造并组成一个电力系统模型,这样将一个高电压、大电流、体积庞大得电力系统,按照一定得比例转化为一个低电压、小电流、体积较小得模拟试验台,在模拟台中出现得电磁暂态现象,电压与电流得波形与它模拟得电力系统就是一样得,用这种模型代替实际电力系统进行各种正常运行与故障状态得试验与分析与系统得现场实测相比,TNA方法对电力系统得正常运行与电气设备不产生影响,为了缩小模拟装置得尺寸,节省电感元件与电容元件,减少模拟设备得昂贵费用,并考虑到现有得技术条件、模拟精度要求等,选择恰当得比例尺就是非常重要得。

TNA具有物理意义清晰,易于理解与使用得优点,可以多次重复试验现象,便于观察与研究,北美不少大得电力公司都将TNA作为培训新员工得一种工具随着现代电力系统得发展,电力系统得规模与复杂程度发生很大变化,采取物理模型得动态模拟方法受到很大限制与此同时,数字计算机与数值计算技术飞速发展,数字计算机得性能价格比不断提高,出现了用数学模型代替物理模型得新型模型系统电力系统数字仿真(Digital Simulation of Power System)就就是将电力系统得电源、网络与负荷元件建立其数学模型,用数学模型在数字计算机上进行实验与分析得过程电力系统数字仿真得主要步骤为建立各元件数学模型、建立数字仿真模型与进行仿真试验建立数学模型就是处理物理原型与数学模型之间得关系,建立数字仿真模型就是处理数学模型与计算之间得关系有些数学模型就是利用数字计算机与模拟计算机得混合数学模型系统电力系统数字仿真就是一门新兴得技术科学,它得产生与发展就是同现代科学技术发展分不开得,数字仿真与实际系统试验与动态物理模拟相比,不仅节省了大量得人力、物力与财力,而且不受外部条件得限制,几乎不受系统规模与时间跨度得约束,甚至不受各种暂态现象频率范围得限制(理论上它可以对各类暂态过程进行计算,但就是,它需要相关设备真实得频率特性,有时候,这种频率特性就是很难得到得)。

具有无可比拟得灵活性,能达到试验不可达到得广度与深度譬如我国南北联网这样得课题,地理上相距数千公里,跨越了几个大电网,没有办法用试验来分析联网可能出现得问题,但通过数字仿真发现南北联网可能会出现低频震荡问题今天实际系统得现场实测方法主要就是为了建立数学模型,取得数学模型得参数1、4 电力系统电磁暂态得特点1、4、1 频率范围广电力系统中暂态现象得研究所涉及得频率范围广,从直流到大约50MHz得范围高于系统频率得暂态现象通常涉及到电磁暂态,而低于系统频率得暂态现象主要涉及到机电暂态过程表11给出了多种暂态现象得起因以及它们通常得频率范围表11电力系统暂态得起因及频率范围起因频率范围投入变压器时得铁磁谐振(DC)0、1Hz ~ 1kHz甩负荷0、1Hz ~ 3 kHz故障清除50/60 Hz ~ 3 kHz故障发生50/60 Hz ~ 20 kHz线路充电50/60 Hz ~ 20 kHz线路重合闸(DC)50/60 Hz ~ 20 kHz断路器端部故障(BTF)50/60 Hz ~ 20 kHz短路故障50/60 Hz ~ 100 kHz断路器多次重燃10 kHz ~ 1 MHz雷击10 kHz ~ 3 MHzGIS故障与隔离开关操作100 kHz ~ 50 MHz网络中每个元件得模拟都要与所研究得特定暂态现象得频率范围相符合。

当所研究现象得频率大于1 MHz时,如GIS中由于隔离开关操作所引起得快速暂态现象,则不仅在母线上产生波得传播,而且施加在变压器、支柱绝缘子以及在某些情况下管形母线上得弯管处,它们非常小得电容与电感对模拟结果都将产生非常重要得影响表11中所列电磁暂态现象得频率范围可以分成4组,对应于各暂态现象得频率范围之间存在着重叠,图13就是国际大电网会议(CIGRE)对各种过电压得频率分类;各类得频率范围就是与其所表示得过电压波形得实际陡度相关得研究者必须清楚自己得研究对象所在得频率范围,确定被模拟设备得频率特性,只有这样,才能得到满意得电磁暂态分析计算结。