牵引变压器合闸振荡过电压研究

．6． May．2004 HIGHVOI．TAGEENGINEERINGVol·30No·5 ——_———————————————————————————————————————————————————————————一 牵引变压器合闸振荡过电压研究 孙友群·，周文俊2，程方晓3，段睿4，马卫平1，鲁铁成2，高翔2，陈维贤2 (1．吉林电力科学研究院，长春130021；2．武汉大学电气 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，武汉430072； 3．长春工业大学，长春130012；4．吉林农业大学，长春130118) RESEARCHoNTHEoSCILLATINGoVERVoLTAGECAUSED BYTRAILINGTRANSFoRMERSCoMMISSIONING SunYouqunl，ZhouWenjun2，ChengFangxia03，DuanRui4，MaWeipin91，LuTieehen92， GaoXian92，ChenWeixian2 (1．JilinElecticPowerResearchInstitute，Changchun130021，China； 2．SchoolofElectricEngineering，WuhanUniversity，Wuhan430072，China； 3．ChangchunUniversityofTechnology，Changchun130012，China； ·4．JilinAgriculturalUniversity，Changchun130118，China) AbstractOvervoltageappearedduringthecommissioningof severaltrailingtransformersinJilinProvince．Analysis showedthattheelectromagneticoscillatingofthesystem causedtheovervoltageofthefeedingphases．Aftersetting upanaccuratestimulatingmodelusedinATP-EMTP，the adverseinfluenceontheelectricpowersysemandthecharac— teroftheoscillationovervoltagehadbeenstudied．Results showedthatundertheenvironmentofthesesubstationsthe amplitudeoftheovervoltagecouldn’texceed2．0P．U．and wouldhavelittleinfluenceonelectricpowersystem． Keywordsoscillatingovervoltagetransformersimula— tingstudy 摘 要 为研究变压器合闸过电压的机理测试了220kV牵 引变电站主变空载合闸过程，波形及数据的综合 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 显示系 统过电压为高频振荡。ATP—EMTP模型的仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明， 合闸相角、系统阻抗、线路阻抗及线路电容对系统振荡程度 及牵引变励磁涌流都有影响；改变系统参数对系统过电压、 涌流的影响趋势相似，只是具体程度不同。在所研究的几个 特定变电站系统环境下，此种振荡过电压均≯2．0P．u．，不 会影响电力系统。 关键词 振荡过电压变压器仿真研究 中图分类号TM864 文献标识码 A 0 引 言 变压器合闸过电压的产生机理究竟是电磁振荡 过电压或电磁谐振过电压还是快速暂态过电压 (VFTO)[1’2J，人们对此看法不一。2001年7～9 月，吉林省电力科学研究院分别测试了220kV电 铁的德惠、扶铁及长春3个牵引变电站主变压器的 空载投运合闸过程，其结果如下： ①德惠第1次试验时只有合北线供电，整个系 统较小，牵引变投运时对系统冲击较大，5次合闸记 录中测到4次过电压，均出现在非合闸相，捕捉过电 压几率占所测相(共15相次)的40％，捕捉过电压 最高1．80p．U．，牵引变合闸涌流最大9．63p．U．，合 闸过渡时间最大1．254S，最小0。612S。 ②后几次试验时系统环网运行，牵引变投运对 系统冲击不大，合闸相出现过电压，捕捉过电压最高 1．20P．u．，电铁变压器合闸冲击涌流最大15．75P． u．，合闸过渡时间最大3．00S，最小1．10S。 ③所有测试过程中均未发现零序电流。 综合分析测量波形及数据后认为合闸过程中出 现的是高频振荡过电压。但因电铁牵引变是采用 220kV系统线电压供电的单相变压器，因此其空载 合闸过程应与以前所讨论的三相变压器有所不同。 1 ATP—EMTP仿真模型[33 仿真电力系统的暂态过程时，所建模型的准确 性(包括真实性、稳定性和精确性)对仿真结果影响 很大，建模时应综合考虑这3方面的因素，根据实际 情况决定所用建模 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。本文主要介绍输电线路、 牵引变压器及系统电源模型。 (1)输电线路模型 从一次枢纽变电站到牵引站采用双相交流供 电，架空地线全程非均匀换位。严格来说，应采用线 路的结构参数建立LCC频变线路模型。但因变压 器整个合闸过程中的暂态过电压波形是在工频正弦 电压上叠加中频振荡波，主要成分仍是工频，线路的 参数变化不会太大，因此可用非频变的线路模型。 研究电力系统的暂态过程一般采用均匀、非均匀换 位线路的分布参数模型，以反映电压波和电流波的 传播过程。但本课题中所有线路长度均≯30km， 而整条线路上波的传播速度接近光速0．3Gm／s，则 波的行进时间(即线路充放电时间)≯100肚S，低于 标准爨饩遵枣辱的髌恭：脯闸，可认为线路瞬时进入 ?-+j_。|““簿i嚣j鬟黪；§。麓鬻。；。 万方数据 2004年5月 高 电 压 技 术 第30卷第5期·7· l G L IiC, 图2变压器T型等值电路模型 Fig．2TheequivalentTcircuitmodelofthetransfOrmer 单相的牵引变既无相移又无三相绕组间的耦 合，使问题简化。但从上可知，图2中R，、R。、L。、L。 仍是频变的耦合参数，R也是频变的参数，而励磁支 路则更复杂，故须根据实际情况有效简化。首先，研 究对象是变压器合闸时出现的涌流和过电压过程及 其对系统的影响，故可忽略变压器内部因杂散电容、 分布电感引起的匝间振荡。旁边装有氧化锌避雷器 的变压器空载合闸过程中励磁支路阻抗和绕组阻抗 上的电流相同，而变压器铁心的等值阻抗远大于绕 组阻抗，因此从变压器端口看，即使绕组阻抗随频率 变化也不会对变压器合闸过程影响大。故可用工频 下变压器一次绕组阻抗值作其一次侧绕组，同时忽 略二次侧绕组，但须考虑变压器入口电容，并在图2 中附加变压器一次侧极间电容和极对地电容。其 次，因铁心叠片结构而大大降低了的涡流损耗完全 可略，铁心损耗(包括涡流损耗和磁滞损耗)就只有 与铁心磁滞回环面积关系密切的磁滞损耗。在已有 的基本磁滞曲线i=p(i)上叠加U／R即97(z)／R分 量仍可采用图2中励磁支路模型。其中励磁支路采 用基本磁化曲线，而等效励磁支路电阻R一般在 MQ级，对变压器合闸过程影响也不大，故可取工频 额定电压下的R值。 (3)系统电源模型 本课题只涉及两相线路，故采用两个单相无限 大电源级联阻抗的电路模拟电源，并在出口处并联 对地电容。电源相电压取133．3kV(1．05UN)，并 考虑最大运行电压145．5kV，两电源相角差120。， 级联阻抗取值范围介于系统最大、最小运行方式下 的变电站220kV母线短路阻抗值之间。出口处对 地电容是变电站各回出线的分布对地电容等值到母 线上的集中电容，与各回线路长度有关的具体数值 需测量得到，但已投运线路的该电容值无法测量。 因该等值电容对母线电压有一定钳制作用，故从研 究牵引变投运对系统最大影响的角度看，该等值电 容可略，仅作为振荡过电压的一影响因素来分析。 2仿真结果及分析 多种系统运行方式下采用多种合闸相角对各变 电站的仿真发现，不同情况下所得系统过电压波形 及涌流波形都很相似(见图3)。振荡过电压的衰减 过程会造成两合闸相过电压峰值的不对称性，故在 区间Eo，180。]中设置合闸初相角妒。 仿真结果显示，合闸相角、系统阻抗、线路阻抗 及线路电容对系统振荡程度及牵引变励磁涌流都有 影响。比较3个牵引变合闸时的系统振荡，德铁较 为剧烈，北铁不太明显，而扶铁几乎没有。在0。、 180。相角合闸时系统振荡最剧烈，相间过电压峰值 最高，励磁涌流最小，随着合闸相角从0。逐渐增到 90。，系统振荡逐渐减小，励磁涌流逐渐增大，到90。 相角合闸时系统无振荡，励磁涌流最大。但系统相 对地过电压的情况则有所不同，其振荡峰值最大时 相间过电压振荡峰值均未达最大，甚至可能趋于稳 态电压，且超前相与滞后相最大过电压幅值一般不 等，它们所对应的合闸相角也分布在不同区间即 [o。，90。]及E90。，180。]。’而上述3个牵引变在各相 角下合闸时系统振荡过电压幅值均≯2．0P．U．。 大量的仿真实验显示，改变系统参数对系统过 电压、涌流的影响趋势相似，只是具体程度不同。 220kV电铁德蒜牵瓢站系统参数(系统阻抗、线路 万方数据 ．8． Mav．2004 HIGHVOI，TAGEENGINEERINGV01．30No·5 _一—————————————————————————————————————————————————一 阻抗、线路电容、牵引变人口电容、变电站母线等值 对地电容等)的依次改变对系统过电压及励磁涌流 的影响分析如下： 300 200 >100 誓 0 3，100 ．200 -300 400 200 > 丘 0 。．200 (b)大励磁涌流波形 (c)小励磁涌流下系统过电压波形 t／ms (d)小励磁涌流波形 丽3过电压、励磁涌流仿真波形图 Fig．3Thesimulationwaveformoftheovervoltage andthefieldinrushcurrent ①系统阻抗的影响 系统阻抗对系统过电压影响不大，但对励磁浪 涌影响很大。随着系统电感逐渐增大，系统相间过 电压最大值对应的合闸相角仍为90。，并在1．485 P．U．附近振荡衰减；系统相对地过电压最大值对应 的合闸相角变为30。和150。(即相电压峰值相角)， 且小幅上升后衰减；而励磁涌流则急剧下降。 ②线路阻抗的影响 线路阻抗对系统过电压及励磁涌流均影响较 大。线路阻抗逐渐增大时，系统相问过电压最大值 先升后降，证明线路电抗与线路电阻对系统过电压 的影响相反。线路电抗对系统过电压的影响与系统 电抗的相似，随着线路电抗上升，系统过电压最大值 小幅上升，涌流下降；随着线路电阻上升，系统过电 压最大值大幅下降，涌流下降。综合来看，线路阻抗 加大(等效线路加长)时，系统过电压下降，励磁涌流 急剧下降，故变压器侧的损耗会使操作过电压下降。 ③线路电容的影响 线路电容对系统过电压影响较大．，而对励磁涌 流影响很小。线路电容增大时，系统振荡减弱，系统 过电压最大值大幅下降，涌流小幅上升。 ④牵引变入F1电容的影响 牵引变人口电容(4～12nF)对系统过电压影响 很大，而对励磁涌流影响很小。入口电容逐渐增大 时，系统振荡加剧，系统过电压大幅上升，系统振荡 过电压频率下降。入El电容达12nF时，振荡过电 压幅值达2．0P．u．。 ⑤母线等值对地电容的影响 变电站220kV母线等值对地电容对系统过电 压影响较大，但对励磁涌流无影响。该电容变大时， 系统过电压下降，系统振荡过电压频率下降。 综上所述，系统参数变化时，系统过电压可能会 >2．0P．U．。对系统过电压影响最大的是牵引变人 口电容，其次是母线等值对地电容及线路参数。据 此可基本断定系统过电压振荡的机理即在系统电源 激励下发生在系统阻抗与变压器入口电容所形成回 路中的高频电磁振荡，其简化等值电路见图4。 (厂l ● U2 图4系统等值电路 Fig．4Theequivalentcircuitofthesystem 该振荡过程与投切电容器组时的类似，所不同 的是，电容器组合闸过程只涉及一独立振荡回路，因 而振荡过电压最大值对应o。合闸相角，而本课题是 在三相电力系统中相间投单相变压器，因此产生3 个相互关联的振荡回路(分别是两个相对地和一个 相间)，且振荡过电压最大值对应的合闸相角也有所 不同。根据上述仿真实验数据可知，两个对地振荡 过程在牵引变入口电容C，。、Cz。上产生的振荡过电 压基本相互抵消，因此对相间振荡过程影响很小，相 间过电压最大值仍对应o。合闸相角；而相间振荡过 程在牵引变C。。、C。。上产生的振荡过电压会对相对 地振荡过程有一定影响，导致超前相及滞后相对地 振荡过电压最大值所对应的合闸相角介于区间[o， 30。]或[130。，150。]，且两相最大过电压幅值不同，而 这些又取决于相间振荡与对地振荡在变压器人口电 容上所产生电压的叠加方式，两者正相叠加时，超前 相最大振荡过电压幅值较高，对应的合闸相角介于 [o，30。]，两者反相叠加时，滞后相最大振荡过电压 幅值较高，对应的合闸相角介于[130。，150。]。 (下转第11页J 万方数据 2004年5月 高 电 压技术 第30卷第5期·11· 3．3结果分析 图5为实测感应充电伏安特性曲线。采用的是 Q。一4．92mI。的90。空心圆锥雾喷头，电极直径2，．z =80Film，电极中心相对于喷嘴端面的距离分别为 0、5、10、15、20mm。试验结果表明： ①随充电电压的升高，雾滴的荷电量增加。整 个荷电过程中，开始为感应充电，工作在欧姆电导 区，随电压升高，电极表面的感应加强，荷电量增加， u—Q的关系为线性；达到一定值后，变化趋缓，进 入饱和电流区；当电压继续增高进入电流激增区引 起电晕放电，伏安特性突变，其机理有待深入研究。 § ● 追 妄 爨 电压，kV 图5 感应充电的电压与荷质比关系曲线 Fig．5Relationcurvebetweenvoltageofinduction chargeandcharge-massratio ②电极直径相同时，电极至喷头端面距离增大， 艿减少，C增大，充电效果明显变强。 ⑧雾锥角相同时，Qv大的喷头的充电效果不如 小的，因后者雾滴细，表面积大，荷电能力强。 ④雾滴运动的随机性以及细小雾滴易吸附在电 极上，造成电极与液体直接接触，因此电极与锥形雾 体的间距不能太小，同时应解决电极与地间的绝缘。 4 结 语 a．感应充电雾滴荷电机理可用电路的阻容模 型描述，其伏安特性与气体导电的伏安特性吻合。 b．电极与液体雾面间的距离越小，充电效果越 好；应注意绝缘，防止雾滴与电极直接接触。 C．雾滴越小，荷电效果也越好。 参 考 文 献 1 高良润，冼福生．静电喷雾理论及其测试技术的研究[J]．江苏 工学院学报，1986，7(2)：1～13 2 周浩生，冼福生，高良润．荷电射流雾化研究[J]．江苏理工大学 学报，1995，16(4)：7-11 3朱和平．静电喷雾理论及其喷头的研究[D]．镇江：江苏工学院， 1991 4 闻建龙，王军锋，陈松山，等．荷电改善喷雾均匀性的实验研究 [J]．排灌机械。2000，18(5)：45—47 5 陈季丹，刘子玉．电介质物理学[M]．北京：机械工业出版社， 1982 6王晓臣，朱益民．多针极板式负电晕放电电极间距确定[J]．高 电压技术，2003，29(7)：40—43 (收稿日期2003—11—16) 杨超珍1955年生，副教授，博士生，研究方向为机电控制技术。电 话：(0574)87081258 吴舂笃 1 962年生，教授，博导，从事生物环境保护研究。 —E(—}—}●E(1E(1E('}—E(1E(●}●}—E(1}—}—}1E(●E(1E(●}—艮1E(●E(1}●E(1}●}1}1E(1}●}1E(—E(1}—}1E(—E(●}'E(1}●}—E(●E(●E(—E(1}—}1E(●} (上接第9页) 3结论 a．三相电力系统对单相变压器充电过程中出 现振荡过电压，原因是系统电抗与变压器人口电容 所形成的串联回路发生了电磁振荡，振荡电压与系 统正弦电压叠加形成合闸相过电压。 b．合闸相过电压类似于投切电容器组时的过 电压，合闸相相间过电压最大值也对应0。合闸相 角。但由于涉及3个相互关联的振荡回路，导致两 合闸相对地过电压最大值不同，且对应的相角介于 区间[o，30。]或[130。，150。]，具体情况则取决于相间 振荡与对地振荡在变压器入口电容上所产生电压的 叠加方式，两者同向叠力tJu,-J-，超前相最大振荡过电压 幅值较高，对应的合闸相角介于[o，30。]，两者反向 叠加时，滞后相最大振荡过电压幅值较高，对应的合 闸相角介于[130。，150。]。 C．合闸相过电压的影响因素包括系统阻抗、线 路参数、牵引变入口电容及变电站220kV母线等 值对地电容。系统过电压随系统阻抗、线路阻抗增 大而先升后降，受影响不大，励磁涌流则一直减小， 受影响较大；线路电容越大，系统振荡越弱，系统过 电压越小，受影响较大，但励磁涌流受影响很小；牵 引变入口电容越大，系统振荡越剧烈，系统过电压越 高，受影响很大，但励磁涌流几乎不受影响；变电站 母线等值对地电容越大，系统振荡越弱，系统过电压 越低，受影响较大，但励磁涌流几乎不受影响。 d．本文3个变电站合闸相过电压不影响系统。 参 考 文 献 I解广润．电力系统过电压[M]．北京：水利电力出版社，1985 2 曾昭华，林集明，班连庚，等．特快速暂态过电压及研究实例[J]． 电网技术，1996，20(3)：10—14 3 LEUVENEMTPCENTER．Alternativetransientsprogramrule book[Z]．LEC，Belgium，1992 (收稿日期 2003—12-02) 孙友群 1968年生，工程师，从事过电压专业技术工作。电话： (0431)5794574 周文俊】959年生，博导，教授，从事高电压绝缘与测试、防雷接地 等方面的研究。电话：(027)67802297—205 万方数据 牵引变压器合闸振荡过电压研究 作者： 孙友群， 周文俊， 程方晓， 段睿， 马卫平， 鲁铁成， 高翔， 陈维贤 作者单位： 孙友群(武汉大学电气工程学院,武汉,430072;吉林电力科学研究院,长春,130021)， 周文俊 (长春工业大学,长春,130012)， 程方晓(吉林农业大学,长春,130118)， 段睿(吉林电力科 学研究院,长春,130021)， 马卫平,鲁铁成,高翔,陈维贤(武汉大学电气工程学院,武汉 ,430072) 刊名： 高电压技术 英文刊名： HIGH VOLTAGE ENGINEERING 年，卷(期)： 2004，30(5) 被引用次数： 1次 参考文献(3条) 1.解广润 电力系统过电压 1985 2.曾昭华.林集明.班连庚 特快速暂态过电压及研究实例 1996(03) 3.LEUVEN EMTP CENTER Alternativetransients program rule book 1992 相似文献(3条) 1.学位 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 张栋 电力变压器冲击电压分布仿真与纵绝缘结构优化设计的研究 2002 该文工作是在多年应用电力变压器波过程计算软件进行变压器绝缘结构设计的基础上,针对电力变压器纵绝缘结构优化设计展开研究.首先,该文从理 论上总结了变压器线圈在遭受到冲击电压时产生电磁振荡过电压和感应过电压的原因、电力变压器波过程计算与仿真的原理以及多年来应用波过程计算 软件进行变压器绝缘结构设计的经验和体会,指出了波过程计算在变压器电磁设计和绝缘设计中的重要地位和作用,为更好地应用和改进该软件奠定了基 础.其次,根据当前超高压电力变压器技术发展的趋势和市场对产品的需要,提出了目前所用的软件存在的不足之处,以及需要改进升级的具体内容. 2.期刊论文 李道明.曲渝 变压器冲击电压分布计算在纵绝缘设计中的应用 -郑州大学学报(工学版)2003,24(4) 要使电力变压器能够安全、可靠地运行,合理设计变压器内部绝缘结构至关重要,特别是变压器线圈的绝缘必须能可靠地承受住大气过电压、长期工 作电压、操作过电压和暂态过电压的作用.分析了变压器线圈在遭受到冲击电压时产生电磁振荡过电压和感应过电压的原因,对电力变压器波过程进行计 算与仿真,运用波过程计算软件进行变压器绝缘结构设计,最后指出波过程计算是变压器纵绝缘设计的重要依据. 3.学位论文 刘学忠 脉宽调制变频调速电动机绝缘破坏的机理及对策 2001 该文系统研究了脉宽调制(PWM)变频驱动系统中变频电动机绝缘破坏的机理及对策.首先试验和仿真研究了PWM变频调速电动机接线端子上的电压特性 ,并采用RC一阶阻尼滤波器来抑制PWM变频调速电动机端子上的高频振荡过电压,研究了电动机端子上过电压幅值及脉冲上升时间与电缆长度和参数、滤波 器的电阻和电容、变频器输出特性以及电动机容量的关系,并基于传输线的波过程理论及信号的卷积分析建立了该过电压与电缆和滤波器等参数关系的较 为完善的理论模型.其次研究了PWM变频调速驱动电动机端子上的电流特性,特别是由陡上升沿电压引起的高频尖峰电流分量的特性,它是表征电动机绕组 上电压瞬态的极不均匀分布特性的主要方法之一.研究了电缆和滤波器参数对驱动系统中各连接点的电流波形的影响,并通过傅里叶频谱分析得出电动机 绕组上的高频电流分量主要是由分布电容产生的位移电流,由此该高频电流分量在导体和铁心中产生的热损耗可以忽略.再次采用开关电源和高频脉冲变 压器的先进技术,研制了变频电动机绝缘材料老化过程及寿命试验用的高频高压方波电压源,其输出特性达到国际上变频电动机用绝缘材料试验的通用水 平.采用双层复合绝缘结构研制了新型耐电晕漆包电磁线,该电磁线由无机超微粉填料改性的绝缘漆制造,试验结果表明室温下其电晕放电加速老化寿命是 传统电磁线的5～9倍. 引证文献(1条) 1.马德明.高仕斌 断电过电分相的过电压暂态过程分析[期刊论文]-电气化铁道 2008(3) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_gdyjs200405003.aspx 授权使用：湖南大学(hunandx)，授权号：c7d13c0b-f36d-4ec3-87e2-9e3300d5ca37 下载时间：2010年11月19日