【文章內(nèi)容簡介】 模型 (2)、計算分析同塔直流輸電線路 發(fā)生故障時，同回輸電線路不同極間、同塔不同回路間及不同塔平行架設的直流輸電線路間電磁耦合關系，研究干擾電壓、電流的特征。 (3)、分析高壓直流輸電線路電磁干擾的傳播方式、傳播途經(jīng)等，研究高壓直流輸電線武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)設計 6 路對保護裝置電磁干擾的數(shù)學模型，分析高壓直流輸電線路電磁暫態(tài)對保護干擾的特征。電磁干擾途徑分為電容耦合、電感耦合和電磁輻射。 ① 電容耦合 任何電子設備之間都存在分布式電容，變電站中還有補償電容、耦合電容、電容式電壓互感器等電容元件。某一導體上的電壓通過這些電容影響其它導體上的電位，形成傳導型干擾。 ② 電感耦合 任何 載流導體都會在周圍空間中產(chǎn)生磁場，若磁場是交變的，則會在周圍閉合電路中產(chǎn)生感應電勢。 ③ 電磁輻射 輻射干擾是指強電系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻電磁干擾輻射，干擾能量通過空間電磁波的形式傳播到弱點系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾，隨弱點此系統(tǒng)電纜的接地方式不同形成共?；虿钅８蓴_。 ④ 公共阻抗耦合 這是噪聲源和信號源具有公共阻抗時的傳導耦合，如雷擊電流和短路電流流入地網(wǎng)，盡管接地網(wǎng)電阻很小，但畢竟不為零，這將使地電位升高，且接地網(wǎng)上不同點出現(xiàn)地電位差。接在地網(wǎng)不同點的設備地電壓將不同，為了防止公共阻抗耦合，應使耦合阻抗（接地網(wǎng)阻抗）趨于零，則地電 位差也將趨于零，干擾電流將消失。由于地網(wǎng)電流的擴散性，遠離電流入地點處的電流較小，地電位差也比較小。 實際上干擾源對二次回路的耦合是非常復雜的，通常同一干擾源會以幾種干擾途徑對二次回路產(chǎn)生干擾。 本論文的新穎之處 本文主要包括對現(xiàn)代直流線路的設計和實際的安裝的客觀情況即： 兩回直流的線路即架設在同一個桿塔上。這兩回直流四條直流輸電線路相互之間存在復雜的電磁耦合關系，既出現(xiàn)同一回直流的不同線路間，也包括不同回直流線路之間。當任一線路發(fā)生故障時對其它三條線路的影響機制及分析方法，相關直流系統(tǒng)控制保護的響應特性等問題，目前都研究較少。國網(wǎng)公司也建有一個同塔雙回直流輸電工程，相關研究人員做過一些仿真分析，但也僅限于兩回直流之間，并未研究同一回直流不同極線之間的影響。而針對相關問題的分析模型與方法、研究手段、工程試驗等方面，國內(nèi)外都還基本處于空白。 首先 特高壓直流極間線路之間存在一定程度的電磁耦合，這一耦合作用在雷電沖擊的情況下特別明顯，且影響到了另一極的穩(wěn)定運行。云廣直流 2021 年 和 2021年 的兩次雙極相繼閉鎖事故中都是因為一極線路故障而引起了另一極電流電壓的武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)設計 7 波動從而使另一極保護動作，并最終導致雙極 相繼閉鎖 再次為了節(jié)省線路走廊，直流線路同塔并架在直流工程中也開始出現(xiàn)。興安直流也因為征地等原因，部分直流線路和接地極線路采用了同塔并架的方式，也正是因為這種方式，發(fā)生多次因為極線路故障而導致接地極線路保護動作，目前關于這方面的研究只集中在如何防雷等措施上。 本論文緊密結(jié)合南方電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)運行實際，研究成果不僅對現(xiàn)有直流工程的安全可靠運行具有指導作用，而且對于在建的直流工程具有重要的參考價值。 論文內(nèi)容概述 本項目涉及直流線路極線間電磁耦合機理、同塔并架直流線路故障耦合模型與方法的研究工作；同時緊 密結(jié)合南方電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)運行實際。具體的研究內(nèi)容： （ 1）研究直流輸電線路電磁暫態(tài)耦合的機理，建立輸電線路電磁耦合計算分析的數(shù)學模型。通過仿真，分析同塔直流輸電線路故障時，極線間的電磁耦合特性。 （ 2）研究平行架設輸電線路故障時不同回路間的電磁耦合特性；基于 EMTDC、 RTDS的同塔并架直流線路故障過程的電磁耦合機理仿真研究，包括極線之間的耦合和同塔并架下同一個塔上不同線路之間的耦合。 （ 3）建立考慮云廣工程實際參數(shù)的電磁暫態(tài)分析數(shù)學仿真模型。結(jié)合仿真實驗，揭示在現(xiàn)有線路運行模式下的固有缺陷，提出新形勢下 的防范措施和解決 。 武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文 8 第二章 直流線路故障時的電磁耦合模型與分析方法 前言 特高壓直流極間線路之間存在一定程度的電磁耦合，這一耦合作用在雷電沖擊的情況下特別明顯，且影響到了另一極的穩(wěn)定運行。云廣直流 2021 年 和 2021 年 的兩次雙極相繼閉鎖事故中都是因為一極線路故障而引起了另一極電流電壓的波動從而使另一極保護動作，并最終導致雙極相繼閉鎖。云廣工程在設計時并沒有考慮到線路之間存在如此大的電磁耦合關系，控制保護系統(tǒng)的設計也只是基于本極的電流電壓變化特性，并沒有考慮到對極故障對本極造成的干擾。 為了節(jié)省線路走廊，直流線路同塔并架在直流工程中也開始出現(xiàn)。興安直流也因為征地等原因，部分直流線路和接地極線路采用了同塔并架的方式，也正是因為這種方式，發(fā)生多次因為極線路故障而導致接地極線路保護動作，目前關于這方面的研究只集中在如何防雷等措施上。 正在建設的溪洛渡送電廣東同塔雙回直流工程中，兩回直流的線路即架設在同一個桿塔上。這兩回直流四條直流輸電線路相互之間存在復雜的電磁耦合關系，既出現(xiàn)同一回直流的不同線路間，也包括不同回直流線路之間。當任一線路發(fā)生故障時對其它三條線路的影響機制及分析方法，相關直流系統(tǒng)控制 保護的響應特性等問題，目前都研究較少。國網(wǎng)公司也建有一個同塔雙回直流輸電工程，相關研究人員做過一些仿真分析，但也僅限于兩回直流之間，并未研究同一回直流不同極線之間的影響。而針對相關問題的分析模型與方法、研究手段、工程試驗等方面，國內(nèi)外都還基本處于空白。 本項目緊密結(jié)合南方電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)運行實際，研究成果不僅對現(xiàn)有直流工程的安全可靠運行具有指導作用，而且對于在建的直流工程具有重要的參考價值。 在電力系統(tǒng)正常運行情況下，由于直流輸電線路上由于線路電壓 /電流穩(wěn)定不會產(chǎn)生感應電壓，但在線路遇到故障的情況下，由于極 線上的電壓發(fā)生劇烈波動，由于線路之間的容性耦合與感性耦合，將會在附近的極線與接地極線上產(chǎn)生感應電壓。由于容性耦合而產(chǎn)生的感應電壓將會因為附近的金屬導線直接或通過相關設備接地而大幅度降低，同時線路上由于感性耦合而產(chǎn)生的感應電動勢作用在附近線路與大地所構(gòu)成的回路中產(chǎn)生工頻電流，從而影響附近線路的安全。 容性耦合 在電力線路運行時，在線路周圍的空間中會產(chǎn)生電場，這會賦予電場中的導體或武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文 9 電介質(zhì)相應的電位（電位值取決于電位參考點的選取，通常取大地為電位參考點）。由/C q U? 可知，相對于電位參考點，導體上有電容存在；當兩個導體或電介質(zhì)之間電位不同的時候，由 12/ / | |C q U q ??? ? ?可以定義兩個導體之間的電容。在輸電線路運行時，由于存在電容使附近金屬線路與大地之間產(chǎn)生電位差，從而在附近的金屬導線上產(chǎn)生感應電容電壓。由于是通過線路之間的互電容耦合而產(chǎn)生的感應電壓，所以這種影響稱之為容性耦合。在線路的位置幾何參數(shù)固定的情況下，感應電容電壓主要受到電力線路的電壓等級，導線之間的距離以及線路運行狀態(tài)的影響。 感性耦合 由工程電磁場理論可知，當 一個導線通電流時，將會在周圍的空間產(chǎn)生磁場。我們通過磁通和磁通鏈來描述磁場。當穿過處在磁場中的一個線圈或者回路的磁通 ? 或者 磁通鏈 ? 隨時間變化時，線圈或者回路中將會產(chǎn)生感應電壓。在電路中，通過電感參數(shù) L與互感參數(shù) M來描述這一電磁感應現(xiàn)象。這兩個參數(shù)由線路的形狀 /尺寸與媒質(zhì)磁導率等物理參數(shù)決定，而與電流，磁通無關。當直流線路上的電流產(chǎn)生變化時，將會在線路周圍空間形成變化的磁場，從而通過互感在附近的電力線路上產(chǎn) 生感應電壓。由于這是通過線路之間的互感耦合產(chǎn)生的感應電壓，所以稱之為感性耦合。 直流線路極線間電磁耦合模型 建立了特高壓直流輸電線路雷電繞擊的仿真模型，仿真時為了模擬雷電流波在雷擊處兩側(cè)的折反射，在雷擊處兩側(cè)都加入了 3 基桿塔，在線路兩側(cè)分別經(jīng)長線路模型連接電源。避雷線也通過該長線模型接地。如圖 所示。 線路全長 10 km，沿線大地電阻率平均值為 1000 /m? ， 圖 特高壓直流輸電線路雷電繞擊仿真模型 武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文 10 同塔并架直流線路故障時電磁耦合模型 直流輸電線路 直流線路每極導線選用 4JL/G2A900/754/7 鋼芯鋁絞線； 2 根避雷線采用 GJ100型鍍鋅鋼絞線，具體線路參數(shù)見表 。由于按雙回同塔設計，極導線需按上下兩層布置。 項次 直流線路 項次 直流線路 架空地線 型號 GJ100 導線 型號 4JL/G2A900/754/7 外徑 /mm 13 外徑 /mm 直流電阻 / 1km??? 直流電阻 / 1km??? 弧垂 /m 11 分裂間距 /mm 450 弧垂 /m 15 表 直流線路參數(shù) 桿塔 本文選用廣東省電力設計研究院規(guī)劃的 SZ27103 雙回路直線塔型進行建模計算，該塔型的具體尺寸如圖 所示，保護角為 5?。極導線懸垂絕緣子串選用 V串型式，采用復合絕緣子，每串結(jié)構(gòu)高度為 ，最小電弧距離為 。 單 位 m m5 8 0 08 8 5 01 4 6 5 039000190006000300014000500450016009005 0 09 0 176。3 0 5 05 8 0 07 1 0 01 2 9 0 05 0 06 0 0 2 3 0 0 2 5 0 0 6 0 0 0 1 1 4 0 02 4 0 01 3 4 4 082025 8 0 082025 8 0 0 圖 同塔雙回輸電線路桿塔模型 武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文 11 直流系統(tǒng)仿真模型 參照前文 中使用的仿真模型 ，使用 6 相 Jmarti 模型模擬輸電線路，在雷擊處兩側(cè)各加 3 基桿塔，剩余部分輸電線路采用沖擊阻抗模擬，避雷線通過該阻抗接地，輸電導線通過該阻抗接入直流電壓，如圖 所示。線路全長 10 km，沿線大地電阻率平均值為 1000 /m? ， 圖 同塔雙回直流輸電系統(tǒng)雷電繞擊計算模型 直流輸電線路電磁暫態(tài)耦合的機理與計算分析 ? 形集中參數(shù) 電路模型 如圖 所示， ? 形集中參數(shù)電路可通過下式計算 。 Y sh unt/2Z se rie sY sh unt/2 () 式中， R’、 L’、 C’是某一給定頻率下的單位長線路的電阻、電感、電容， l 是線路長。 Y sh u n t /2Z se r ie sY sh u n t /2 圖 ? 形模型 在進行線路穩(wěn)態(tài)計算時，應用 ? 形電路模型可以精確的模擬通常長度（ 100~200km以下）的線 路。而進行線路的暫態(tài)計算式，要應用 ? 形電路模型必須滿足：裁斷頻率 cf遠大于線路暫態(tài)現(xiàn)象的基本頻率 tf ，其中 cf 由 ? 形電路模型的 L， C 決定。因此可以通過將多條短距離（線路距離用上面條件計算得到）的 ? 形電路串接 來對長線路進行模擬。 其中，線路暫態(tài)的裁斷頻率 cf 和基本頻率 tf 的計算式為： 武漢大學珞珈學院本科畢業(yè)論文 12 xvfc ???? () ?41?tf ：末端開路 ?31?tf ：末端經(jīng)阻抗接地 () ?21?tf ：末端短接 式中， x? 是線路 長度， v 是傳播速度（ km/s）， /xv?? 是傳播時間（ s）。 雖然用 ? 形 電路模型可以準確的模擬線路穩(wěn)態(tài)及工頻的暫態(tài)計算，但由于 ? 形 電路模型中無法模擬頻率相關線路參數(shù)，而且集中參數(shù)還會產(chǎn)生虛假振蕩，串接之后求解 也比行波理論的計算方法復雜而且計算量大，因此一般不應用于線路的暫態(tài)計算。 帶集中電阻的恒定參數(shù)無損線路模型 帶集中電阻的恒定參數(shù)無損線路模型也可以成為 Bergeron 模型或 Dommel 模型。這個模型在模擬換位線路時也可以稱為 Clark 模型，在模擬不換位模型時也可以稱為KClee 模型。 在進行計算時，由于線路上的串聯(lián)電阻不能夠忽略，而并聯(lián)電導可以忽視，所以可以用幾個集中電阻來等值模擬線路，而其他部分則視作無損導線，經(jīng)驗表明這種模擬方法是合理的。在 EMTP 中，使用 3 個集中電阻來模擬線路，兩端的電阻值為 R/4，中間的電阻值為 R/2，如圖 所示。 此時在線路中必須滿足 /4RZ的條件才能得到準確合理的結(jié)果，此 處 Z 為波阻抗。如果不滿足這個條件，則必須縮短每個模型的長度即增加線路的段數(shù) 。 用集中電阻來模擬線路時，并沒有考慮線路參數(shù)的頻率相關性，線路參數(shù)默認按照基本頻率計算。在無損線路上使用等值 ? 形電路，在消去內(nèi)部節(jié)點后，可得到等值 ?形電路的參數(shù)。 R / 2R / 4R / 4無 損 線 路無 損 線 路KM () R / 2R / 4R / 4無 損 線 路無 損 線 路KM () 式中， lRR ?? 39。 ， 39。R 為線路單位長電 阻 ； 2/39。39。CLl