【正文】 hang Peng Directed by ： Yuan Jiaxin Vice professor June 2020 鄭 重 聲 明 本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。 本人簽名： 日期： 摘 要 電力系統(tǒng)的供電 的可靠性是由一定時(shí)間內(nèi)中斷用戶供電的次數(shù)和每次中斷供電的持續(xù)時(shí)間來衡量的。系 統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)最明顯的 現(xiàn) 象就是系統(tǒng)的電壓變化和電流變化。 系統(tǒng)的過電壓會導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置的動作，從而使系統(tǒng)部分供電中斷，同時(shí)，過電壓也會使系統(tǒng)設(shè)備的遭到損害，系統(tǒng)中設(shè)備的絕緣有可能會 在多次的過電壓作用后發(fā)生老化，甚至有可能使絕緣擊穿。本文 首先講述了各種過 電壓的類型及其產(chǎn)生的機(jī)理，然后介紹了非接觸式過電壓在線監(jiān)測的 傳感器的原理，并用 ATPEMTP 軟件對基于平行多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式傳感器進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其原理的可行性，同時(shí)也用 MATLAB 編寫程序計(jì)算驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性， 通過驗(yàn)證我們發(fā)現(xiàn)這種傳感器能夠用于過電壓在線監(jiān)測。 通過實(shí)驗(yàn)，我們得出結(jié)論，這種傳感器可用于過電壓在線監(jiān)測，并有很好的發(fā)展前景。電力系統(tǒng)過電 壓產(chǎn)生的根本原因就是系統(tǒng)中電磁能量的 轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化。 電力系統(tǒng)供電的可靠性是由一定時(shí)間內(nèi)中斷用戶供電的次數(shù)和每次中斷供電的持續(xù)時(shí)間來衡量的。 電力系統(tǒng)的過電壓是造成電力設(shè)備絕緣 擊穿的直接原因。但 是很多時(shí)候，電力設(shè)備并不是時(shí)刻處于正常工作電壓的作用下，經(jīng)常遇到過電壓的侵襲。當(dāng)過電壓較大時(shí)，電力設(shè)備的絕緣會直接被擊穿，從而引發(fā)各種事故。因此過電壓的在線檢測就顯得尤其重要，通過過電壓的在線檢測，我們可以知道系統(tǒng)什么時(shí)候發(fā)生了什么類型的過電壓，以及過電壓的 幅值，波形等等，這有利于 我們采取各種措施來降低過電壓的危害，防止電力設(shè)備的絕緣遭到破壞， 從 而 提高電力系統(tǒng)的供電可靠性。 國內(nèi)外 現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 國外過電壓在線監(jiān)測系統(tǒng)一般采用分散式結(jié)構(gòu) [1]，即前置智能化過電壓在線采 2 集器。使用 DSP芯片完成數(shù)據(jù)的采集和計(jì)算，數(shù)據(jù)采集模塊通過個(gè)高速的總線，如 PC、VME等，與中央處理器連接，采樣頻率和分辨率高，存儲容量大，使用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)記錄格式以便于通信。利用后臺機(jī)的管理分析軟件，進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析與顯示。集中式過電壓在線檢測裝置一般采用分層式結(jié)構(gòu)，管理層一般采用 PC 系列工控機(jī) [3, 4]，主要完成數(shù)據(jù)的存儲、分析、處理、顯示，以及數(shù)據(jù)采集層的定時(shí)互檢和對時(shí)等；數(shù)據(jù)采集層大多采用單片機(jī)作為智能化部件，常用的方式是采用 MSC196 和 MSC51 系列單片機(jī)組成雙 CPU 結(jié)構(gòu)，一片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和 A/D 轉(zhuǎn)換，另一片負(fù)責(zé)計(jì)算和判斷是否要啟動數(shù)據(jù)存儲，也有的從機(jī)模板采用 1 塊工控板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和啟動判斷，管理層與數(shù)據(jù)采集層之間采用 PCI 或 ISA 總線相聯(lián) [4]。 目前國內(nèi)外故障錄波裝置的信號大都是從電容分壓器或者電壓互感器中獲得的。 電容分壓器雖然結(jié)構(gòu)簡單，測量精度較高，暫態(tài)響應(yīng)及負(fù)載特性好，但在測量過程中會與系統(tǒng)中的其他感性元件一起產(chǎn)生振蕩，且分壓器并聯(lián)于電壓等級較高的系統(tǒng)時(shí)，必須考慮其長期運(yùn)行的可能性 、發(fā)熱、阻抗匹配、交流沖擊、安全等一系列問題。但是 電壓互感器大部分采用鐵磁材料作為鐵心 , 主要用于獲取低 頻 信號 , 較難捕捉到高頻過電壓。 3 為了解決上述兩種傳感器所存在的問題，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，取得了一系列的成果。 非 接觸式電壓傳 感 器的特點(diǎn) 在較高等級電網(wǎng)中 ， 非接觸式電壓傳感器比高壓分壓器更安全。 非接觸式電壓傳感器無鐵磁部分 ， 避免了由于鐵心 的非線性引起的鐵磁諧振過電壓。 設(shè)備簡單 ， 成本低廉 ， 便于推廣 [6] 。通過相關(guān)論文的閱讀，獲悉當(dāng)前在過電壓檢測方面，我們已經(jīng)研究到什么程度。 查看相關(guān)論文，了解非接觸式傳感器的原理， 以及非接觸式傳感器的性能特點(diǎn)。通過仿真進(jìn)一步認(rèn)識這種傳感器的特性，并且驗(yàn)證平行多導(dǎo)線耦合 原理的非接觸式傳感器的可行性。用 MATLAB 編寫程序來實(shí)現(xiàn)計(jì)算。 4 設(shè)計(jì)基于平行多導(dǎo)線耦合原理的非接觸式傳感器的實(shí)驗(yàn)方案，考慮各種對實(shí)驗(yàn)的影響因素來優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案，降低實(shí)驗(yàn)誤差。 總結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，進(jìn)一步提出可以改進(jìn)的地方。根據(jù)系統(tǒng)中產(chǎn)生過電壓的能量的來源分類，我們可以將過電壓分為雷電過電壓和內(nèi)過電壓。內(nèi)過電壓的能量來源于電力系統(tǒng)中的電源 [7]。 雷擊線路附近地面或線路桿塔時(shí)由于電磁感應(yīng)在導(dǎo)線上引起的過電壓，稱為感應(yīng)雷過電壓。 直擊雷過電壓分為雷擊輸電線桿塔、雷擊檔距中央、 雷繞擊于輸電線。耐雷水平是雷擊線路時(shí)，線路絕緣不發(fā)生閃絡(luò)的最大雷電流幅值。 內(nèi)過電壓 是由電力系統(tǒng)內(nèi)部電磁能量的轉(zhuǎn)化和傳遞引起的，由于系統(tǒng)內(nèi)過電壓的能量來自于系統(tǒng)本身，因此內(nèi)過電壓的大小與系統(tǒng)的電壓等級有關(guān) 。而 對于較低 電壓 等級的系統(tǒng)，其線路和設(shè)備的絕緣水平一般由雷電過 電壓的大小確定。 電力系 統(tǒng)中由于電感和電容的參數(shù)的配合不當(dāng)， 會產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間較長的各種形式的諧振現(xiàn)象或電壓升高，稱為暫時(shí)過電壓 [8]。 系統(tǒng)中的暫時(shí)過電壓又分為工頻過電壓和諧振過電壓。諧振過電壓的形式有線性諧振過電壓，鐵磁諧振過電 壓和參數(shù)諧振過電壓。 綜上所述 ，各種類型過電壓的分類可以用下圖來表示 ： 6 ???? 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?1I?2CI? 圖 輸電線路等值電路圖 2CI? 2LCjX I ?2CrI?2U?1U? 圖 電壓的向量圖 由上可知，在線路空載的 情況下，在輸電線路首端電壓的作用下，可列出如下電路方程為 ： 221 2 2 LjXccrL r I IU U U U U ??? ? ? ? ?? ? ? ? ?? （ ） 以 2U? 為參考方向，可 得到 圖 所示的向量圖 ，由向量圖可以清楚的看到，由于電容電流的存在，線路末端的電壓 2U? 反而比首端的電壓 1U? 大 。 不對稱接 地引起的工 頻電壓升高 不對稱 接地是輸電線路中最常見的故障形式。因此，單相接地工頻電壓升高是確 10 定避雷器滅弧電壓的依據(jù) [8]。高壓和超高壓系統(tǒng)采取中性點(diǎn)直接接地方式時(shí)，由于考慮繼電保護(hù)、系統(tǒng)穩(wěn)定等方面的要求，一般 01/3XX? ， 其故障相電壓升高不大于 倍線電壓。中性點(diǎn)絕緣時(shí) 單相接地時(shí)非故障點(diǎn)的工頻電壓升高約為 倍線電壓。 甩負(fù)荷引起的工頻過電壓 當(dāng)線路重負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于某種原因 ，如系統(tǒng)發(fā)生接地短路故障，斷路器將跳閘甩掉負(fù)荷。甩負(fù)荷后，根據(jù)磁鏈不變原理，電源暫態(tài)電勢將維持原來的數(shù)值，加上甩負(fù)荷后形成的電容效應(yīng)以及發(fā)電機(jī)超速造成電勢和頻率上升，將產(chǎn)生較高的工頻過電壓。在這種周期 性或準(zhǔn)周期性的運(yùn)行狀態(tài)中，發(fā)生諧振的諧波幅值會急劇上升。在正常運(yùn)行時(shí)，這些元件參數(shù)不會形成諧振，但在系統(tǒng)進(jìn)行操作或發(fā)生故障時(shí)，這些電感和電容元件，可能形成各種不同的振蕩回路，在電源作用下，產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，引起諧振過電壓。某些情況下，諧振發(fā)生一段時(shí)候后會自動消失，不能自保持。 電力系統(tǒng)中的電容一般為線性參數(shù)，而電感則可以是線性、非線性或周期性變 動的參數(shù)，它們與電容參數(shù)配合就構(gòu)成了三種不同性質(zhì)的諧振 [7]： 線性諧振：這種回路中的電感與電容、電阻一樣，都是線性參數(shù)。發(fā)生線性諧振的條件是等值回路的自振頻率等于或接近電源頻率。 當(dāng)電感元件帶有鐵芯時(shí)，一般都會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，這時(shí)電感不再是常數(shù)，而是隨著電流或磁通的變化而改變，在滿足一定條件時(shí)，就會產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。由于諧振回路中的鐵芯電感會因磁飽和程度不同而相應(yīng)有不同的電感量，于是鐵磁諧振回路的自振角頻率也不是固定的。 參數(shù)諧振：系統(tǒng)中某些元件的電感參數(shù)在某種情況下會發(fā)生周期性的變化， 例如發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，其電感的大小隨著轉(zhuǎn)子位置的不同而周期性的變化。諧振過電壓不僅會在操作或發(fā)生故障的過程中產(chǎn)生，而且可能在過渡過程結(jié)束后的較長時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在，直到發(fā)生新的操作，諧振條件受到破壞為止。對諧振過電壓的根本防護(hù)措施是設(shè)法改變電路參數(shù)，以避開諧振 [7]。操作過電壓是指電力系統(tǒng)中由于操作 從一種穩(wěn)定工作狀態(tài)通過振蕩轉(zhuǎn)變到另一種工作狀態(tài)的過渡過程中所產(chǎn)生的過電壓。 12 操作過電壓的能量來源 于 電力系統(tǒng)本身，所以操作過電壓的數(shù)值與電力系統(tǒng)中的額定電壓 有關(guān)。在超高壓、特高壓電網(wǎng)中，操作過電壓對電氣設(shè)備的絕緣選擇起著決定性的作用。 間歇電弧接地過電壓 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，電力系統(tǒng)的故障至少有 60％是單相接地故障。 但是，在中性點(diǎn)不接地電網(wǎng)中， 系統(tǒng)單相接地時(shí)流過故障點(diǎn)的電流是不大的對地電容電流 ，這 時(shí)系統(tǒng)三相電源電壓仍然維持對稱，不影響對用戶的繼續(xù)供電，因此不要求立即切除故障線路，允許繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間（一般 ～ 2h） 。隨著電網(wǎng)的發(fā)展和電纜出線的增多，單相接地電容電流也隨之增加，當(dāng) 6～ 10kv 線路電容電流超過 30A， 20～ 60kv 線路電容電流超過 10A 時(shí)，接地電弧將難以自動熄滅。這種 故障點(diǎn)電弧重燃和熄滅的間歇性現(xiàn)象，引起電力系統(tǒng)狀態(tài)瞬間改變，導(dǎo)致電網(wǎng)中的電感、電容回路中的電磁振蕩，因而產(chǎn)生遍及全電網(wǎng)的電弧接地