发布时间 : 星期四 文章电力系统电磁暂态概述更新完毕开始阅读
电磁暂态产生的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，并研究相应的限制和保护措施。此外，对于研究电力系统新型快速保护装置的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；检查电气设备的动作责能，如断路器的暂态恢复电压和零点偏移；检查继电保护和安全自动装置的响应等，也离不开电磁暂态过程的计算和模拟。
电磁暂态过程变化很快，一般需要分析和计算持续时间在ms级，甚至是μs级以内的电压、电流瞬时值变化情况，因此，在分析中需要考虑元件的电磁耦合，计及输电线路分布参数所引起的波过程，有时甚至要考虑三相结构的不对称、线路参数的频率特性以及电晕等因素的影响。 1.3电力系统电磁暂态研究的方法
为了保证电力系统运行的可靠性、安全性和经济性，在电力系统设计、运行、分析和研究中必须全面地了解实际系统的电磁暂态特性。目前，研究电力系统电磁暂态过程的手段有3种：
（1）系统的现场实测方法。
（2）应用暂态网络分析仪（Transient Network Analyzer，简称TNA）的物理模拟方法。
（3）计算机的数字仿真（或称数值计算）方法。
系统的现场实测方法是在实际的电力系统上直接进行试验和研究，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的考验是真实和严格的，以确保电力系统运行的可靠性、安全性和经济性，但是系统的现场实测方法会对电力系统的正常运行和电气设备带来很大危害，短路点的电弧有可能烧坏电气设备，很大的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；很大的短路电流引起的电动力有可能使设备变形或遭到不同程度的破坏；操作试验过程中产生的过电压可能引起电气设备载流部分的绝缘损坏，加剧绝缘材料的老化。即便如此，实测对于研究电力系统电磁暂态过程仍是非常重要的，它一方面验证TNA及数字仿真的准确性，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的参数特性，为TNA及数字
5
仿真提供更精确的原始数据。
系统的现场实测常常会遇到困难，有些困难甚至是不可能解决的，利用模型系统进行试验和分析就成为一种非常有效的途径。暂态网络分析仪就是一种用于研究电力系统动态特性的物理模型系统。TNA方法多用于模拟操作过电压和交流过电压的暂态现象，同时通过改变元件特性，TNA也可用来模拟更高频率下的暂态现象。它是在相似理论的指导下，把实际电力系统的各个部分，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、体积庞大的电力系统，按照一定的比例转化为一个低电压、小电流、体积较小的模拟试验台，在模拟台中出现的电磁暂态现象，电压和电流的波形与它模拟的电力系统是一样的，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的试验和分析。与系统的现场实测相比，TNA方法对电力系统的正常运行和电气设备不产生影响，为了缩小模拟装置的尺寸，节省电感元件和电容元件，减少模拟设备的昂贵费用，并考虑到现有的技术条件、模拟精度要求等，选择恰当的比例尺是非常重要的。TNA具有物理意义清晰，易于理解和使用的优点，可以多次重复试验现象，便于观察和研究，北美不少大的电力公司都将TNA作为培训新员工的一种工具。
随着现代电力系统的发展，电力系统的规模和复杂程度发生很大变化，采取物理模型的动态模拟方法受到很大限制。与此同时，数字计算机和数值计算技术飞速发展，数字计算机的性能价格比不断提高，出现了用数学模型代替物理模型的新型模型系统。电力系统数字仿真（Digital Simulation of Power System）就是将电力系统的电源、网络和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和分析的过程。电力系统数字仿真的主要步骤为建立各元件数学模型、建立数字仿真模型和进行仿真试验。建立数学模型是处理物理原型与数学模型之间的关系，建立数字仿真模型是处理数学模型与计算之间的关系。有些数学模型是利用数字计算机和模拟计算机的混合数学模型系统。电力系统数字仿真是一门新兴的技术科学，它的产生和发展是同现代科学技术发展分不开的，数字仿真与实际系统试验和动态物理模拟相比，不仅节省了大量的人力、物力和财力，而且不受外部条件的限制，几乎不受系统规模和时间跨度的约束，甚至不受各种暂态现象频率范围的限制（理论上它可以对各类暂态过程进行计算，但是，它需要相
6
关设备真实的频率特性，有时候，这种频率特性是很难得到的）。具有无可比拟的灵活性，能达到试验不可达到的广度和深度。譬如我国南北联网这样的课题，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的问题，但通过数字仿真发现南北联网可能会出现低频震荡问题。今天实际系统的现场实测方法主要是为了建立数学模型，取得数学模型的参数。 1.4电力系统电磁暂态的特点 1.4.1频率范围广
电力系统中暂态现象的研究所涉及的频率范围广，从直流到大约50MHz的范围。高于系统频率的暂态现象通常涉及到电磁暂态，而低于系统频率的暂态现象主要涉及到机电暂态过程。表1-1给出了多种暂态现象的起因以及它们通常的频率范围。
表1-1电力系统暂态的起因及频率范围
起因 投入变压器时的铁磁谐振 甩负荷 故障清除 故障发生 线路充电 线路重合闸 断路器端部故障（BTF） 短路故障 断路器多次重燃 雷击 GIS故障和隔离开关操作 频率范围 （DC）0.1Hz ~ 1kHz 0.1Hz ~ 3 kHz 50/60 Hz ~ 3 kHz 50/60 Hz ~ 20 kHz 50/60 Hz ~ 20 kHz （DC）50/60 Hz ~ 20 kHz 50/60 Hz ~ 20 kHz 50/60 Hz ~ 100 kHz 10 kHz ~ 1 MHz 10 kHz ~ 3 MHz 100 kHz ~ 50 MHz 网络中每个元件的模拟都要与所研究的特定暂态现象的频率范围相符合。当所研究现象的频率大于1 MHz时，如GIS中由于隔离开关操作所引起的快速暂态现象，则不仅在母线上产生波的传播，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的弯管处，它们非常小的电容和电感对模拟结果都将产生非常重要的影响。
7
表1-1中所列电磁暂态现象的频率范围可以分成4组，对应于各暂态现象的频率范围之间存在着重叠，图1-3是国际大电网会议（CIGRE）对各种过电压的频率分类；各类的频率范围是与其所表示的过电压波形的实际陡度相关的。研究者必须清楚自己的研究对象所在的频率范围，确定被模拟设备的频率特性，只有这样，才能得到满意的电磁暂态分析计算结果。
Ⅲ快波前过电压Ⅱ缓波前过电压50/60Hz-20kHzⅠ暂时过电压0.1Hz-3kHz10kHz-3MHzⅣ特快波前过电压100kHz-50MHz0.11101001k10k100k1M10M100M频率(Hz)图1-3各种过电压的频率范围
通常，频率越高，所考虑的现象(如过电压)在时间上空间上的衰减越快，因此所考虑的物理范围(模拟范围)越小，模拟时间越短。相对地，在工频或与此接近的频率领域，为了掌握现象的性质，需要大范围长时间的模拟。图1-4表示电力系统数字仿真中各种计算所考虑现象的时间幅度和计算涉及的系统规模。
系统规模(发电机数)
11微秒1毫秒1秒1000潮流10010过电压1分1小时系统稳定高次谐波电压稳定SSR图1-4电力系统各种现象的变化速度和计算范围
1.4.2元件模型因计算目的而异
电力系统由各种不同的元件所组成，元件的动态特性对于系统的暂态过程有
8