中性点直接接地系统合闸空载线路操作过电压仿真分析

摘要：操作过电压是常见的电力系统内部过电压，经常发生在中性点直接接地系统中，其产生的过电压和过电流，严重影响电力系统安全运行。本文针对中性点直接接地系统合闸空载线路过程产生的操作过电压，通过建立数学模型、调整元件参数，对得到的数据图形进行仿真分析，研究操作过电压的变化规律。

关键词：操作过电压;合闸;空载线路

在电力系统的振荡回路中，当进行操作或发生故障时，电力系统从一个稳定工作状态通过振荡转变到另一种稳定工作状态时，产生的操作过电压会对系统的稳定运行造成危害，而这种过电压经常出现在中性点直接接地系统空载线路投切过程中。因此，研究操作过电压的起因和变化规律，预测其幅值并采取措施加以限制，对于电力设备制造和电力系统运行都具有重要意义[1]。

1 操作过电压的原理

操作过电压是由于进行断路器操作或发生突然短路而引起的衰减较快、持续时间较短的过电压，对频率为50 Hz的电网，一般持续时间在0.1 s（5个工频周波）以内的过电压称为操作过电压。

2 参数元件的瞬态等效模型

2.1 储能元件L，C

电力系统中储能元件L，C瞬态等效数学模型[2]：

当R= 2L/?t时对应电感，R= ?t/2C时对应电容：

式中±号取﹢时为电感元件，取-时为电容元件。

用递推公式算出等效电流源：

2.2 电阻

线性电阻在等效电路图中仍为电阻本身，而对于非线性电阻可采用分段线性化法得到电阻近似值。

3 合闸空载线路操作过电压

合闸空载线路是电力系统中常有的一种操作。在中性点直接接地系统中，由于线路的电压在合闸和重合闸前后发生突变，再次变化的过渡过程会引起空载线路合闸过电压。这种过电压是超高压系统中的最常见的操作过电压[3]。

影响线路合闸过电压的因素主要有如下4个方面。

（1）空载线路的长度、电源容量。

（2）合闸时电源电压的相位角θ_0。

（3）线路残余电压U_0的极性和大小。

（4）母线上接有的其他线路。

以下主要研究分析线路的长度、相位角θ_0变化对合闸过电压的影响。

4 仿真元件的参数选择

4.1 电 源

电源e=E_m  sin?ωt为电源，ω为电压角频率，t为时间，E_m为电压幅值，E_m=√2 E，E为电压有效值，E= 110/√3，其内阻为 ，电感为 H。

4.2 线路参数

线路正负序电感为 ，零序电感为 ;正负序电容为 ，零序电容为 ;正负序电阻为 ，零序电阻为 ，线路长度为 。

5 合闸空载线路的仿真分析

5.1 初相角对空载合闸过电压的影响

在其它参数不变的条件下，对不同初相角下的空载合闸进行仿真分析：

从图1、2中可以看出，0-100Hz时，A、B、C三相幅值基本相同;100-400Hz时，A相幅值较高，B、C相幅值相同;>400Hz时，A、B、C三相幅值趋近于0。

由表1可以看出，当电源的相位角不同时，三相空载合闸过电压的情况不同，从仿真结果可以得出以下结论：

（1）在其它条件不变的的情况下，对于不同电源相位角，产生的三相空载合闸过电压的谐波是不同的。

（2）随着电源初相角的增大，三相电压幅值的最大值和达到最大值的时间发生了变化，其谐波的幅值随着电源相位角的增大而减小。

（3）基波的幅值随着相位角的增大基本没有发生太大变化，高次谐波的幅值随相位角的增大而减小，当频率达到一定限度时（>400Hz），高次谐波的幅值逐渐趋于0，三相过电压的高次谐波的幅值随着相位角的增大逐渐相同。

5.2 线路长度对空载合闸过电压的影响

在其它参数不变的条件下，对不同线路长度下的空载合闸进行仿真分析

从图3、4中可以看出，0-100Hz时，A、B、C三相幅值基本相同;100-400Hz时，A相

幅值较高，B、C相幅值相同;>400Hz时，A、B、C三相幅值趋近于0。

由表2可以发现，当线路长度不同时，三相空载合闸过电压的情况不同，从仿真结果可以得出以下结论：

（1）在其它条件不变的的情况下，对于不同线路长度，产生的的三相空载合闸过电压谐波是不同的，线路长度越长，产生高幅值谐波的频率越低。

（2）随着线路长度的增大，各项幅值到达最大值的时间其和最大值的大小发生了变化。线路长度越长，各相过电压到达稳定状态的时间就越短。

（3）基波的幅值随着线路长度的增大基本没有发生太大变化，中间一些谐波的幅值随着线路长度的增大而增大，高次谐波的幅值随线路长度的增大反而减小，当频率达到一定限度时（>400Hz），高次谐波的幅值逐渐趋于0。

6 结 论

从上面的仿真结果可以看出，空载线路合闸过电压集中发生在0-400Hz之间，对于既定长度的线路，合闸时电源电压的相位角在很大程度上决定了初次谐波电压的幅值。在电源电压幅值附近（θ=0^°）合闸时，过电压最大。

参考文献：

[1] 陈维贤.电网过电压教程[M]. 北京：中国电力出版社，1996.

[2] 李富寿.电力系统过电压计算[M]. 北京：水利水电出版社，1988.

[3] 施围等.高电压工程基础[M].北京：机械工业出版社，2006.

[4] 朱子述.电力系统过电压[M].上海：上海交通大学出版社，2002.

作者简历：李建龙（1985-），男，陜西宝鸡人，本科，工程师，从事发电厂电气设备检修管理工作。