特高压串补装置开关操作引起的电磁瞬态过程研究

摘要

1000kV晋东南（长治）-南阳-荆门特高压交流试验示范工程是我国目前自主设计的世界上运行电压最高、技术水平最先进、拥有自主知识产权的交流输电工程。为了提高该试验示范工程的输电能力、改善交流电网动态性能、增加系统稳定极限，国家电网公司所属科研单位成功研制了我国第一套、也是世界上第一套1000kV特高压固定串联补偿装置（简称为特高压串补装置），并已经正式投入商业运行。
　　然而，1000kV特高压串补装置进行开关操作时，不仅会在高电位平台上产生一次系统过电压和二次系统电磁骚扰，还会在邻近的1000kV特高压电容式分压器上产生瞬态电压和入地电流。在我国大力发展特高压事业、建设坚强电网架构的背景之下，面对世界首套1000kV特高压串补装置设计、研发和首批串补装置的试验、运行中出现的开关操作过电压和电磁兼容等技术难题，本文重点开展了以下研究工作:
　　第一，克服了高电位、强电磁环境下瞬态电压和电磁骚扰测量的一系列技术困难，提出了特高压串补装置高电位平台上瞬态电压和电磁骚扰的测量方法，并研发了瞬态电磁测量系统，开展了包括屏蔽效能、耐压、精度、电磁兼容抗扰度等一系列性能测试，验证了该测量系统可以适应于特高压串补装置高电位平台上的强电磁环境，具有光纤通信、独立电源供电、浮地测量、远程监控、负载效应小等特点。
　　第二，利用研发的瞬态电磁测量系统，在1000kV特高压串补装置真型试验平台上，开展了隔离开关操作试验研究，通过对大量的测量数据进行统计分析，揭示了隔离开关操作在1000kV特高压串补装置真型试验平台上产生的一次系统瞬态电压和二次系统电磁骚扰瞬态特性;还开展了真型试验平台上二次系统的接地方式试验研究，并提出了二次系统屏蔽电缆屏蔽层、穿心式电流互感器外壳和控制箱体的接地方式。部分研究成果已经应用于我国首个1000kV特高压串补装置的过电压抑制和电磁兼容设计。
　　第三，利用研发的瞬态电磁测量系统，开展了1000kV特高压串补装置真型试验平台隔离开关操作对邻近1000kV特高压电容式分压器影响的试验研究，通过对大量的测量数据进行统计分析，揭示了电容式分压器中压电压和入地电流的瞬态特性，提出了1000kV特高压电容式分压器能够安全运行的过电压和入地电流的限值要求;同时，开展了电容式分压器过电压和入地电流的抑制措施试验研究，研究结果表明，在电容式分压器高压端串联保护电感或保护电阻可以有效抑制其过电压和入地电流，为解决1000kV特高压变电站中串补装置与邻近电容式分压器的兼容运行问题提供了技术依据。
　　第四，提出了含部分电感的弱耦合T型部分元等效电路，编写了基于部分元等效电路法的MSCM（矩阵稀疏及电路建模）程序，通过对电路参数矩阵进行稀疏化处理，并生成与SPICE兼容的等效电路模型，实现了适合大规模多导体系统的电路参数提取和等效电路建模。算例说明，稀疏化的部分磁阻和部分电感矩阵的稀疏度都要绝对高于完整的部分磁阻和部分电感矩阵的稀疏度，且该方法在几乎不散失仿真准确度的情况下，提高了大规模多导体系统等效电路建模与仿真的效率。基于该方法和MSCM程序，建立了1000kV特高压串补装置本体的宽频等效电路模型，通过实验室模型和1000kV特高压串补真型试验平台的试验，验证了本文方法和程序的正确性和有效性，进而对1000kV特高压串补装置的旁路间隙击穿和隔离开关操作产生的电磁瞬态过程进行了仿真计算，并对采用非线性电阻并联脉冲电容器抑制平台过电压方案的有效性进行了评估。
　　第五，通过频域测量手段，采用两种不同的阻抗测量方法获得了1000kV特高压电容式分压器的宽频阻抗特性，并通过测量结果和仿真结果比较验证了宽频阻抗特性的有效性。基于特高压电容式分压器的宽频阻抗特性测量数据，利用编写的CMFI（频变阻抗电路建模）程序，建立了具有物理意义的1000kV特高压电容式分压器的宽频等效电路模型，通过定义电容式分压器的网络函数及对其进行灵敏度分析，提出了改进1000kV特高压电容式分压器工艺的若干建议，为优化设计提供了参考依据。结合1000kV特高压串补装置本体的宽频等效电路模型和1000kV特高压变电站一次系统的等效电路模型，研究了1000kV特高压串补装置隔离开关操作时在邻近1000kV特高压电容式分压器上产生的过电压和入地电流，分析评价了采取保护电阻或保护电感的抑制效果，为最终实现1000kV特高压变电站中串补装置与邻近1000kV电容式分压器的兼容运行提供了理论依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究思路及论文结构

1．4 主要贡献

第2章 1000kV特高压串补装置真型试验平台的开关操作试验与统计分析

2．1 瞬态电磁测量系统的组成

2．2 瞬态电磁测量系统的性能测试

2．2．1 屏蔽效能

2．2．2 电磁兼容抗扰度和耐压性能

2．2．3 测量结果的有效性

2．3 串补装置试验平台开关操作试验与一次系统瞬态电压统计分析

2．3．1 试验回路

2．3．2 瞬态电压典型波形

2．3．3 瞬态电压统计特性

2．4 串补装置试验平台开关操作试验与二次系统电磁骚扰统计分析及接地方式的影响

2．5 串补装置试验平台开关操作试验及邻近电容式分压器的瞬态电压和电流统计分析

2．5．1 试验回路

2．5．2 电容式分压器的瞬态电压和电流统计特性

2．6 本章小结

第3章 宽频等效电路的建模方法

3．1 宽频等效电路的建模问题

3．2 部分磁阻的定义及特性

3．2．1 部分磁阻的定义

3．2．2 部分磁阻的特性

3．3 含部分磁阻的T型部分元等效电路

3．4 含部分电感的弱耦合T型部分元等效电路

3．5 大尺寸电气设备的宽频等效电路

3．6 算例

3．7 本章小结

第4章 1000kV特高压串补装置本体的电磁瞬态过程仿真分析

4．1 一次系统建模

4．2 二次系统建模

4．3 一次系统过电压的仿真分析

4．4 二次系统电磁骚扰的仿真分析

4．5 建模方法与仿真结果的有效性

4．6 一次系统过电压的抑制方法及其应用

4．7 本章小结

第5章 1000kV特高压串补装置及邻近电容式分压器的电磁瞬态过程仿真分析

5．1 1000kV特高压电容式分压器的宽频等效电路

5．1．1 宽频阻抗的测量

5．1．2 宽频等效电路模型

5．2 1000kV特高压电容式分压器参数的灵敏度分析

5．2．1 电容式分压器的性能指标

5．2．2 电容式分压器参数的灵敏度分析

5．2．3 提高电容式分压器瞬态性能的方法

5．3 1000kV特高压电容式分压器的电磁瞬态过程的仿真分析

5．4 1000kV特高压电容式分压器瞬态电流的抑制方法

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其他成果

攻读博士学位期间参加的科研工作

致谢

个人简介