防雷設計作業(yè)

研究生課程考核試卷（適用于課程論文、提交報告）科 目： 變電站直擊雷防雷設計 教 師： 楊慶 姓 名： 第二組 學號： 專 業(yè)：電氣工程與自動化 類別：（學術(shù)、專業(yè)） 上課時間： 2015 年 5 月至2015 年 6 月 考 生 成 績：卷面成績平時成績課程綜合成績閱卷評語： 閱卷教師 (簽名) 重慶大學研究生院制目錄題目：1課程作業(yè)221 ATP仿真21.1 ATP仿真簡介21.2 ATP仿真過程31.3仿真結(jié)果分析42 貝杰隆編程法解題82.1貝杰隆法原理82.1.1貝杰隆法概述82.1.2各元件等值計算電路82.1.3本題貝杰隆等效電阻102.2貝杰隆法程序仿真結(jié)果132.2.1仿真參數(shù)設置142.2.2貝杰隆法仿真結(jié)果與ATP仿真結(jié)果對比143 作業(yè)總結(jié)16附件1：貝杰隆法程序：17變電站直擊雷防護設計課程作業(yè) 第二組題目：右圖為某變電站220kV系統(tǒng)簡化接線圖.右圖為某變電站220kV系統(tǒng)簡化接線圖.設雷電源為-20kA。求：主變、進線入口、母線中間和變壓器側(cè)斷路器上的過電壓？（貝杰隆法編程、ATP）組號：第二組組員：張智劉鑫王伍靜林翔萬佳侖周洪宇韋冬洪課程作業(yè)2下圖為某變電站220kV系統(tǒng)簡化接線圖。設雷電源為-20kA。圖1.1 變電站220kV系統(tǒng)簡化接線圖以及各設備入口電容求：主變、進線入口、母線中間和變壓器側(cè)斷路器上的過電壓？（貝杰隆法編程、ATP）同時采用ATP研究避雷器安裝在哪個節(jié)點能夠有效保護變電站內(nèi)的設備。1 ATP仿真1.1 ATP仿真簡介EMTP是用于電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析的仿真軟件。EMTP是Electro-Magnetic Transient Program（電磁暫態(tài)程序）的首字母縮寫。為了對高壓直流輸電系統(tǒng)仿真，程序中增加了模擬二極管和晶閘管等開關(guān)器件的能力，像SPICE程序一樣，現(xiàn)在有幾種EMTP版本以用于個人計算機，如Micro Tran、ATP等。所有版本的程序都具有BPA（美國邦納維爾電力局，Bonneville Power Administration）的EMTP原版的大部分功能。EMTP是一個不斷發(fā)展的軟件，擁有其不斷發(fā)展的大量資源，因此成為美國電力系統(tǒng)和電子電力仿真方面的工作標準。其中ATP-EMTP (Alternative Transients Program) 是較為廣泛使用的一個版本。目前，EMTP 程序能夠?qū)崿F(xiàn)的主要功能有：計算網(wǎng)絡的穩(wěn)態(tài)解,也可把此穩(wěn)態(tài)解再作為暫態(tài)計算的初始條件。計算網(wǎng)絡中交直流電源頻率從f min到f max以步長f 變化時各個頻率下的穩(wěn)態(tài)解，以求得網(wǎng)絡頻率特性。所計算的網(wǎng)絡暫態(tài)過程包括：各種電氣設備和外來因素引起的暫態(tài)過程；由各種故障引起的故障暫態(tài)及由系統(tǒng)各種元件參數(shù)的相互影響引起的諧振現(xiàn)象；控制系統(tǒng)和一次系統(tǒng)相互影響的暫態(tài)過程。此外，還可根據(jù)需要將計算中得到的各個暫態(tài)量在某一時間段進行傅里葉級數(shù)分解,得到各次諧波分量?；谝陨瞎δ埽壳癆TP主要應用于以下仿真：電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)計算：電力系統(tǒng)暫態(tài)過電壓分析，暫態(tài)保護裝置的綜合選擇，高壓并聯(lián)電抗器的選擇，氧化鋅避雷器選擇等；電力系統(tǒng)的諧振過電壓計算：計算由于磁飽和元件造成的鐵磁諧振問題；機電暫態(tài)計算：汽輪發(fā)電機的軸系扭振問題。發(fā)電機組的次同步振蕩問題。本次變電站防雷設計主要利用變電站侵入波影響的研究，以及對于利用Matlab編譯貝杰龍算法的一個驗證。1.2 ATP仿真過程首先根據(jù)220kV變電站設備布局以及接線在ATP畫出基本原理圖如下：圖1.2 ATP仿真接線圖各個器件的具體參數(shù)設定如下：雷電源：電流源為標準雷電流：1.2/50s，幅值為-20kA，雷電通道波阻抗為400，在圖中表示為并聯(lián)于電流源的400電阻；（電源用Heidler型電源）圖1.3 雷電流、線路參數(shù)設定線路參數(shù)設定：根據(jù)常見的220kV變電站布局，除直接連接與母線上面的設備外，其他各個設備之間的距離為3米，母線上各個節(jié)點的距離為10m，線路采用分布參數(shù)，用波阻抗來等效模擬，波阻抗同樣設為400，傳播速度為光速；隔離開關(guān)DS、電流互感器CT、斷路器DL、電壓互感器PT、主變T1按照題目所給的參數(shù)設定。避雷器：本題采用單相線性避雷器，分別加在如圖所示入口處、母線處、斷路器處以及主變處測量電壓的節(jié)點上，探究避雷器的安裝位置對于降低雷電流侵入波幅值的影響。避雷器的伏安特性曲線設置如下： 圖1.4 避雷器參數(shù)設定仿真時間設定：仿真時間設為1ms，由于侵入波在最短路路徑上3m的傳播時間為10ns，所以仿真步長設定需要比改時間短，為2ns。1.3仿真結(jié)果分析當不采用避雷器的時候，入口處、母線處、斷路器處以及主變處過電壓波形如下圖所示，由于傳播速度為光速，而傳播距離較短，因此各處的波形只有微小的時間差，但是他們的幅值都達到了6.5MV，而220kV的變壓器耐雷電流侵入波幅值為1MV左右，此時對于變電站無異于會造成嚴重的破壞，損壞變壓器等主要設備。因此，加入避雷器是非常有必要的。圖1.5 未加避雷器測量節(jié)點的過電壓波形（進線入口過電壓v:1；母線過電壓v:Mu；變壓器側(cè)斷路器過電壓v:DL;主變過電壓v:T1）當避雷器加在入口處時，入口處、母線處、斷路器處以及主變處各個過電壓波形分別如下圖所示：（a）入口處過電壓波形 （b）母線處過電壓波形（c）斷路器處過電壓波形 （d）主變處過電波形圖1.6 入口處加裝避雷器后各個測量節(jié)點過電壓波形此時，入口處過電壓降低為-530kV，母線處、斷路器處以及主變處過電壓的過電壓波形會產(chǎn)生幅值較大，持續(xù)時間較長的振蕩，振蕩幅值分別達到了825kV，825kV以及920kV，持續(xù)時間為130ns，然后衰減為-530kV左右。當避雷器加在母線處時，入口處、母線處、斷路器處以及主變處各個過電壓波形分別如下圖所示：（a）入口處過電壓波形 （b）母線處過電壓波形（c）斷路器處過電壓波形 （d）主變處過電波形圖1.7 母線處加裝避雷器后各個測量節(jié)點過電壓波形 此時，母線處過電壓降低為-530kV，入口、斷路器處以及主變處過電壓的過電壓波形會產(chǎn)生較小的振蕩，振蕩幅值分別達到了750kV，690kV以及875kV，但是很快衰減為-530kV左右，持續(xù)時間為25ns左右。當避雷器加在斷路器處時，入口處、母線處、斷路器處以及主變處各個過電壓波形分別如下圖所示：（a）入口處過電壓波形 （b）母線處過電壓波形 （c）斷路器處過電壓波形 （d）主變處過電波形圖1.8 斷路器處加裝避雷器后各個測量節(jié)點過電壓波形此時，斷路器處過電壓降低為-530kV，入口處、母線處以及主變處過電壓的過電壓波形會產(chǎn)生較小的振蕩，振蕩幅值分別達到了690kV，690kV以及710kV，但是很快衰減為-530kV左右，持續(xù)時間為25ns左右。當避雷器加在主變處時，入口處、母線處、斷路器處以及主變處各個過電壓波形分別如下圖所示：（a）入口處過電壓波形 （b）母線處過電壓（c）斷路器處過電壓波形 （d）主變處過電波形圖1.9 主變處加裝避雷器后各個測量節(jié)點過電壓波形此時，主變處過電壓降低為-530kV，入口、斷路器處以及主變處過電壓的過電壓波形會產(chǎn)生幅值較大，持續(xù)時間較短的振蕩，振蕩幅值分別達到了825kV，860kV以及875kV，但是很快衰減為-530kV左右，持續(xù)時間為25ns左右。因此，從上述結(jié)果我們可以得出以下結(jié)論：安裝了避雷器后，不管避雷器安裝在什么位置，各個主要節(jié)點上面的過電壓均能降低10倍左右；避雷器安裝位置在不同位置，對不同設備的保護程度不同，離某一設備電氣距離短，則產(chǎn)生的過電壓幅值越低，振蕩越短，保護效果越明顯；通過對前面的波形分析比較，避雷器安裝在斷路器處除了能使該點處過電壓有效降低外，還可以使入口處、母線處以及主變處過電壓的過電壓波形會產(chǎn)生幅值最小、持續(xù)時間最短的振蕩。因此，將避雷器安裝在斷路器處由最好的效果。2 貝杰隆編程法解題2.1貝杰隆法原理2.1.1貝杰隆法概述貝杰隆法是把求解分布參數(shù)線路波過程的特性線法和求解集中參數(shù)電路暫態(tài)過程的梯形法二者結(jié)合起來，形成的一種數(shù)值計算方法。它需要首先把分布參數(shù)線路和集中參數(shù)儲能元件（L、C）等值成為集中參數(shù)的電阻性網(wǎng)絡，然后應用求解電阻網(wǎng)絡的通用方法，計算實際電路的波過程。其有如下兩個特點：整個分布參數(shù)線路的等值計算電路中只包括集中參數(shù)電阻和等值電流源，屬于集中參數(shù)電路。其中阻值等于線路波阻抗或由本身參數(shù)和延遲時間決定，等值電流源由線路兩端點上的電壓和電流在過去的歷史記錄中計算得出。在單根無損線路等效模型中，計算電路中線路兩側(cè)節(jié)點 k 和m是獨立分開的，拓撲上沒有直接聯(lián)系給求解帶來方便。其中k與m兩端點間相互的電磁聯(lián)系是通過反映歷史記錄的等值電流源來實現(xiàn)的2.1.2各元件等值計算電路單根均勻無損線的貝杰隆等值計算電路設單根均勻無損線，長度為l，傳播時間=l/v，波阻抗為Z，始端k及末端m電壓、電流分別uk(t)、um(t)、ik(t)和im(t)。計算式為無損線如圖2.1所示 (a) (b)圖2.1 單根均勻無損線等值計算電路電感的貝杰隆等值計算電路如圖2.2（a）所示線性電感L，已知t-t時刻流經(jīng)電感的電流和節(jié)點電位為ikm(t-t)和uk(t-t)、um(t-t)，RL是電感L的等值計算電阻，t為時間步長，IL(t-t) 為電桿等值計算電流源。 (a) (b)圖2.2 電感的等值計算電路電容的等值計算電路如圖2.3（a）所示電容元件C，其等值計算電阻和等值計算電流源為： （a） (b)圖2.3 電容的等值計算電路電阻的等值計算電路電阻元件R不能儲能，其暫態(tài)過程與歷史記錄無關(guān)，其電壓電流關(guān)系如下： (a) (b)圖2.4 電阻的等值計算電路2.1.3本題貝杰隆等效電阻以原仿真圖結(jié)構(gòu)如圖2.5為基礎得到貝杰隆等效電路，以圖2.5中的1點及2點間的電路為例，其變換了貝杰隆等值計算電路如圖2.6所示。圖2.5 變電站系統(tǒng)仿真圖圖2.6 仿真圖中1點及2點間對應貝杰隆等值計算電路圖因而可獲得1點及2點構(gòu)成的等值電路節(jié)點電壓方程如式（2.7）所示。 根據(jù)變電站系統(tǒng)仿真圖，得到全等值計算網(wǎng)絡，列出節(jié)點電壓方程 可獲得網(wǎng)絡中任意節(jié)點的過電壓值，15個節(jié)點構(gòu)成的節(jié)點導納矩陣如下： 節(jié)點導納矩陣為： (2.11)其中15個節(jié)點導納值如下所示：其對應的節(jié)點電流源列向量為： (2.12)其中根據(jù)等值計算電路圖，得到節(jié)點電流源列向量值如下： (2.13)電路圖中各元件電流方程為：(2.14)2.2貝杰隆法程序仿真結(jié)果根據(jù)貝杰隆法原理，在matlab中編寫程序并進行仿真，程序基本流程圖如圖2.7所示，程序詳見附件。圖2.7 貝杰隆法程序流程圖圖2.8 雷電流雙指數(shù)波形2.2.1仿真參數(shù)設置全系統(tǒng)中雷電流雙指數(shù)侵入波設置如圖2.8所示： (2.15)k=1.0409，a=1.625104，b=2.456106，Im=-20kA即雷電流波幅值設為-20kA。波傳播時間及仿真步長設置：3米長傳輸段波傳播時間設為10ns，13米長傳播段波傳播時間設為43.3ns仿真步長設置為10/3ns各設備電容值及線路波阻抗設置：各設備入口電容值設置與題中一致，隔離開關(guān)Rds=6e-11F，電流互感器6e-10F，斷路器5e-10F，電壓互感器5e-9F，主變2e-9F。線路波阻抗設置為z=400。2.2.2貝杰隆法仿真結(jié)果與ATP仿真結(jié)果對比（a）Matlab仿真結(jié)果（b）ATP仿真結(jié)果 主變過電壓波形圖2.9 主變過電壓波形仿真結(jié)果（b）ATP仿真結(jié)果（a）Matlab仿真結(jié)果 進線入口過電壓波形圖2.10 入口過電壓波形仿真結(jié)果（a）Matlab仿真結(jié)果（b）ATP仿真結(jié)果 母線過電壓波形2.11 母線過電壓波形仿真結(jié)果 變壓器側(cè)斷路器過電壓波形（b）ATP仿真結(jié)果（a）Matlab仿真結(jié)果2.12變壓器側(cè)斷路器過電壓波形仿真結(jié)果根據(jù)仿真結(jié)果，使用兩種仿真方法獲得-的各部分設備值變化情況基本相同。使用matlab仿真結(jié)果：主變處過電壓峰為-6.77MV，入口、斷路器處以及主變處過電壓分別為-6.73MV，-6.73MV，-6.79MV。在同樣條件下，通過ATP軟件仿真的結(jié)果：主變處過電壓峰值-6.65MV，入口處以及母線過電壓、變壓器短路側(cè)斷路過電壓期間仿真結(jié)果分別為-6.56MV，-6.55MV，-6.55MV。兩種仿真方式求得的過電壓波形變化趨勢及大小基本一致，總體而言，貝杰隆法編程獲取的過電壓幅值相對較低，但兩種方式仿真結(jié)果比較下，過電壓峰值大小差距在3.5%以內(nèi)，結(jié)果有較好的一致性。3 作業(yè)總結(jié)通過ATP軟件仿真與貝杰隆編程法獲得變電站220kV系統(tǒng)受-20kA雷電流影響下主變、進線入口、母線和變壓器側(cè)斷路器上的過電壓變化情況。1、獲得各設備過電壓幅值變化波形，其中過電壓峰值幅值大小為：表3.1 各位置過電壓峰值幅值大小仿真方式位置ATP仿真貝杰隆法編程主變-6.77MV-6.747MV進線入口-6.73MV-6.746MV母線中間-6.73MV-6.747MV變壓器側(cè)斷路器-6.79MV-6.750MV各處位置過電壓仿真達到電壓峰值時間：仿真方式位置ATP仿真貝杰隆法編程主變13.351s13.340s進線入口13.376s13.367s母線中間13.363s13.350s變壓器側(cè)斷路器13.299s13.286s2、通過使用ATP軟件對加避雷器后的各處過電壓進行仿真，獲得在不同部位加避雷器后各處的過電壓波形，發(fā)現(xiàn)避雷器離某一設備電氣距離短，該設備上的過電壓幅值越低，振蕩越短，保護效果越明顯；過對前面的波形分析比較，避雷器安裝在斷路器處除了能使該點處過電壓有效降低外，還可以使入口處、母線處以及主變處過電壓的過電壓波形會產(chǎn)生幅值最小、持續(xù)時間最短的振蕩。因而選擇將避雷器安裝在斷路器處。附件1：貝杰隆法程序：%貝杰隆算法仿真雷電流clear allclc%global z,t1,t2,Th,I0; 。 %定義全局變量z(波阻抗),t1(3m傳播時間),t2(13m傳播時間),Th（仿真步長）t1=10e-9; %10nst2=13/3*t1; %波傳播時間，t1為3m，t2為13m傳播時間Th=t1/3; %設置仿真步長10/3nsw=pi/(1.2*10e-6);Im=-20e3; %侵入雷電流波幅值-20kAC=6e-11,6e-10,5e-10,5e-9,2e-9;%各設備電容值R=Th/2./C; % R=Rds,Rct,Rdl,Rpt,Rt1z=400; %線路波阻抗z=400Y1=2/z,2/z+1/R(1),2/z+1/R(2),2/z+1/R(3),2/z+1/R(2),2/z+1/R(1),3/z,2/z+1/R(1),1/z+1/R(4),2/z+1/R(1),2/z+1/R(2),2/z+1/R(3),2/z+1/R(2),2/z+1/R(1),1/z+1/R(5);%電導率值Y=diag(Y1); %節(jié)點導納矩陣U=zeros(15,1); %定義電壓向量I=zeros(15,1);%定義電流向量for n=1:26 I12(n)=0; I21(n)=0; I23(n)=0; I32(n)=0; I34(n)=0; I43(n)=0; I45(n)=0; I54(n)=0; I56(n)=0; I65(n)=0; I67(n)=0; I76(n)=0; I78(n)=0; I87(n)=0; I89(n)=0; I98(n)=0; I107(n)=0; I710(n)=0; I1011(n)=0; I1110(n)=0; I1112(n)=0; I1211(n)=0; I1213(n)=0; I1312(n)=0; I1314(n)=0; I1413(n)=0; I1415(n)=0; I1514(n)=0; I2ds(n)=0; I3ct(n)=0; I4dl(n)=0; I5ct(n)=0; I6ds(n)=0; I8ds(n)=0; I9pt(n)=0; I10ds(n)=0; I11ct(n)=0; I12dl(n)=0; I13ct(n)=0; I14ds(n)=0; I15t1(n)=0; U1(n)=0; U2(n)=0; U3(n)=0; U4(n)=0; U5(n)=0; U6(n)=0; U7(n)=0; U8(n)=0; U9(n)=0; U10(n)=0; U11(n)=0; U12(n)=0; U13(n)=0; U14(n)=0; U15(n)=0; %當n26時,所有參數(shù)初始值全部為0endk=1.0409;a=1.625e4;b=2.456e6;%雙指數(shù)雷電流波形系數(shù)m=3;%3m傳播時間p=13;%13m傳播時間for n=27:36000 %仿真時間120us aa=n; aa T(n)=(n-27)*Th; %對系統(tǒng)進行計時矩陣，最長時間120us。 I0(n)=k*Im*(exp(-a*(n-27)*Th)-exp(-b*(n-27)*Th);%注入雙指數(shù)雷電流波形 %電流系數(shù) I12(n-m)=-2/z*U2(n-m)-I21(n-2*m); I21(n-m)=-2/z*U1(n-m)-I12(n-2*m); I23(n-m)=-2/z*U3(n-m)-I32(n-2*m); I32(n-m)=-2/z*U2(n-m)-I23(n-2*m); I34(n-m)=-2/z*U4(n-m)-I43(n-2*m); I43(n-m)=-2/z*U3(n-m)-I34(n-2*m); I45(n-m)=-2/z*U5(n-m)-I54(n-2*m); I54(n-m)=-2/z*U4(n-m)-I45(n-2*m); I56(n-m)=-2/z*U6(n-m)-I65(n-2*m); I65(n-m)=-2/z*U5(n-m)-I56(n-2*m); I67(n-m)=-2/z*U7(n-m)-I76(n-2*m); I76(n-m)=-2/z*U6(n-m)-I67(n-2*m); I78(n-p)=-2/z*U8(n-p)-I87(n-2*p); I87(n-p)=-2/z*U7(n-p)-I78(n-2*p); I89(n-m)=-2/z*U9(n-m)-I98(n-2*m); I98(n-m)=-2/z*U8(n-m)-I89(n-2*m); I710(n-p)=-2/z*U10(n-p)-I107(n-2*p); I107(n-p)=-2/z*U7(n-p)-I710(n-2*p); I1011(n-m)=-2/z*U11(n-m)-I1110(n-2*m); I1110(n-m)=-2/z*U10(n-m)-I1011(n-2*m); I1112(n-m)=-2/z*U12(n-m)-I1211(n-2*m); I1211(n-m)=-2/z*U11(n-m)-I1112(n-2*m); I1213(n-m)=-2/z*U13(n-m)-I1312(n-2*m); I1312(n-m)=-2/z*U12(n-m)-I1213(n-2*m); I1314(n-m)=-2/z*U14(n-m)-I1413(n-2*m); I1413(n-m)=-2/z*U13(n-m)-I1314(n-2*m); I1415(n-m)=-2/z*U15(n-m)-I1514(n-2*m); I1514(n-m)=-2/z*U14(n-m)-I1415(n-2*m); %元件電流參數(shù)方程 I2ds(n-1)=-I2ds(n-2)-2/R(1)*U2(n-1); I3ct(n-1)=-I3ct(n-2)-2/R(2)*U3(n-1); I4dl(n-1)=-I4dl(n-2)-2/R(3)*U4(n-1); I5ct(n-1)=-I5ct(n-2)-2/R(2)*U5(n-1); I6ds(n-1)=-I6ds(n-2)-2/R(1)*U6(n-1); I8ds(n-1)=-I8ds(n-2)-2/R(1)*U8(n-1); I9pt(n-1)=-I9pt(n-2)-2/R(4)*U9(n-1); I10ds(n-1)=-I10ds(n-2)-2/R(1)*U10(n-1); I11ct(n-1)=-I11ct(n-2)-2/R(2)*U11(n-1); I12dl(n-1)=-I12dl(n-2)-2/R(3)*U12(n-1); I13ct(n-1)=-I13ct(n-2)-2/R(2)*U13(n-1); I14ds(n-1)=-I14ds(n-2)-2/R(1)*U14(n-1); I15t1(n-1)=-I15t1(n-2)-2/R(5)*U15(n-1); %節(jié)點電流方程 I1(n)=I0(n)-I12(n-m); I2(n)=-I21(n-m)-I23(n-m)-I2ds(n-1); I3(n)=-I32(n-m)-I34(n-m)-I3ct(n-1); I4(n)=-I43(n-m)-I45(n-m)-I4dl(n-1); I5(n)=-I54(n-m)-I56(n-m)-I5ct(n-1); I6(n)=-I65(n-m)-I67(n-m)-I6ds(n-1); I7(n)=-I76(n-m)-I78(n-p)-I710(n-p); I8(n)=-I87(n-p)-I89(n-m)-I8ds(n-1); I9(n)=-I98(n-m)-I9pt(n-1); I10(n)=-I107(n-p)-I1011(n-m)-I10ds(n-1); I11(n)=-I1110(n-m)-I1112(n-