直流線路故障過程中電磁耦合機理研究

1、直流線路故障過程中電磁耦合機理研究摘要隨著社會的發(fā)展交流輸電系統(tǒng)也隨之發(fā)展，走進了更加先進的直流輸電時代。直流輸電的理論和技術(shù)一直處于電力工程學科的前沿。自1882年開創(chuàng)用直流輸電輸送電能的歷史以來，直流輸電在遠距離大容量輸電，海底電纜輸電和不同頻率聯(lián)網(wǎng)方面顯示了其獨特的優(yōu)點。直流輸電在技術(shù),經(jīng)濟上的優(yōu)勢和我國國情決定了我國發(fā)展直流輸電的絕對必要性和廣闊前景。本論文從一下研究主題和方法出發(fā)：（1）研究直流輸電線路電磁暫態(tài)耦合的機理，建立輸電線路電磁耦合計算分析的數(shù)學模型。通過仿真，分析同塔直流輸電線路故障時，極線間的電磁耦合特性。（2）研究平行架設輸電線路故障時不同回路間的電磁耦合特性；基于e

2、mtdc、rtds的同塔并架直流線路故障過程的電磁耦合機理仿真研究，包括極線之間的耦合和同塔并架下同一個塔上不同線路之間的耦合。（3）建立考慮云廣工程實際參數(shù)的電磁暫態(tài)分析數(shù)學仿真模型。結(jié)合仿真實驗，揭示在現(xiàn)有線路運行模式下的固有缺陷，提出新形勢下的防范措施和解決方案。然后再對云廣直流、興安直流、溪洛渡送電廣東同塔雙回直流工程、調(diào)查的基礎上。提出一整套針對直流線路故障過程中電磁耦合機理和相關控制保護動作行的解決方案提出直流輸電線路電磁暫態(tài)耦合的機理，建立輸電線路電磁耦合計算分析的數(shù)學模型；建立考慮云廣工程實際參數(shù)的電磁暫態(tài)分析數(shù)學仿真模型進行驗證方法的可行性；本項目緊密結(jié)合南方電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)

3、運行實際，研究成果不僅對現(xiàn)有直流工程的安全可靠運行具有指導作用，而且對于在建的直流工程具有重要的參考價值。關鍵詞：直流輸電 電磁偶和 保護 emtdc rtds 仿真dc line fault electromagnetic coupling mechanism of the processabstractwith the development of society ac transmission systems are also developing into a more advanced hvdc era. the dc transmission theory and technolo

4、gy has been in the forefront of power engineering disciplines. since 1882 to create a history of supplying electric power dc transmission, dc transmission in long-distance high-capacity transmission, submarine cable transmission and different frequencies in networking for its unique advantages. dc t

5、ransmission on the technical, economic advantage and chinas national conditions determine the absolute necessity of the development of dc transmission and broad prospects.this paper from your research topics and methods departure: (1) study the mechanism of dc transmission line coupling of electroma

6、gnetic transient transmission line electromagnetic coupling analysis mathematical model. through simulation, the dc transmission line fault analysis on the same tower, the electromagnetic coupling between the polar characteristics. (2) parallel to the erection of transmission line fault between diff

7、erent loop electromagnetic coupling characteristics; emtdc and rtds based on the same tower and rack dc line fault process of electromagnetic coupling mechanism simulation studies, including the coupling between the polar and the same tower the same below the coupling between different lines in a to

8、wer. (3) establishing consider cloud wide engineering parameters electromagnetic transient analysis of mathematical simulation model. the simulation experiments reveal the inherent defects in the existing line mode of operation, preventive measures and solutions proposed under the new situation.then

9、 the yunnan-guangdong dc, the larix dc, xiluodu power transmission guangdong same tower dc project, on the basis of the investigation.proposed a comprehensive set of solutions for dc line fault electromagnetic coupling mechanism and control protection action line dc transmission line electromagnetic

10、 transient coupling mechanism, a mathematical model of the transmission line electromagnetic coupling analysis; establish consider the cloud-canton actual parametersthe feasibility of electromagnetic transient analysis of mathematical simulation model was validated method; project in close connectio

11、n with the actual running of the china southern power grid dc transmission system, results not only safe and reliable operation of existing hvdc project has a guiding role, but also for the construction of hvdc projecthas important reference value.keywords：hvdc electromagnetic couplingsimulation exp

12、eriments emtdc rtds dc目 錄第一章 緒論1.1研究背景與動機11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀11.3研究方法與目的技術(shù)方案（耦合的數(shù)學模型）31.4本論文的新穎之處61.5論文內(nèi)容概述7第二章 直流線路故障時的電磁耦合模型與分析方法2.1前言82.1.1容性耦合82.1.2感性耦合92.2直流線路極線間電磁耦合模型92.3同塔并架直流線路故障時電磁耦合模型102.3.1直流輸電線路102.3.2桿塔102.3.3直流系統(tǒng)仿真模型112.4直流輸電線路電磁暫態(tài)耦合的機理與計算分析112.4.1形集中參數(shù)電路模型112.4.2帶集中電阻的恒定參數(shù)無損線路模型122.4.3 semlye

13、n模型132.4.4 j.marti模型132.4.5 l.marti線路模型132.4.6 noda線路模型132.5線路耦合參數(shù)計算142.5.1架空線路電容電感142.5.2 架空線阻抗152.6本章小結(jié)16第三章 平行架設輸電線路故障時不同回路間的電磁耦合特性3.1 前言173.2 極線之間的耦合173.3 同塔并架下同一個塔上不同線路之間的耦合183.4 基于emtdc、rtds的同塔并架直流線路故障過程的電磁耦合機理仿真203.4.1計算模型和系統(tǒng)條件203.4.2仿真研究213.5本章小結(jié)23第四章 云廣工程實際參數(shù)的電磁暫態(tài)分析4.1前言244.2云廣工程數(shù)學仿真模型244.2

14、.1云廣特高壓直流輸電系統(tǒng)的模型參數(shù)244.2.2交流系統(tǒng)參數(shù)254.2.3直流濾波器254.2.4平波電抗器264.2.5換流閥264.2.6換流變壓器264.2.7直流輸電線路264.3電磁耦合機理仿真研究274.4現(xiàn)有線路運行模式下的固有缺陷與防范措施及解決方案284.4.1 電容比值不平衡保護的原理及配置294.4.2 運行實例294.4.3 保護動作行為分析294.4.4 存在問題314.4.5 解決措施314.5本章小結(jié)31第五章 結(jié)論及未來研究方向5.1結(jié)論335.2未來研究方向33參考文獻35致謝37第一章 緒論1.1研究背景與動機云廣直流作為世界上第一條特高壓直流輸電工程尚無

15、太多經(jīng)驗可以借鑒。特高壓直流極間線路之間存在一定程度的電磁耦合，這一耦合作用在雷電沖擊的情況下特別明顯，且影響到了另一極的穩(wěn)定運行。云廣直流2010年8.19和2011年6.5的兩次雙極相繼閉鎖事故中都是因為一極線路故障而引起了另一極電流電壓的波動從而使另一極保護動作，并最終導致雙極相繼閉鎖。云廣工程在設計時并沒有考慮到線路之間存在如此大的電磁耦合關系，控制保護系統(tǒng)的設計也只是基于本極的電流電壓變化特性，并沒有考慮到對極故障對本極造成的干擾。為了節(jié)省線路走廊，直流線路同塔并架在直流工程中也開始出現(xiàn)。興安直流也因為征地等原因，部分直流線路和接地極線路采用了同塔并架的方式，也正是因為這種方式，發(fā)生

16、多次因為極線路故障而導致接地極線路保護動作，目前關于這方面的研究只集中在如何防雷等措施上。正在建設的溪洛渡送電廣東同塔雙回直流工程中，兩回直流的線路即架設在同一個桿塔上。這兩回直流四條直流輸電線路相互之間存在復雜的電磁耦合關系，既出現(xiàn)同一回直流的不同線路間，也包括不同回直流線路之間。當任一線路發(fā)生故障時對其它三條線路的影響機制及分析方法，相關直流系統(tǒng)控制保護的響應特性等問題，目前都研究較少。國網(wǎng)公司也建有一個同塔雙回直流輸電工程，相關研究人員做過一些仿真分析，但也僅限于兩回直流之間，并未研究同一回直流不同極線之間的影響。而針對相關問題的分析模型與方法、研究手段、工程試驗等方面，國內(nèi)外都還基本處

17、于空白。本項目緊密結(jié)合南方電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)運行實際，研究成果不僅對現(xiàn)有直流工程的安全可靠運行具有指導作用，而且對于在建的直流工程具有重要的參考價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀特高壓直流極間線路之間存在一定程度的電磁耦合，這一耦合作用在雷電沖擊的情況下特別明顯，且影響到了另一極的穩(wěn)定運行。云廣直流2010年8.19和2011年6.5的兩次雙極相繼閉鎖事故中都是因為一極線路故障而引起了另一極電流電壓的波動從而使另一極保護動作，并最終導致雙極相繼閉鎖。雷電流頻率范圍較大，且含有較多高次諧波，而設計階段直流線路對于線路耦合的研究只停留在低頻分量，而控制保護邏輯之間的配合也只是基于本極的電流電壓變化特性，并沒

18、有考慮到對極故障對本極造成的電磁耦合，特別是高頻電流的電磁耦合。為了節(jié)省線路走廊，線路同塔并架在交流輸電系統(tǒng)中較為常見，同塔兩回或多回直流線路同桿并架的現(xiàn)象在交流系統(tǒng)出現(xiàn)較多，同桿線路相互影響以及同桿線路跨線故障等的影響方面的研究也較多。近年同桿并架在在直流工程中也開始出現(xiàn)。但直流線路在設計之初對頻率特性的考慮不全面，針對線路之間電磁耦合機理研究不夠徹底。興安直流也因為征地等原因，部分直流線路和接地極線路采用了同塔并架的方式，可能因為這種線路架設方式的存在，發(fā)生多次因為極線故障而導致接地極線路保護動作，國網(wǎng)公司在三滬直流投運之前針對同桿并架現(xiàn)象可能造成的影響進行了相關研究，南方電網(wǎng)也針對接地極

19、線路和直流線路的同桿架設現(xiàn)象開展研究，但這方面的研究只集中在如何制定防雷措施上，針對電磁耦合機理研究相對較少，也并沒有提出針對電磁耦合現(xiàn)象的優(yōu)化算法。正在建設的溪洛渡送電廣東同塔雙回直流工程中，兩回直流的線路即架設在同一個桿塔上。這兩回直流四條直流輸電線路相互之間存在復雜的電磁耦合關系，既出現(xiàn)同一回直流的不同線路間，也包括不同回直流線路之間。當任一線路發(fā)生故障時對其它三條線路的影響機制及分析方法，相關直流系統(tǒng)控制保護的響應特性等問題，目前都研究較少。直流輸電線路因為直流電流沒有頻率特性，針對含有較大高頻分量的雷電流造成的電磁耦合現(xiàn)象與交流輸電系統(tǒng)有很大區(qū)別，需要進行深入的研究。自1882年開創(chuàng)

20、直流直流輸電輸送電能的歷史以來，經(jīng)過20世紀5060年代的汞弧閥時期，直流輸電在遠距離大容量輸電、海底電纜輸電和不同頻率聯(lián)網(wǎng)方面顯示里其獨特的優(yōu)點；又經(jīng)過20世紀7080年代的晶閘管時期，使直流輸電得到了大發(fā)展，并在大電網(wǎng)互聯(lián)方面展現(xiàn)了更多優(yōu)勢，傳統(tǒng)的純交流電網(wǎng)已經(jīng)發(fā)展到交直混合電網(wǎng)；20世紀90年代以來，大功率可關斷器件的迅猛發(fā)展，促成了新型直流輸電快速發(fā)展，使直流輸電的應用擴展到了配電網(wǎng)和新能源開發(fā)等更為廣闊的領域。直流輸電是基礎面廣、前沿技術(shù)含量高、綜合性很強的高技術(shù)，它不僅在20世紀7080年代促成了電力電子技術(shù)的發(fā)展，而且隨著電力電子器件的進一步發(fā)展、計算機技術(shù)的更新?lián)Q代、輸變電新材

21、料的出現(xiàn)、新能源和可再生能源的開發(fā)利用，必將在新的世紀為電力的持續(xù)發(fā)展發(fā)揮更大作用。由于我國地域遼闊，能源分布及負荷發(fā)展很不平衡，水力資源主要集中在西南數(shù)省，煤炭資源主要集中在山西、陜西和內(nèi)蒙古西部，而負荷主要集中在東部沿海地區(qū)，因此遠距離大容量輸電勢在必行。另一方面，電力互聯(lián)是電力工業(yè)發(fā)展的必然趨勢，我國各大區(qū)和獨立省網(wǎng)的互聯(lián)已進入實施階段，利用直流輸電作異步聯(lián)網(wǎng)在技術(shù)上、經(jīng)濟上和安全性等方面的優(yōu)勢已經(jīng)在世界范圍內(nèi)得到證明。因此直流輸電技術(shù)必將以其在技術(shù)上和經(jīng)濟上的獨特優(yōu)勢，在遠距離大容量輸電和全國聯(lián)網(wǎng)兩個方面對我國電力工業(yè)的發(fā)展起到十分重要的作用。我國已經(jīng)成為世紀范圍內(nèi)直流應用前景最為廣闊

22、的國家。近20年來，我國直流輸電從無到有，經(jīng)歷了一個快速發(fā)展的階段。1987年自行研制設計的舟山直流輸電試驗工程投入運行，1989年葛洲壩南橋500kv、1200mw直流輸電工程投入運行，2000年天橋廣州500kv、3000mw直流輸電工程投入運行，2004年三峽廣東500kv、3000mw直流輸電工程投入運行，2004年貴州廣東500kv、3000mw直流輸電工程投入運行。另外，三峽右上海直流輸電工程和貴州廣東二回直流輸電工程的工程已經(jīng)進入實施階段。根據(jù)計劃在未來20年中，南方電網(wǎng)將出現(xiàn)7條或更多直流輸電線路，華東電網(wǎng)也將出現(xiàn)7條或更多直流輸電線路，華中電網(wǎng)將出現(xiàn)近10條直流輸電線路。顯然

23、我國已夸人直流輸電混合大電網(wǎng)時代，在技術(shù)上和管理上都對我國的電力工作提出了挑戰(zhàn)。1.3研究方法與目的技術(shù)方案（耦合的數(shù)學模型）(1)、從電磁場基本理論出發(fā)，研究同塔架設或平行架設直流輸電線路相互耦合的數(shù)學模型。架空輸電線路可以看作位于平均高度的相互平行的多導體傳輸線，其單位長度的等效電路模型可由下圖表示：圖1.1架空線路單位長度的等效電路圖中的電容、電導分別稱為部分電容、部分電導。為第i條導線的自分部電容；為第i條與第j條導線間的互部分電容；為第i條導線回路單位長度的自電感；為第i條與第j條回路間單位長度的互電感；為第i條導線的內(nèi)阻抗；為參考導線(即大地)的單位長度內(nèi)阻抗；描述多導體傳輸線路的

24、數(shù)學模型為電報方程： (1.1)式中，式中為電壓向量，；為線電流向量，；z為阻抗矩陣，即： (1.2) y為導納矩陣，即： （1.3） 對于架空輸電線路，導線間的絕緣介質(zhì)為空氣，線路間的電導可以忽略，以大地作為參考導線，每相導線及每根架空地均作為一根導線，激勵源為各相導線的電源電壓，通過求解電報方程(1.1)即可求得地線的感應電壓和感應電流值。時域有限差分法是求解電報方程的有效方法，但該方法復雜，計算量大。對于高壓架空輸電線路，由于工作頻率低，采用型等效電路級聯(lián)的方式求解，計算精度足以滿足工程需要。長度為l的兩根導線與大地組成的多導體傳輸線，型等效電路如下圖所示。圖 1.2 型等效電路示意圖電

25、磁暫態(tài)計算軟件app-dra具有架空輸電線路型等效電路模塊(lcc)。每一檔距采用一段型lcc模型，整條線路采用多條型lcc模型級聯(lián)的方式建立模型，如下圖所示。圖 1.1 架空輸電線路地線感應電壓感應電流atp-draw計算模型(2)、計算分析同塔直流輸電線路發(fā)生故障時，同回輸電線路不同極間、同塔不同回路間及不同塔平行架設的直流輸電線路間電磁耦合關系，研究干擾電壓、電流的特征。(3)、分析高壓直流輸電線路電磁干擾的傳播方式、傳播途經(jīng)等，研究高壓直流輸電線路對保護裝置電磁干擾的數(shù)學模型，分析高壓直流輸電線路電磁暫態(tài)對保護干擾的特征。電磁干擾途徑分為電容耦合、電感耦合和電磁輻射。 電容耦合任何電子

26、設備之間都存在分布式電容，變電站中還有補償電容、耦合電容、電容式電壓互感器等電容元件。某一導體上的電壓通過這些電容影響其它導體上的電位，形成傳導型干擾。 電感耦合任何載流導體都會在周圍空間中產(chǎn)生磁場，若磁場是交變的，則會在周圍閉合電路中產(chǎn)生感應電勢。 電磁輻射輻射干擾是指強電系統(tǒng)產(chǎn)生的高頻電磁干擾輻射，干擾能量通過空間電磁波的形式傳播到弱點系統(tǒng)中產(chǎn)生干擾，隨弱點此系統(tǒng)電纜的接地方式不同形成共模或差模干擾。 公共阻抗耦合這是噪聲源和信號源具有公共阻抗時的傳導耦合，如雷擊電流和短路電流流入地網(wǎng)，盡管接地網(wǎng)電阻很小，但畢竟不為零，這將使地電位升高，且接地網(wǎng)上不同點出現(xiàn)地電位差。接在地網(wǎng)不同點的設備地

27、電壓將不同，為了防止公共阻抗耦合，應使耦合阻抗（接地網(wǎng)阻抗）趨于零，則地電位差也將趨于零，干擾電流將消失。由于地網(wǎng)電流的擴散性，遠離電流入地點處的電流較小，地電位差也比較小。實際上干擾源對二次回路的耦合是非常復雜的，通常同一干擾源會以幾種干擾途徑對二次回路產(chǎn)生干擾。1.4本論文的新穎之處本文主要包括對現(xiàn)代直流線路的設計和實際的安裝的客觀情況即：兩回直流的線路即架設在同一個桿塔上。這兩回直流四條直流輸電線路相互之間存在復雜的電磁耦合關系，既出現(xiàn)同一回直流的不同線路間，也包括不同回直流線路之間。當任一線路發(fā)生故障時對其它三條線路的影響機制及分析方法，相關直流系統(tǒng)控制保護的響應特性等問題，目前都研究

28、較少。國網(wǎng)公司也建有一個同塔雙回直流輸電工程，相關研究人員做過一些仿真分析，但也僅限于兩回直流之間，并未研究同一回直流不同極線之間的影響。而針對相關問題的分析模型與方法、研究手段、工程試驗等方面，國內(nèi)外都還基本處于空白。首先特高壓直流極間線路之間存在一定程度的電磁耦合，這一耦合作用在雷電沖擊的情況下特別明顯，且影響到了另一極的穩(wěn)定運行。云廣直流2010年8.19和2011年6.5的兩次雙極相繼閉鎖事故中都是因為一極線路故障而引起了另一極電流電壓的波動從而使另一極保護動作，并最終導致雙極相繼閉鎖再次為了節(jié)省線路走廊，直流線路同塔并架在直流工程中也開始出現(xiàn)。興安直流也因為征地等原因，部分直流線路和

29、接地極線路采用了同塔并架的方式，也正是因為這種方式，發(fā)生多次因為極線路故障而導致接地極線路保護動作，目前關于這方面的研究只集中在如何防雷等措施上。本論文緊密結(jié)合南方電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)運行實際，研究成果不僅對現(xiàn)有直流工程的安全可靠運行具有指導作用，而且對于在建的直流工程具有重要的參考價值。1.5論文內(nèi)容概述本項目涉及直流線路極線間電磁耦合機理、同塔并架直流線路故障耦合模型與方法的研究工作；同時緊密結(jié)合南方電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)運行實際。具體的研究內(nèi)容：（1）研究直流輸電線路電磁暫態(tài)耦合的機理，建立輸電線路電磁耦合計算分析的數(shù)學模型。通過仿真，分析同塔直流輸電線路故障時，極線間的電磁耦合特性。（2）研究平

30、行架設輸電線路故障時不同回路間的電磁耦合特性；基于emtdc、rtds的同塔并架直流線路故障過程的電磁耦合機理仿真研究，包括極線之間的耦合和同塔并架下同一個塔上不同線路之間的耦合。（3）建立考慮云廣工程實際參數(shù)的電磁暫態(tài)分析數(shù)學仿真模型。結(jié)合仿真實驗，揭示在現(xiàn)有線路運行模式下的固有缺陷，提出新形勢下的防范措施和解決。第二章 直流線路故障時的電磁耦合模型與分析方法2.1前言特高壓直流極間線路之間存在一定程度的電磁耦合，這一耦合作用在雷電沖擊的情況下特別明顯，且影響到了另一極的穩(wěn)定運行。云廣直流2010年8.19和2011年6.5的兩次雙極相繼閉鎖事故中都是因為一極線路故障而引起了另一極電流電壓的

31、波動從而使另一極保護動作，并最終導致雙極相繼閉鎖。云廣工程在設計時并沒有考慮到線路之間存在如此大的電磁耦合關系，控制保護系統(tǒng)的設計也只是基于本極的電流電壓變化特性，并沒有考慮到對極故障對本極造成的干擾。為了節(jié)省線路走廊，直流線路同塔并架在直流工程中也開始出現(xiàn)。興安直流也因為征地等原因，部分直流線路和接地極線路采用了同塔并架的方式，也正是因為這種方式，發(fā)生多次因為極線路故障而導致接地極線路保護動作，目前關于這方面的研究只集中在如何防雷等措施上。正在建設的溪洛渡送電廣東同塔雙回直流工程中，兩回直流的線路即架設在同一個桿塔上。這兩回直流四條直流輸電線路相互之間存在復雜的電磁耦合關系，既出現(xiàn)同一回直流

32、的不同線路間，也包括不同回直流線路之間。當任一線路發(fā)生故障時對其它三條線路的影響機制及分析方法，相關直流系統(tǒng)控制保護的響應特性等問題，目前都研究較少。國網(wǎng)公司也建有一個同塔雙回直流輸電工程，相關研究人員做過一些仿真分析，但也僅限于兩回直流之間，并未研究同一回直流不同極線之間的影響。而針對相關問題的分析模型與方法、研究手段、工程試驗等方面，國內(nèi)外都還基本處于空白。本項目緊密結(jié)合南方電網(wǎng)直流輸電系統(tǒng)運行實際，研究成果不僅對現(xiàn)有直流工程的安全可靠運行具有指導作用，而且對于在建的直流工程具有重要的參考價值。在電力系統(tǒng)正常運行情況下，由于直流輸電線路上由于線路電壓/電流穩(wěn)定不會產(chǎn)生感應電壓，但在線路遇到

33、故障的情況下，由于極線上的電壓發(fā)生劇烈波動，由于線路之間的容性耦合與感性耦合，將會在附近的極線與接地極線上產(chǎn)生感應電壓。由于容性耦合而產(chǎn)生的感應電壓將會因為附近的金屬導線直接或通過相關設備接地而大幅度降低，同時線路上由于感性耦合而產(chǎn)生的感應電動勢作用在附近線路與大地所構(gòu)成的回路中產(chǎn)生工頻電流，從而影響附近線路的安全。2.1.1容性耦合在電力線路運行時，在線路周圍的空間中會產(chǎn)生電場，這會賦予電場中的導體或電介質(zhì)相應的電位（電位值取決于電位參考點的選取，通常取大地為電位參考點）。由可知，相對于電位參考點，導體上有電容存在；當兩個導體或電介質(zhì)之間電位不同的時候，由可以定義兩個導體之間的電容。在輸電線

34、路運行時，由于存在電容使附近金屬線路與大地之間產(chǎn)生電位差，從而在附近的金屬導線上產(chǎn)生感應電容電壓。由于是通過線路之間的互電容耦合而產(chǎn)生的感應電壓，所以這種影響稱之為容性耦合。在線路的位置幾何參數(shù)固定的情況下，感應電容電壓主要受到電力線路的電壓等級，導線之間的距離以及線路運行狀態(tài)的影響。2.1.2感性耦合由工程電磁場理論可知，當一個導線通電流時，將會在周圍的空間產(chǎn)生磁場。我們通過磁通和磁通鏈來描述磁場。當穿過處在磁場中的一個線圈或者回路的磁通或者磁通鏈隨時間變化時，線圈或者回路中將會產(chǎn)生感應電壓。在電路中，通過電感參數(shù)l與互感參數(shù)m來描述這一電磁感應現(xiàn)象。這兩個參數(shù)由線路的形狀/尺寸與媒質(zhì)磁導率

35、等物理參數(shù)決定，而與電流，磁通無關。當直流線路上的電流產(chǎn)生變化時，將會在線路周圍空間形成變化的磁場，從而通過互感在附近的電力線路上產(chǎn)生感應電壓。由于這是通過線路之間的互感耦合產(chǎn)生的感應電壓，所以稱之為感性耦合。2.2直流線路極線間電磁耦合模型建立了特高壓直流輸電線路雷電繞擊的仿真模型，仿真時為了模擬雷電流波在雷擊處兩側(cè)的折反射，在雷擊處兩側(cè)都加入了3基桿塔，在線路兩側(cè)分別經(jīng)長線路模型連接電源。避雷線也通過該長線模型接地。如圖2.1所示。線路全長10 km，沿線大地電阻率平均值為 ，圖2.1特高壓直流輸電線路雷電繞擊仿真模型2.3同塔并架直流線路故障時電磁耦合模型2.3.1直流輸電線路直流線路每

36、極導線選用4jl/g2a-900/75-4/7鋼芯鋁絞線；2根避雷線采用gj-100型鍍鋅鋼絞線，具體線路參數(shù)見表2.2。由于按雙回同塔設計，極導線需按上下兩層布置。項次直流線路項次直流線路架空地線型號gj-100導線型號4jl/g2a-900/75-4/7外徑/mm13外徑/mm40.6直流電阻/ 1.5667直流電阻/ 0.0322弧垂/m11分裂間距/mm450弧垂/m15表2.2 直流線路參數(shù)2.3.2桿塔本文選用廣東省電力設計研究院規(guī)劃的sz27103雙回路直線塔型進行建模計算，該塔型的具體尺寸如圖2.3所示，保護角為-5。極導線懸垂絕緣子串選用v串型式，采用復合絕緣子，每串結(jié)構(gòu)高度

37、為6.8m，最小電弧距離為6.2m。圖2.3同塔雙回輸電線路桿塔模型2.3.3直流系統(tǒng)仿真模型參照前文2.3中使用的仿真模型，使用6相j-marti模型模擬輸電線路，在雷擊處兩側(cè)各加3基桿塔，剩余部分輸電線路采用沖擊阻抗模擬，避雷線通過該阻抗接地，輸電導線通過該阻抗接入直流電壓，如圖2.4 所示。線路全長10 km，沿線大地電阻率平均值為 ，圖2.4 同塔雙回直流輸電系統(tǒng)雷電繞擊計算模型2.4直流輸電線路電磁暫態(tài)耦合的機理與計算分析2.4.1形集中參數(shù)電路模型如圖2.4.1所示，形集中參數(shù)電路可通過下式計算。 (2.1)式中，r、l、c是某一給定頻率下的單位長線路的電阻、電感、電容，l是線路長

38、。圖2.5形模型在進行線路穩(wěn)態(tài)計算時，應用形電路模型可以精確的模擬通常長度（100200km以下）的線路。而進行線路的暫態(tài)計算式，要應用形電路模型必須滿足：裁斷頻率遠大于線路暫態(tài)現(xiàn)象的基本頻率，其中由形電路模型的l，c決定。因此可以通過將多條短距離（線路距離用上面條件計算得到）的形電路串接來對長線路進行模擬。其中，線路暫態(tài)的裁斷頻率和基本頻率的計算式為： (2.2)：末端開路：末端經(jīng)阻抗接地 (2.3)：末端短接式中，是線路長度，是傳播速度（km/s），是傳播時間（s）。雖然用形電路模型可以準確的模擬線路穩(wěn)態(tài)及工頻的暫態(tài)計算，但由于形電路模型中無法模擬頻率相關線路參數(shù)，而且集中參數(shù)還會產(chǎn)生虛假

39、振蕩，串接之后求解也比行波理論的計算方法復雜而且計算量大，因此一般不應用于線路的暫態(tài)計算。2.4.2帶集中電阻的恒定參數(shù)無損線路模型帶集中電阻的恒定參數(shù)無損線路模型也可以成為bergeron模型或dommel模型。這個模型在模擬換位線路時也可以稱為clark模型，在模擬不換位模型時也可以稱為kclee模型。在進行計算時，由于線路上的串聯(lián)電阻不能夠忽略，而并聯(lián)電導可以忽視，所以可以用幾個集中電阻來等值模擬線路，而其他部分則視作無損導線，經(jīng)驗表明這種模擬方法是合理的。在emtp中，使用3個集中電阻來模擬線路，兩端的電阻值為r/4，中間的電阻值為r/2，如圖2.4.2所示。此時在線路中必須滿足的條件

40、才能得到準確合理的結(jié)果，此處z為波阻抗。如果不滿足這個條件，則必須縮短每個模型的長度即增加線路的段數(shù)。用集中電阻來模擬線路時，并沒有考慮線路參數(shù)的頻率相關性，線路參數(shù)默認按照基本頻率計算。在無損線路上使用等值形電路，在消去內(nèi)部節(jié)點后，可得到等值形電路的參數(shù)。 (2.4) (2.5)式中，為線路單位長電阻；為每段傳播時間，和為線路單位長電感和電容；為線路總長度；為波阻抗。圖 2.6帶集中電阻的線路模型2.4.3 semlyen模型semlyen模型是考慮頻率相關性的線路模型，在j.marti模型之前被廣泛應用。與j.marti模型不同的是semlyen在時域?qū)⒑陀弥笖?shù)函數(shù)之和近似處理式2-30的

41、傅立葉逆變換。由于提高計算精度需要調(diào)整收斂的設定，而且與j.marti模型一樣，沒有采用頻率相關特性的轉(zhuǎn)換矩陣，因此semlyen模型對垂直排列的不換位線路和地下同軸電纜模擬的計算結(jié)果不夠精確，甚至在計算接地故障引起的過電壓時還會惡化，同時semlyen模型的穩(wěn)定性較差。2.4.4 j.marti模型j.marti模型是目前應用最廣的線路模型，在j.marti模型中采用了具有頻率相關特性的線路參數(shù)。不同于semlyen模型，j.marti近似和的方法是在頻域用有理函數(shù)進行近似計算，而且對的近似有理函數(shù)通過網(wǎng)絡表達，因此暫態(tài)計算很穩(wěn)定。但是j.marti同樣沒有采用頻率相關特性的轉(zhuǎn)換矩陣。2.4

42、.5 l.marti線路模型由于在計算接地故障過電壓、交流疊加過電壓或者電纜過電壓時（模擬時間較長），轉(zhuǎn)換矩陣的頻率相關性不能被忽略，因此l.marti建立了采用考慮頻率相關的轉(zhuǎn)換矩陣的線路模型，通過卷積積分計算來模擬轉(zhuǎn)換矩陣的頻率相關特性，但是由于轉(zhuǎn)換矩陣的頻率響應變化表現(xiàn)出一定的振動性，而不是像與一樣單調(diào)變化，所以l.marti線路模型的計算十分不穩(wěn)定，應用較少。2.4.6 noda線路模型noda線路模型在理論上是最嚴密的線路模型，因為noda線路模型不是通過相模變換，而是直接在相域模擬考慮頻率相關特性的線路模型，但這樣使得計算量極大，計算過程十分復雜，因此穩(wěn)定性也較差。2.5線路耦合參

43、數(shù)計算2.5.1架空線路電容電感圖2.7架空線路示意圖由圖可得，電容矩陣與電位系數(shù)矩陣互為逆矩陣，因此可對求逆得： (2.6)中的元素可由式2.2，2.3計算得到 (2.7) (2.8)其中，導線i離地高度（單位：m） 導線i的半徑（單位：m） 導線i與目標導線j鏡像之間的距離（單位：m） 導線i與目標導線j之間的距離（單位：m）自由空間的介電常數(shù)，同理可得，單位長電感矩可表示為： (2.9) (2.10)其中：自由空間磁導率，但在實際情況中，趨膚效應和土壤的影響一直存在，導線總會產(chǎn)生損耗。因此，在有損情況下一般將長電感矩陣與長阻抗矩陣一起計算。2.5.2 架空線阻抗利用carson公式對空中

44、平行架空線的單位長自阻抗和互阻抗進行求解，得到的結(jié)果精度較高。如圖2-1所示的架空線，用carson公式分別計算其單位長自阻抗及互阻抗可得 (2.11) (2.12)式中j為無窮限積分 (2.13) (2.14)carson公式計算出的結(jié)果雖然較準確，但其計算由于無窮限積分的存在變得十分復雜。l.m.wedepohl推導出用于近似計算互阻抗和自阻抗的公式： (2.15)其中，-透射深度， -土壤電阻率（單位：） (2.16)其中， a-分裂導線的橫截面積（單位：）l-導線長度（單位：m）-每束導線中分裂導線的數(shù)目2.6本章小結(jié)本章的內(nèi)容主要是寫直流線路故障時的電磁偶和模型與分析方法通過對云廣直

45、流的介紹我們引入了云廣直流2010年8.19和2011年6.5的兩次雙極相繼閉鎖事故中都是因為一極線路故障而引起了另一極電流電壓的波動從而使另一極保護動作，并最終導致雙極相繼閉鎖。云廣工程在設計時并沒有考慮到線路之間存在如此大的電磁耦合關系，控制保護系統(tǒng)的設計也只是基于本極的電流電壓變化特性，并沒有考慮到對極故障對本極造成的干擾。所以我們就成功進入了對直流線路故障的電磁耦和模型與分析的論題中。這一章我建立了直流線路的極線的電磁耦合模型，通過對電與磁的基本物理關系式的應用與推導我建立了電磁耦合的基本模型然后再具體一點對同塔并架直流線路電磁偶合模型進行了建立和分析，最后就是建立直流輸電線路電磁暫態(tài)

46、耦合的機理與計算分析通過這些我就算是開始了對云廣工程在設計時并沒有考慮到線路之間存在如此大的電磁耦合關系，控制保護系統(tǒng)的設計也只是基于本極的電流電壓變化特性，并沒有考慮到對極故障對本極造成的干擾，的問題進行研究和解決的分析和解決的道路上來了。第三章 平行架設輸電線路故障時不同回路間的電磁耦合特性3.1 前言同塔多回輸平行電線路的最大特點是除了本回線的相間耦合作用，還存在不同回路之間的線間耦合作用. 大大增加了線路故障分析的難. 針對目前敵國已經(jīng)普遍布的同塔雙回線路. 基于穩(wěn)態(tài)計算和故障分析的需要，當前已有眾多學者對其參數(shù)解耦方法及序分量特征進行研究. 并取得了一定的成果. 文獻提出了同桿雙回線

47、路六序分量法，文獻提出了類對稱分雖變換、類clark 變換種類karranbaue變換，為同桿雙回線路的故障分析提供了簡便的方法.回輸電線路. 其12 條線路之間都存在互感和電容 且由干線路的排布方式使得各回線間互感和電容不完全相等，文獻出了同桿4 回線12 序分量法，但此方法是在假設所有回路線間互阻抗相等的前提下提出的，對照實際四回線路桿塔結(jié)構(gòu)及線路架設情況. 可以看出不同回線間的線路互阻抗不相同. 故12 序分量法無法應用于實際線路. 因此. 目前還沒有針對同塔四回線參數(shù)解耦的通用方法出現(xiàn)。本章對同塔四回線的桿塔結(jié)構(gòu)及線路架設方案進行了研究，總結(jié)了同塔四回線各序量特征及物理意義， 為同塔四

48、回線路的故障分析及繼電保護的研究提供了理論基礎.3.2 極線之間的耦合云南送電廣東同塔雙回直流輸電工程采用兩回500 kv 直流同桿并架方式。兩回直流共起點、共落點、共換流站、線路共桿、共用接地極，直流輸電容量 2 x 3200mw，直流線路長度 2 x 1286 km。每個500 kv 系統(tǒng)可獨立運行，又可聯(lián)合同步運行。在本節(jié)中，通過如圖3.1所示的接線圖模擬同塔雙回直流輸電系統(tǒng)接地故障。圖3.1 同塔雙回直流輸電系統(tǒng)接地故障計算模型3.3 同塔并架下同一個塔上不同線路之間的耦合同塔并架下同一個塔上不同線路之間的耦合會長生感應電流感應電壓2種。當導線上流過變化的電流時，在其周圍產(chǎn)生一個變化的

49、磁場，如停電線路與其交鏈，則會在停電線路上感應出一個縱電勢，沿導線方向分布，根據(jù)停電導線對地絕緣程度的不同而對應不同的對地電位。這種由于導線間的感應效應耦合而產(chǎn)生的結(jié)果稱為電磁感應。其大小決定于導線之間存在的電容耦合效應，現(xiàn)在以安徽省500kv平西5312線路為例進行建模仿真。平西5312線全長115.8km，其中20km與平肥5302線為同塔雙回路不換位，建立模型時只考慮同塔部分。 圖3.2線路斷面圖線路斷面如圖3.2所示。導線規(guī)格是4xlgj-630/45型港芯鋁絞線，子導線按正方形四角布置，分裂間距0.45m，最下層導線離地高度平均33m，架空線離下層導線26m，導線弧垂約10m，土壤電

50、阻率取平均100m。電源模型使用emtdc軟件內(nèi)部提供的發(fā)電機模型，電源與地網(wǎng)相連，電源頻率50hz最大輸出功率1200mva，見圖3.3。圖 3.3 電源模型圖平肥5302線運行，平西5312線兩端分別模擬兩端不接地、一端接地和兩端接地 3種運行方式。根據(jù)參考文獻,在兩端不接地情況下，線路感應電壓ui以靜電感應為主：在一端接地，一端不接地情況下，接地端接地電流 ;以靜電感應為主，不接地端電壓up以電磁感應為主：兩端接地情況下，線路感應電流i以電磁感應為主。接地端接地電阻模型使用0.1 平肥5302線空載運行時，平西5312線感應電壓和電流的計算結(jié)果見表 1, 計算結(jié)果表明，當平肥5302線空

51、載時，平西5312線靜電感應電壓最大相電壓為28.38kv,靜電感應電流大約2a，電磁感應為3v，電磁感應電流約為0.2a耦合類型a相b相c相靜電耦合us/kv25.3014.6028.38is/a20.3832電磁耦合ue/v332ie/a3表3.4 平肥5302線空載運行時平西5312線感應電壓和電流平肥5302線負荷為1200mw運行時，計算以上同樣的數(shù)據(jù)，結(jié)果見表3.5。計算表明，與5302線空載時相比，靜電感應電壓和感應電流不變，電磁感應電壓和電流增加。不同負荷下變化曲線見圖3.2.5;3.2.6,圖中顯示靜電感應電壓和電流基本保持不變，不受負荷影響。耦合類型a

52、相b相c相靜電耦合us/kv25.0014.6028.52is/a20.382電磁耦合ue/e/a2088216表3.5 平肥5302線負荷1200wm時平西5312線感應電壓和電流圖3.6靜電感應電壓隨負荷變化情況 圖3.7靜電感應電流隨負荷變化情況結(jié)論同塔雙回500kv輸電線路由于電磁和靜電耦合，當兩條線路運行時會與兩條線路上產(chǎn)感應耦合電壓和電流。3.4 基于emtdc、rtds的同塔并架直流線路故障過程的電磁耦合機理仿真同塔架設直流線路間存在電磁耦合，但各級導線間的電磁偶和關系不會給直流系統(tǒng)穩(wěn)定運行帶來嚴重的影響，只有當直流線路發(fā)生接地故障等情況下，故障產(chǎn)生的暫

53、態(tài)分量會因電磁耦合的關系及線路參數(shù)不平衡等原因影響到其他正常運行的級導線。為此，首先對直流調(diào)試時直流線路故障和丟失脈沖試驗對同塔架設直流的影響進行分析：其次，利用emtdc建立同塔雙回直流輸電研究模型，在重現(xiàn)直流線路故障和丟失脈沖試驗的基礎上，深入分析直流一極線路故障導致健全極發(fā)生換相失敗和直流丟失脈沖故障導致直流發(fā)生換相失敗的原因。3.4.1計算模型和系統(tǒng)條件按照圖3.4.1所示系統(tǒng)接線圖，采用emtdc建立了同塔雙回直流輸電系統(tǒng)研究模型，詳細模擬了同塔雙回直流線路、hvdc換流器和換流變壓器和交/直流濾波器等。系統(tǒng)基本條件為：800kv直流雙極額定容量500萬千瓦，800kv直流雙極額定容

54、量500萬千瓦。模型詳細模擬了交/直流濾波器，直流控制特性與工程實際保持一致；直流線路均采用頻率相關模型，桿塔布置和參數(shù)見圖3.9和表3.10同塔線路1373km云南廣東圖 3.8 同塔架設直流的示意圖 fig.3.8 schematic of double circuit hvdc c1云南極導線； c2廣東極導線； c3云南極導線；c4廣東極導線； g地線； 對地距離均為懸掛高度；大地平均電阻率=100*m； 圖中線路單位均為m。圖3.9直流同塔線路的桿塔布置fig.3.9tower geometry structure of double circuittransmission lines項目導線型號外徑/cm直流電阻分裂間距/cm塔上懸掛高度/cm弧垂/m大地平均電阻率線路架空線4acsr-720/50gj-1003.6231.30.39841.566750-33.046.51814100.0100.0表3.10 800kv直流線路桿塔的導線和地線參數(shù)tab.3.10 parameters of conductor and ground wire for 800kvdc