电压互感器冲击电流计算软件的核心算法研究

论文总字数：19014字

摘 要

电压互感器连接着电力系统的一次系统和二次系统，并且起着测量和保护电力系统的作用，是电力系统中不可或缺的组成部分。雷电具有幅值大，波程短，放能大等特点，对电力系统有极大的破坏性。在雷电过电压冲击下，传统的电磁式电压互感器会出现励磁饱和现象。在建立电压互感器模型的时候就必须考虑铁芯的非线性问题。

本文对雷电过电压进行分析，得到了雷电过电压的数学表达式,介绍了电压互感器的基本原理，利用实验测量得到是电压互感器的相关数据确定了电压互感器的模型。利用Visual C 实现了雷电过电压以及电压互感器的模型建立，并通过对雷电过电压下，输入输出特性的比较，证明了该算法的准确性。

关键词： 电压互感器；雷电过电压；Visual C ；非线性特性

Abstract

Voltage transformer is a bridge which connects primary system and secondary system.It`s also playing the role of a measurement and protection of power system. Voltage transformer is an integral part of power system.Thunder and lightning,with large amplitude,short wave rang,can put out a great deal of energy,is a great destructive for power system.The traditional electromagnetic voltage transformer will appear the excitation saturation phenomenon due to the Thunder and lightning.Voltage transformer is an nonlinear device and it`s must be considered when we modeling the transformer.

We get the mathematical expressing of lightning over-voltage,during analyzing the lightning over-voltage.In this paper, it`s introducing the b basic principle of voltage transformer.We obtain the experimental measurement of voltage transformer and build the model of voltage transformer. Using the powerful features of Visual C to establish the lightning over-voltage and voltage transformer model. We compare the characteristics of input and output,and prove that this computing method is very accurate on this occasion.

Key words: Voltage transformer; Lightning over voltages; nonlinear

目 录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 课题提出的背景和意义 1

1.3 国内外研究现状 2

1.4 本文的研究目的和主要研究内容 3

第二章 雷击过电压的产生及雷电流建模 5

2.1雷击过电压形式 5

2.2 雷击过电压的产生 5

2.3 雷电流的数学模型 6

2.4本章小结 7

第三章 雷电过电压下互感器冲击电流计算 9

3.1 电压互感器的介绍 9

3.2电压互感器等效模型的建立 10

3.2.1 引言 10

3.2.2 铁芯模型 10

3.2.3 电压互感器模型 12

3.3 电压互感器参数的选取 14

3.4基于c 的互感器冲击电流的计算 19

3.5 本章小结 23

第四章 结论与展望 24

致谢 26

参考文献 27

第一章 绪论

1.1 引言

二十一世纪以来，人类的生活与生产对电力的依赖性越来越强烈。远距离输电的实现照亮了整个地球，人类的生活也得到了飞跃性的改善。然而雷击会严重影响电力系统的稳定运行，如果不能及时发现并处理，造成的破坏可能是毁灭性的。如今，大部分电力系统通过电压互感器来监测电力系统的实时运行情况。被雷击时，互感器测量值的变化，直接关系到系统是否能对雷击做出正常的动作。

1.2 课题提出的背景和意义

随着社会的不断发展，人们对电力的依赖越来越严重，对电能的需求也越来越强。对于处于经济飞速发展中的中国，对电力的需求更为明显。中国对电力的需求量正以每年15%的增长率飞速提升，因此，各地不得不加快对大型发电站的建设。由于中国的地理因素和经济因素，一次能源的分布和负荷中心的分布及其不均匀。一次能源主要分布在我国的西北地区，然而负荷却主要集中在我国的东南方，这促使我国建设了许多长距离高电压等级的输电线路。然而随着输电线路电压等级越来越高，输电线路上杆塔的高度也越来越高，这增加了雷击输电线路和杆塔的概率。

雷电流有着十分巨大的机械、电磁和热效应，会对电力系统及其设备造成十分严重的破坏。雷电击中物体将会有冲击电流流过被击物体，冲击电流会破坏电力设备的绝缘性能；雷电流还可能使物体爆炸，导致金属物体温度过高尔融化，不能正常工作；雷电击中输电线路，可能入侵变电站并在站内发生反复的折射，在设备上产生高幅值的过电压，使设备的绝缘性能下降，造成停电事故。二十世纪以来，国内外有关变电站、通信站等受到雷电冲击的影响而损坏的事例时有发生，给供电公司带来了巨大的经济损失，还有可能造成人员伤亡。根据不完全统计显示，雷电造成的电子设备故障占日本总电子故障的6%，美国年也会发生很多由于雷击造成的计算机损坏事件，在1984年到1985年间，德国有113台电力设备因为雷击而损坏。在1998年到2001年间，我国总共发生了56次重大的雷电自然灾害，绝大部分都发生在4--8月。造成14409.8万元的直接经济损失，平均每次经济损失达到了257.3万元之多。

目前，国内主要的防雷措施有架设避雷线和安装避雷器。避雷线与大地相接，保持地点位，能够增加导线的对地电容，导线的对地电位因此得到降低。当雷击线路时，避雷线起到了电磁屏蔽的作用，能够降低线路上的感应过电压。安装避雷器是配电网中防雷的主要措施。避雷器可以限制过电压的幅值，而且可以吸收雷击闪络后释放的电能，限制工频续流。看似很完备的防雷措施，但是事实上每年还是有很多事故是由雷击引起的，研究表明如果放置避雷器的位置不对，避雷器的参数选择上出了问题，也会导致事故的发生。因此防雷措施不仅仅从一次侧考虑，还需要和二次设备进行很好的配合，对避雷器放置地点，各个参数进行多方位的优化，才能更好的防止雷击事故的发生。

电压互感器是连接一次设备和二次设备的良好桥梁，其主要安装在电网每个重要的节点上，向二次设备提供一次设备的数据信息，让工作人员可以实时对一次系统进行监控。当雷击电压互感器附近电路时，由电压互感器测得的一次侧数据会发生明显的改变，研究雷击线路时，电压互感器测得数据的变化情况可以很清晰的分析出雷电流的情况，也可以真实反应雷击时电压互感器发生的变化，从电压互感器结构入手，防止在雷击情况下，电压互感器发生损坏。

1.3 国内外研究现状

几十年以来，国内外的专家学者对电压互感器进行了大量的研究，研究的内容主要包括理论分析、动模实验以及利用计算机进行仿真计算，从各个角度解释了电压互感器的工作原理以及损坏机理^[1]。通过动模实验来分析电压互感器中的暂态过程来获得电压互感器的一般暂态规律，该方法能够最直接也最真实的反应电压互感器内部的情况，与实际十感器建立数学模型并计算了高压臂电容；进行了嵌入式监测系统的设计，完成了对输电线路雷击参数进行实时在线监测^[2]。其监测系统主要由前置电路、数据采集、监控模块和无线电通信部分组成；提出了输电线路电流行波在线监测系统。文献[7]对雷击线路作了很全面的分析，还设计了雷电在线监测系统，为雷击线路电流行波有了很好的数据依赖，对以后进一步的分析有了很好的理论基础和数据基础。在文献[11]中，对电压互感器的铁磁谐振特征和谐振产生的机理进行了理论分析，对电压互感器高压保险熔断现象进行理论分析，发现了其发生熔断的真正原因。并提出了抑制方案，通过数学方法论证了方案的有效性。对电压互感器进行了数字仿真^[6]，正确的反映出电压互感器非线性特性对系统的影响。对电压互感器相关问题进行了物理动模实验，以10KV电网为模型基础，配备了相关的实验设备。在该实验系统中，实验者对铁磁谐振和保险熔断问题的抑制方案进行了试验研究，并和数字仿真结果进行了比较。上述研究对雷击和互感器机理进行了深入的研究和仿真验证，由于以前对互感器的研究方向主要集中在其损坏机理的研究^[9]，和对电压互感器的保护进行了各种合理的试验，对雷电的分析主要集中在雷击线路，对绝缘的影响和对线路杆塔的影响以及雷电流行波的研究。由于没有结合雷击和互感器一起进行研究，所以有一定的局限性，不能准确反映一次侧在受到雷击时，二次侧数据的变化情况，由于没有足够的数据，不能对雷击事故进行准确的分析，提出合理的解决方案。国内外对电压互感器建模的研究主要分为线圈建模和铁芯两个部分。线圈的模型是线性的，铁芯部分的模型是非线性的，线圈和铁芯模型的参数又和频率相关。在频率特别高的情况下，铁芯的非线性特性以及对电压互感器的传递函数影响特别小，可以忽略不计。在频率比较低的时候，铁芯的非线性特性又一定要考虑在内。

以前对电压互感器等效电路模型的建立主要是考虑到电压互感器的结构和物理材料等问题，从而计算出一次侧和二次侧绕组的电阻、电感及其他的物理量。然后通过这些元器件的电气连接来建立的模型。虽然这样建立的模型物理意义十分清晰、简单直观，但是这个模型有一个很大缺陷就是在高频的时候不适用。因为在高频时，电压互感器会存在杂散电容。

1.4 本文的研究目的和主要研究内容

为解决以上提出的问题，本文主要进行了下面几方面的研究工作：

对雷电压产生机理进行了理论分析。对雷电压的极性进行了一系列数据分析，得出了雷电压主要以负极性的形式存在。分析了雷电流的产生的过程，并且对雷电流的组成形式也进行了深入的探究。

对雷电压进行了模拟数学建模。得出了雷电流一般的标准波形，对雷电波进行了分解，用数学的方法得出来了雷电压的一般表达试，并考虑到一些实际的情况，对雷电压表达式中的参数进行了确定，这样就能够准确的对雷电压进行数字上的计算，以及对雷电压特征的描述。

对电压互感器进行了数字建模和电压互感器参数的选取。首先，对电压互感器的铁芯进行了分析，用实验的方式测量得到了铁芯的磁滞回线，运用优化算法，得出铁芯电压和电流的关系式，供下面的编程使用。对电压互感器的线性特性以及非线性特性进行建模，在频率较低的情况下对电压互感器的一次侧电阻，一次侧漏电感，二次侧电阻以及二次侧漏电感以及电压互感器的变比进行模型的建立，以及二次侧参数归算到一次侧。在高频情况下，考虑到电压互感器励磁特性的饱和以及杂散电容的存在，通过对电压互感器电路器件时域到频域的转化以及参数的转换，完成对电压互感器的建模。并用优化算法求出个电路原件的初值。

对雷电冲击条件下，电压互感器冲击电流的变化进行了计算。以雷电冲击电压为一次侧的输入数据，施加在非线性的电压互感器的模型上，以时间为横轴，分别求出每个时间节点时，输入量和输出量及雷电冲击过电压和二次侧电压的值，通过足够多的取点最后得到输入量与输出量的变化曲线。再和实际实验测量得到的数据进行比较，验证算法的正确性。

第二章 雷击过电压的产生及雷电流建模

2.1雷击过电压形式

电力系统中的雷击过电压形式可以分为直击雷过电压和感应雷过电压这两种过电压的形式。按照雷击输电线路上的部位的差异，直击雷过电压则可以分为下面两种情况。一种是雷击线路杆塔或者避雷装置的直击雷过电压，此时杆塔遭受雷击后,由于雷击点阻抗的存在和雷电流的存在，使得该点对地电位迅速升高，形成高压冲击波。当线路上的绝缘不能承受雷击点与导线之间的冲击电压就会使得导线发生闪络，从而在线路上出现过电压。由于是雷击先击中杆塔再使导线上出现过电压，这常常被称为反击过电压。而另外的一种是雷击直接击中导线，使导线上出现过电压，这种称为绕击过电压。雷电感应过电压是指雷电击中线路附近的空气或者土地时,在雷电释放电荷的过程中，雷击造成线路周围的电磁场发生了巨大，就会在线路上感应出和雷电流极性相反的雷电过电压。其感应过电压的幅值和波形则根据导线型号和雷电参数来确定。

2.2 雷击过电压的产生

雷电是一种大气放电的现象。地面上的水受热蒸发成为水蒸汽，水蒸汽随着地面的热气流上升到高空中，最后遇到冷空气变成雷云。雷云所带的电荷基本上是负极性的，它会和大地发生电磁感应现象，使大地表面感应出大量的正电荷，形成一个十分大的电场，当这个特殊的电场达到一定强度的时候，雷云就会放电，形成雷电。在雷云刚刚开始放电的时候,有一个向大地慢慢前进的先导放电过程,当线路处于雷云与先导通道的电场中时,由于静电感应现象的存在,沿着导线方向的电场强度将把导线上和雷云异号的正电荷吸引到靠近先导通道的一段导线上形成束缚电荷,导线上的负电荷则雷云电荷的排斥作用而使其向导线两端运动,经线路的泄漏电导和系统的中性点而流入大地。先导通道的变化是比较缓慢的,所以在导线上电荷的相对运动过程也十分迟缓,不能够形成雷电流。同时由于对地泄漏电导的存在,导线的电位将会与远离雷云处的导线的电位相同。当雷云开始对附近地面和空气放电时,先导通道中的负电荷被雷云放电电荷迅速中和,因此先导通道产生的电磁场也快速的减弱,使之前被束缚在导线上的电荷不再被束缚，成为了自由电荷,沿着导线两侧开始运动形成感应雷过电压。这种由于先导通道中电荷所产生的静电场突然消失而引起的感应电压称为感应雷过电压的静电分量,其电压幅值可能很高。同时,雷电通道中的雷电流在通道周围空间建立了强大的电磁场,此电磁场的变化也将使导线感应出很高的电压,这种由于先导通道中雷电流所产生的磁场变化所引起的感应电压称为感应雷过电压的电磁分量。由于主放电通道是和导线相互垂直的,所以两者间的互感不大,即电磁感应不大,因此电磁分量要比静电分量小得多。通常感应雷过电压的静电分量和电磁分量出现最大值的时刻并不相同,所以在总的感应雷过电压幅值的构成上,静电分量起主要作用。

2.3 雷电流的数学模型

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