電壓分布計(jì)算

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，在變壓器設(shè)計(jì)中，電壓等級(jí)小于35kV的變壓器在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)可以不考慮過電壓下的繞組的波過程。但是，對(duì)于110kV及以上電壓等級(jí)的大變壓器，過電壓下的繞組波過程就需要進(jìn)行計(jì)算，并且要根據(jù)計(jì)算結(jié)果選取合適的導(dǎo)線及繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行變壓器繞組的繞制。

電壓分布計(jì)算繞組波過程簡介

變壓器繞組在沖擊電壓作用下產(chǎn)生的過電壓主要是由繞組內(nèi)部自由震蕩過程和繞組之間的靜電或電磁感應(yīng)過程所引起的，我們將這兩個(gè)過程稱為變壓器繞組的波過程。

變壓器實(shí)際運(yùn)行情況表明，過電壓中的雷擊過電壓使變壓器絕緣損壞所占比例是很大的。也就是雷電沿著輸電線侵入變電所內(nèi)的變壓器，使變壓器繞組上受到?jīng)_擊電壓作用，在變壓器繞組上產(chǎn)生復(fù)雜的電磁過程。這種過程將在繞組匝間、層間、餅間及繞組與繞組之間和繞組對(duì)地部件間引起過電壓。因此，通過研究變壓器繞組在過電壓下波過程，可搞清楚不同繞組結(jié)構(gòu)、不同排列方式及不同聯(lián)結(jié)方式下的電位梯度分布情況，從而找到繞組的薄弱點(diǎn)，進(jìn)而為設(shè)計(jì)者提供合理的絕緣數(shù)據(jù)，這對(duì)提高變壓器的可靠性具有非常重要的意義。

由于沖擊過電壓可視為頻率很高的波，因此，在沖擊波過程作用下，變壓器繞組可以被看作是一個(gè)由電容、電感和電阻串并聯(lián)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。但在沖擊波開始作用瞬間，相當(dāng)于極高頻率的電壓波作用在繞組上，電感相當(dāng)于開路，而由于繞組電阻十分小，可忽略，因此繞組波過程就相當(dāng)于由電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。雖然在沖擊波作用的發(fā)展過程中，頻率逐漸降低，電阻、電容、電感將同時(shí)起作用，但通過大量的沖擊測量結(jié)果和計(jì)算表明，按電容等效電路（ 如圖1）分析波過程還是可行的，進(jìn)行變壓器的計(jì)算和設(shè)計(jì)也是能夠達(dá)到要求。

電壓分布計(jì)算簡易雷電沖擊軟件的設(shè)計(jì)

從上面的分析可以看出，雷電沖擊的波過程對(duì)于電壓等級(jí)較高的變壓器繞組電位梯度的影響還是很大的。最新頒布的國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1094.3-2003已將110kV及以上電壓等級(jí)的電力變壓器的雷電沖擊作為指定的例行試驗(yàn)。由此可以看出，雷電沖擊波過程計(jì)算是變壓器可靠性設(shè)計(jì)必須考慮的。

本計(jì)算軟件界面簡單，操作方便。在設(shè)計(jì)此軟件時(shí)，考慮到變壓器繞組的形式及其每一繞組中的連接形式，將每一繞組計(jì)算分為幾個(gè)段（考慮普通計(jì)算的需要，共分6段，其余備用，計(jì)算時(shí)可選擇段數(shù)），分別連接不同的繞組形式，包括連接式、內(nèi)糾結(jié)式、外糾結(jié)式、全糾結(jié)式、跨2餅內(nèi)屏蔽式、跨4餅內(nèi)屏蔽式。而每一繞組形式的雙餅數(shù)在界面上輸入，如圖2所示。

電壓分布計(jì)算研究結(jié)果

應(yīng)用該軟件計(jì)算得到的雷電沖擊波過程結(jié)果與手工計(jì)算的結(jié)果完全符合，在計(jì)算精度上比手工計(jì)算的要高。 采用此軟件的計(jì)算結(jié)果而設(shè)計(jì)的SFSZ9-36000/132變壓器已經(jīng)通過雷電沖擊試驗(yàn)，完全符合工程設(shè)計(jì)要求。該軟件可應(yīng)用于對(duì)雷電沖擊有要求的變壓器設(shè)計(jì)中。

光纖復(fù)合架空地線兼具通信通道和避雷線的功能，十多年來已在高壓輸電線路中得到了廣泛應(yīng)用。中國在 220 kV 及以上中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)中普遍采用兩根地線對(duì)稱架設(shè)方式，一根采用鋼絞(GJ)地線，一根采用光纖復(fù)合地線(optical fiber composite overhead ground wire，OPGW)。

輸電線路運(yùn)行過程中，導(dǎo)線帶有一定電壓，并通過一定的負(fù)荷電流，在其周圍形成強(qiáng) 烈的電磁場，架空地線處于該電磁場中，其上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電壓。若地線通過一定的路徑構(gòu)成閉合回路，如通過大地或兩地線間構(gòu)成回路，則會(huì)有感應(yīng)電流出現(xiàn)，產(chǎn)生損耗。感應(yīng)電壓、電流可分為電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)兩部分，見圖3。

據(jù)統(tǒng)計(jì) 220 kV單回線路的地線在逐塔接地方式下，感應(yīng)環(huán)流損耗約(5~10)萬kW·h/(百 km·a)，330 kV輸電線路約為(40~60)萬kW·h/(百 km·a)，500 kV 輸電線路約為(300~500)萬 kW·h/(百 km·a)；按照 0.2 元/(kW· h)來計(jì)算，一條 500 kV、100 km 長的線路一年將有大約(60~100)萬元的損失；美國765 kV輸電線路，其地線感應(yīng)環(huán)流損耗約為236.52萬kW· h/(百 km· a)，僅 765 kV 線路每年地線電能損耗費(fèi)用高達(dá)百萬美元，數(shù)額相當(dāng)可觀。按國內(nèi)電力總?cè)萘抗浪?，全國每年地線上的電能損耗將達(dá)百億千瓦時(shí)。因此有必要研究地線感應(yīng)電量及其影響因素，從而減小能量損耗。

電壓分布計(jì)算OPGW 地線感應(yīng)電壓分布的計(jì)算

330 kV 輸電線路一個(gè)絕緣分段內(nèi) OPGW 地線感應(yīng)電壓的等值計(jì)算網(wǎng)絡(luò)圖見圖4。 圖4中：Z_Li 為桿塔 i 和桿塔 i 1 間檔距內(nèi)地線的阻抗，R_gi 為桿塔 i的接地電阻，U_i(i 1)為桿塔 i 和桿塔 i 1 計(jì)間檔距內(nèi)的地線上的電磁感應(yīng)電壓。1、2、…、k、…、n為桿塔編號(hào)，其中，1~k 為每個(gè)絕緣分段內(nèi)桿塔編號(hào)，1~n為整條線路的桿塔編號(hào)。

EMTP 是電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)分析應(yīng)用最廣泛并得到普遍認(rèn)可的仿真軟件。雙回導(dǎo)線逆相序排列，反向換位時(shí)，地線分別為 3 km 首端接地和 6 km 中點(diǎn)接地時(shí)，使用 EMTP 程序計(jì)算 OPGW 地線感應(yīng)電壓分布，計(jì)算結(jié)果見圖5。由圖5可知，OPGW 的感應(yīng)電壓與分段長度及分段方式有關(guān)。

電壓分布計(jì)算地線感應(yīng)電壓的影響因素

研究結(jié)果表明，桿塔接地電阻對(duì)地線感應(yīng)電壓、環(huán)流及損耗影響不大，若 OPGW 逐基塔接地，則桿塔接地電阻的增大會(huì)抬高桿塔的塔頂電位。從地線感應(yīng)電壓的計(jì)算原理，可以推斷地線感應(yīng)電壓與地線的分段方式、接地方式、線路輸送潮流、導(dǎo)線的布置方式等因素有很大關(guān)系。根據(jù)現(xiàn)有輸電系統(tǒng)中地線普遍采用的接地方式和上節(jié)的計(jì)算分析結(jié)果，筆者以 GJ 地線和 OPGW 地線分段絕緣、首端接地為例，分析研究導(dǎo)線換位方式、導(dǎo)線排列方式、地線分段長度等因素對(duì) OPGW 地線感應(yīng)電壓的影響。

電壓分布計(jì)算研究結(jié)論

筆者對(duì)系統(tǒng)多種運(yùn)行工況下，330 kV 豐源—張村架空輸電線路 OPGW 感應(yīng)電壓沿線分布進(jìn)行了理論分析和仿真計(jì)算，并研究了 OPGW 感應(yīng)電壓的影響因素，得出以下結(jié)論：

1)當(dāng) GJ 地線和 OPGW 采用相同的分段絕緣、中點(diǎn)接地的接地方式，與首端接地和末端接地相比，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，OPGW 感應(yīng)電壓均保持在較低水平；

2)當(dāng)輸電線路采用反向換位時(shí)，與地線感應(yīng)電壓、比同向換位和不換位時(shí)的地線感應(yīng)電壓相比，OPGW 感應(yīng)電壓較?。?

3)當(dāng)雙回輸電線路采用逆相序排列時(shí)，地線感應(yīng)電壓要遠(yuǎn)小于同相序排列時(shí)地線感應(yīng)電壓；

4)當(dāng)?shù)鼐€采用分段絕緣、一端接地的接地方式時(shí)，地線絕緣端的感應(yīng)電壓幅值與絕緣段的長度近似成正比；對(duì)于該 330 kV 系統(tǒng)，斜率約為 13 V/km；

5)在桿塔接地電阻和導(dǎo)線配置不變的情況下，OPGW 感應(yīng)電壓與線路輸送容量基本成正比關(guān)系。 2100433B

電壓分布計(jì)算在變壓器正常工作運(yùn)行中至關(guān)重要。特別是變壓器線圈的絕緣必須能可靠地承受住大氣過電壓、長期工作電壓、操作過電壓和暫態(tài)過電壓的作用。分析變壓器線圈在遭受到?jīng)_擊電壓時(shí)產(chǎn)生電磁振蕩過電壓和感應(yīng)過電壓的原因，對(duì)電力變壓器波過程進(jìn)行計(jì)算與仿真，運(yùn)用波過程計(jì)算軟件進(jìn)行變壓器絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后指出波過程計(jì)算是變壓器縱絕緣設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。

通常以電壓整周期的均方根值來衡量電壓的大小，而工程上一般可取半個(gè)周期均方根值來計(jì)算電壓。電壓均方根值的離散計(jì)算公式如圖1 ：

其中，N：一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)；

Uk：第k點(diǎn)的電壓瞬時(shí)值。

電壓瞬時(shí)值的改變可以用表達(dá)式如圖2描述，

式中f（t）函數(shù)可能有各種各樣的變化，由此引起電壓瞬時(shí)值的多種改變。而對(duì)于短時(shí)脈沖函數(shù)時(shí)所造成的電壓幅值快速突變，一般不列入電壓均方根值變動(dòng)范疇。

均方根值電壓變動(dòng)特性U（t），簡稱電壓特性，是指沿基波半個(gè)周期及其整數(shù)倍求取的電壓均方根值隨時(shí)間變化的函數(shù)關(guān)系。

當(dāng)電源放電時(shí)(對(duì)外電路作功)，它等于電源的電動(dòng)勢減去電源內(nèi)阻上的電壓降，即

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