分析变电站空载负载测试仪试验
1 引言
长期以来,我国一直把继电保护等二次设备安装在变电站主控楼内。将这些二次设备下放到变电站开关场内,不仅可以把电流、电压信号就地信息化,而且具有重要的经济价值。在三峡输变电建设工程中将有一批500 kV变电站的二次设备下放到开关场内。
制约二次设备下放的一个重要技术问题是电磁干扰(EMI)问题,一些发达国家特别是美国电力科学研究院(EPRI),近二十年来对此问题进行过较为深入的研究[1]。而国内的研究只处于起步阶段。
分析变电站空载负载测试仪试验,根据国内外经验,变电站二次设备较严重的干扰源主要有:变电站开关操作、短路故障、辐射电磁场以及自然界的雷电作用。其中尤以用断路器和隔离开关切、合短空载母线产生的EMI*为严重。此时,母线上产生的电磁波过程不仅通过传导耦合,而且通过空间电磁场辐射耦合到二次设备。所以为了研究空载母线波过程产生的辐射电磁场,首先应计算母线上的波过程。
国内外输电线路波过程的分析、计算方法已近成熟[2],但对于变电站空载母线的波过程计算方法的研究报道极少。本文采用多导体传输线(MTL)理论建立了变电站空载母线波过程的计算模型,讨论了求解MTL的时域有限差分(FDTD)法,对无损耗、无负载的变电站空载母线波过程进行了数值分析,计算结果可用于变电站开关场内二次设备EMI问题的研究。
2 多导体传输线的基本方程
均匀MTL模型如图1所示[3]。对于非均匀MTL,一般可以分段均匀化,然后按照均匀MTL处理[4]或按照卷积-特征线方法处理[5]。
MTL模型可用时域电报方程描述如下[4]
式中 z轴为传输方向;V、I分别为线上z点时刻t的电压和电流列矢量;VF、IF分别为z处时刻t的激励电压源和电流源列矢量;L、C、R、G分别为MTL的单位长电感、电容、电阻和电导矩阵。这些分布参数矩阵可以通过电磁场方法根据MTL几何尺寸和媒质参数计算。
3 MTL的FDTD法
FDTD是一种应用非常广泛的电磁场数值计算方法[6],所需内存少、易处理复杂物体、算法简单,特别适于电磁场的时域分析。Paul教授首先应用FDTD法对无分支的MTL进行了计算,并与实际测试进行了比较,取得较好的计算结果[7]。
将MTL按图2进行离散,沿线电压离散为NDZ+1个点,沿线电流离散为NDZ个点。时域电报方程(1)和(2)通过空间-时域差分近似离散为:
(4)
式中 Δz为沿线空间步长,Δt为时间步长;下标表示空间位置点,式(3)中k取1到NDZ的整数,式(4)中k取1到NDZ+1的整数;上标为时间序列,n为自然数。电压量上标为零、电流量上标为1/2时表示初始值,始端边界条件I0=0,INDZ+1=0。显然,式(3)和(4)为一组空间-时间差分方程,可以采用迭代法求解。迭代过程采用如图3所示的跳蛙式方法[7],依次对电流、电压进行计算。
为了保证算法稳定,要求△t≤△z/v。其中v为电磁波在MTL中传播的*大模式速度,可用MTL模式分析法获得[3]。
图3 FDTD迭代过程
4 FDTD算法验证
在输电线路波过程分析中,多采用Bergeron法。由于该法将传输线等效为诺顿电路或戴维南电路,按电路理论进行计算[2,4],所以只能求解节点处的电压和电流波过程。对于传输线上的某一离散点,应人为设置一个假想的节点,因此难以求解传输线上所有离散点的电压和电流波过程。
为验证FDTD法的有效性,分别应用FDTD法和Bergeron法计算图4所示三导体无损耗传输线的串音问题,其中,VS2为单位阶跃电压源,RS1、RS2、RL1、RL2分别为50Ω,线长0.5m,初始条件为零,其单位长电感和电容矩阵可计算得:
图4 两线串音问题
图5分别为FDTD法和Bergeron法的计算结果,其中曲线A、B、C和D分别为图4中相应的四点的电压波形。
从图5可以看出,FDTD法和Bergeron法所得结果基本吻合,只是FDTD法产生了一些毛刺,但不会导致大的误差。
图5 FDTD法Bergeron法计算结果比较
5 变电站空载母线的波过程计算
分析变电站空载负载测试仪试验图6为某变电站500kV空载母线简化模型,其中只考虑一组母线和引线,且母线上不带负载,忽略线路和构架的影响。L2、L3为母线,L1为引线,L1=50 m,L2=90 m,L3=50 m,h=16 m。母线间隔6.5 m,引线间隔8 m。母线采用LGJQT-1400型特种轻型钢芯铝绞线。在模型中,忽略母线间的临近效应和两端的边缘效应,且设母线无损耗,大地为无限大完纯导体平面,其母线单位长电感和电容矩阵分别为