一种仿真暂态下电压互感器支路过流的方法与流程

本发明涉及电压互感器
技术领域：
，更具体地，涉及一种仿真暂态下电压互感器支路过流的方法。
背景技术：
：我国的配电网经常出现高压电能计量装置故障的情况，特别是在电压互感器支路上，高压熔断器的异常动作频繁发生，影响供电可靠性，危及电网安全。目前，国内针对此故障已开展了一定的研究，但并未找到问题的根本原因。有人提出了支路故障的主要原因是铁磁谐振，但发生铁磁谐振现象的电压互感器均处于y形接线方式下，在v形接线方式下，系统中并不构成类似的谐振回路。也有将支路故障归结于操作过电压，数倍的过电压会对电压互感器的绝缘带来冲击，但单纯电压数值的增大，无法在支路上激起安培以上量级的过电流，难以引起高压熔断器的动作。传统的分析方法均是基于电压互感器的励磁特性，即磁链和电流的关系，建立出电压互感器的非线性电感模型，但这种非线性电感模型仅考虑了电压互感器的核心参数，在应对暂态过程、高频信号时存在较大局限性，无法反映电压互感器内部的电气量变化情况，与互感器的实际运行状态存在较大差异。因此，需要一种新的模型建立、求解方法，来解决传统模型无法仿真暂态下电压互感器支路过流的缺陷。技术实现要素：针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于解决传统电感模型无法仿真暂态下电压互感器支路过流缺陷的技术问题。为实现上述目的，本发明提供一种仿真暂态下电压互感器支路过流的方法，包括以下步骤：步骤1，建立电磁式电压互感器对应的高频等效模型；所述高频等效模型包括一次铜耗电阻、一次励磁电感、一次铁耗电阻、电压互感器的绕组与屏蔽层之间的杂散电容、一次漏电感、二次漏电感、二次铜耗电阻以及折算负载；步骤2，考虑电磁式电压互感器内部的电磁暂态现象，在所述高频等效模型的基础上，将电压互感器离散为n个细分结构，建立电磁式电压互感器的分布参数等效模型；步骤3，根据电磁式电压互感器的分布参数等效模型以及电磁式电压互感器的结构参数建立仿真物理模型，逼近电压互感器的绕组与屏蔽层之间的杂散电容值，所述杂散电容值包括屏蔽层与电压互感器两端绕组细分结构的之间的杂散电容值、屏蔽层与电压互感器两端绕组之外的细分结构之间的杂散电容值；步骤4，以配电网为基础，采用电磁式电压互感器的分布参数等效模型、电压互感器的励磁特性以及所述杂散电容在电磁暂态分析软件中建立仿真模型，仿真非同期合闸时电压互感器的支路过流情况，确定电压互感器的支路过电流峰值。在一个可选的实例中，所述一次铜耗电阻根据电压互感器的直流试验结果得到；所述一次励磁电感根据电压互感器的交流试验励磁曲线得到；根据二次侧输入阻抗折算至一次侧可得到折算负载。在一个可选的实例中，所述n个细分结构中，各个细分结构的一次铜耗电阻、一次励磁电感、一次铁耗电阻、一次漏电感、二次漏电感、二次铜耗电阻以及折算负载均为所述高频等效模型中各个对应参数的1/n。在一个可选的实例中，根据电磁式电压互感器的分布参数等效模型以及电磁式电压互感器的结构参数建立仿真物理模型，逼近电压互感器的绕组与屏蔽层之间的杂散电容值的过程中，需要引入约束条件，所述约束条件包括绕组各个细分结构的电位和屏蔽层电位。在一个可选的实例中，所述步骤3具体包括：将电压互感器绕组整体离散为n个细分结构；根据电压互感器的结构尺寸，在ansoftmaxwell软件环境中建立包括绕组、屏蔽层、铁芯以及绝缘填充的物理模型；在ansoftmaxwell软件环境中，设置为静电场求解方式，经多次迭代计算，得到预设精度的杂散电容计算结果。在一个可选的实例中，所述预设精度为1％。总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明提供的仿真暂态下电压互感器支路过流的方法，可以准确反映出高频下互感器的暂态特性，解决了传统互感器模型无法仿真暂态下互感器路支路过流的缺陷，对电压互感器的设计以及其运行可靠性具有重大意义。在实际工程过程中，根据仿真的电压互感器的支路过流值，选取对应额定电流值大于过流值得高压熔断器，有效降低了高压熔断器的损坏率，降低了电压互感器的支路故障率。采用传统的电压互感器模型和互感器分布参数模型仿真，无法仿真出电压互感器的支路过流情况，因此无法根据支路过流值选取合适的高压熔断器，传统技术又不能不考虑经济，无限选取额定电流较大的高压熔断器，因此采用本发明提供的仿真暂态下电压互感器支路过流的方法，可以充分考虑经济和电压互感器的实际运行情况，提高电路的可靠性和稳定性，节约经济成本。附图说明图1为本发明提供的仿真暂态下电压互感器支路过流的方法的流程图；图2为现有电磁式电压互感器的典型结构示意图，图2a为正视图，图2b为左视图；图3为本发明提供的电磁式电压互感器的集中参数高频等效模型；图4为本发明提供的电磁式电压互感器的分布参数等效模型；图5为本发明提供的电压互感器的有限元模型；图6为本发明提供的某段10kv配电网络；图7为本发明提供的非同期合闸时电压互感器支路过电流分析示意图；图8为本发明提供的图7中过电流部分的局部放大示意图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为一次绕组，材料属性设置为铜，设置电位依次为10、9.5……0.5kv；2为铁芯骨架，纵向贯穿，材料属性设置为硅钢；3为绝缘填充，材料属性设置为环氧树脂，悬浮电位；4为圆筒状屏蔽层，材料属性设置为铝。具体实施方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。为了解决上述技术问题，本发明提供了一种计及屏蔽层容性支路的电磁式电压互感器分布参数建模方法，并基于该建模方法仿真暂态下电压互感器支路过流情况。该方法基于互感器的构造原理，根据元件类型的不同，选取不同的计算方式进行参数的求解。该方法将互感器从结构上抽象为许多细分结构单元，根据相关电路参数和设定的细分结构数量，建立电压互感器的分布参数模型，并根据相关模型参数的不同，选取不同的计算方法，实现对电压互感器分布参数模型的求解。该方法是基于互感器本体结构的模型，充分考虑了电压互感器绕组与屏蔽层间的杂散参数，可以更加精确的反映出电压互感器在高频、极高频下的内部暂态过程。在此模型的基础上，以一段10kv配网线路为例，建立了仿真模型，进而从电磁式电压互感器的杂散参数方面研究了互感器暂态特性，从根本上发现了电压互感器支路过电流的根源。图1为本发明提供的仿真暂态下电压互感器支路过流的方法的流程图，包括以下步骤：步骤1，建立电磁式电压互感器对应的高频等效模型；所述高频等效模型包括一次铜耗电阻、一次励磁电感、一次铁耗电阻、电压互感器的绕组与屏蔽层之间的杂散电容、一次漏电感、二次漏电感、二次铜耗电阻以及折算负载；步骤2，考虑电磁式电压互感器内部的电磁暂态现象，在所述高频等效模型的基础上，将电压互感器离散为n个细分结构，建立电磁式电压互感器的分布参数等效模型；步骤3，根据电磁式电压互感器的分布参数等效模型以及电磁式电压互感器的结构参数建立仿真物理模型，逼近电压互感器的绕组与屏蔽层之间的杂散电容值，所述杂散电容值包括屏蔽层与电压互感器两端绕组细分结构的之间的杂散电容值、屏蔽层与电压互感器两端绕组之外的细分结构之间的杂散电容值；步骤4，以配电网为基础，采用电磁式电压互感器的分布参数等效模型、电压互感器的励磁特性以及所述杂散电容在电磁暂态分析软件中建立仿真模型，仿真非同期合闸时电压互感器的支路过流情况，确定电压互感器的支路过电流峰值。具体地，本发明涉及的计及屏蔽层容性支路的电磁式电压互感器分布参数建模方法，主要包括以下步骤：步骤1，建立电压互感器的高频等效模型。图2是电磁式电压互感器的典型结构，其理论依据是法拉第电磁感应定律，将电网中的高电压按照一定比例转化为二次侧低电压。其中，图2a为电磁式电压互感器的主视图，图2b为电磁式电压互感器的左视图。如图2a和图2b所示，a1表示绕组内径，a2表示绕组长度，b1表示二次接线柱间距，b2表示绕组宽度。图2a中a和b代表一次绕组接线端子，a和b代表二次绕组接线端子。电磁式电压互感器的等效模型参数包括一次铜耗电阻、漏电感、铁耗电阻、励磁电感以及二次折算的铜耗电阻、漏电感和负载电阻等。在高频等效时，漏电感、铁耗电阻、二次铜耗电阻的作用可忽略不计；另外，互感器的绕组与屏蔽层间的杂散电容会对其频带产生一定的影响，研究其高频特性时不可忽略。那么，可得到电压互感器集中参数形式下的高频等效模型，见图3电磁式电压互感器的集中参数高频等效模型,其中r1、lm、rm、c、l1σ分别表示互感器整体的一次铜耗、一次励磁电感、一次铁耗电阻、杂散电容、一次漏电感，l2σ′、r2′、rl′分别表示二次漏电感、二次铜耗电阻、折算负载。步骤2，建立电压互感器分布参数等效模型：电压互感器的空间结构复杂，具有一定的分散性，随着互感器绕阻、屏蔽层的空间延伸，其互感、自感、电阻、杂散电容会发生变化，高频信号下互感器内部会出现电磁暂态现象，因此建立互感器的模型时应充分体现参数的分布性。在步骤1集中参数等效模型的基础上，将电压互感器离散为n个细分结构，每个细分结构有着与集中参数等效模型相似的模型结构，即为得分布参数等效模型，见图4电磁式电压互感器的分布参数等效模型，r1_i、lm_i、rl_i′分别表示第i个细分结构中的一次铜耗电阻、励磁电感、折算负载，ci表示第i个细分结构的杂散电容。1≤i≤n。步骤3，求解电压互感器的模型参数：根据步骤2得到电压互感器的分布参数等效模型，以下依次对等效模型中的一次铜耗电阻、励磁电感、折算负载、杂散电容进行求解。在一个实施例中，电磁式电压互感器的结构尺寸如下：根据电压互感器出厂时的直流试验结果，一次铜耗电阻为：r1≈6.29kω则细分结构中，电压互感器的励磁电感并不是固定不变的，随着铁芯的饱和一次绕组的电感量会减小，在建模过程中，常采用非线性电感来模拟励磁电感，在仿真软件中输入励磁特性即磁通-电流关系即可，该互感器的励磁特性(部分)如下：i/aflux/wbi/aflux/wb0.0001374.63660.00068240.91940.0002079.11570.00078944.73670.00033613.49570.00078547.59970.00039817.99280.00085849.35080.00046322.65300.00098351.79070.00052027.27510.00104754.08010.00059931.65060.00108456.2878设置负载电阻为：rl′＝10mω，细分结构中，对于杂散电容参数，由于其和互感器结构有关，传统计算方法已经不合适，故需建立有限元模型进行求解。采用结构细分逼近杂散电容存在形式的方法，将互感器绕组整体离散为n个细分结构，n可取为20。其中，逼近杂散电容的过程中，需要引入约束条件，约束条件包括绕组各个细分结构的电位和屏蔽层电位。根据互感器结构尺寸，在ansoftmaxwell软件环境中建立绕组、屏蔽层、铁芯、绝缘填充等结构的物理模型，见图5，图中1为一次绕组，材料属性设置为铜，设置电位依次为10、9.5……0.5kv；2为铁芯骨架，纵向贯穿，材料属性设置为硅钢；3为绝缘填充，材料属性设置为环氧树脂，悬浮电位；4为圆筒状屏蔽层，材料属性设置为铝。在ansoftmaxwell软件环境中，设置为静电场求解方式，经多次迭代计算，例如迭代次数可以为14次，得到1％精度的杂散电容计算结果为：屏蔽层与两端绕组细分结构的杂散电容值约为9.71pf，屏蔽层与其他18个细分结构的杂散电容值约为9.04pf。电压互感器支路上，高压熔断器的异常动作频繁发生，根据实际数据统计，电压互感器支路故障中，高压熔断器动作的占比超过50％。如图6所示为某段配电网络，在合闸过程中电压互感器支路过电流会出现多个过电流脉冲，且峰值能达到数十安培，使高压熔断器的异常动作频繁发生。以图6所示的配电网络为基础，在atp-emtp电磁暂态分析软件中建立起完整的仿真模型，研究电压互感器支路过电流的问题。使用常规互感器模型，即仅根据电磁式电压互感器的励磁特性建立出电压互感器集中参数模型仿真中，并未出现互感器支路过流的情况。若采用以上的电压互感器分布参数等效模型进行仿真：如图7非同期合闸时电压互感器支路过电流情况，图8是将图7中过电流情况的局部放大示意图，非同期合闸时电压互感器支路上出现多个电流脉冲，过电流峰值达到了28a，接近实际情况。为了防止电压互感器支路故障造成的高压熔断器损坏，可以换用额定电流较大的高压熔断器，在实际工程过程中，换用额定电流较大的高压熔断器确实降低了电压互感器支路故障率。比较传统的电压互感器模型和互感器分布参数模型仿真，互感器支路过流的情况仅出现在本发明分布参数模型中，符合实际现象。由此，本发明电压互感器分布参数模型的建立可以准确反映出高频下互感器的暂态特性，解决了传统互感器模型无法仿真暂态下互感器路支路过流的缺陷，对电压互感器的设计以及其运行可靠性具有重大意义。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12