电力系统暂态过电压数值计算与分析_李谦,周原,赵晓凤,江宇栋_9787519860974

过电压分析在输变电工程和设备设计优化、绝缘配合校验，以及故障分析和制定反措等方面起到越来越重要的作用，而过电压暂态数值计算分析使得重复性的数值试验成为可能，大大增进了对过电压暂态发展过程的理解，在过电压分析中扮演越来越重要的角色。
针对该基础性工作在供电部门和发电厂等电力系统运行单位比较薄弱的现状，作者采用通用过电压分析软件，在理论分析和合理建模基础上，对近年来广东电网乃至南方电网的近三十个过电压相关的故障仿真进行计算分析，为电网故障分析、反事故技术措施制定和绝缘配合校核等提供了有力的技术支持。
本书是广东电网有限责任公司电力科学研究院近年来开展过电压计算分析工作经验的总结，共分为9章，结合有代表性的案例分析，主要涉及雷电侵入波引起的外部过电压分析、电磁振荡引起的内部过电压分析，以及绝缘配合的优化等，也引入了连续雷击严苛工况下线路侧避雷器保护距离和能量吸收的校核、CVT在线路谐振条件下传变特性、隔离开关操作引发电磁暂态过程、500kV线路高压并联电抗器退运条件计算评价、架空输电线路感应电压和配电网TV低频振荡等近年来过电压与绝缘配合技术领域新内容。
本书以有代表性的现场故障案例分析作为特色，理论与实际结合紧密，图文并茂，具有较强的实操性，是国内介绍过电压计算分析方面较为贴近生产实际的科技图书。

过电压的产生往往与雷击、开关操作、故障或参数配合不当等原因导致的电力系统状态变化和暂态过渡过程紧密联系在一起，电力系统存在大量的电容和电感等储能元件，增大了激发持续性电压振荡的概率。电力系统的过电压种类繁多，其激发条件、机理原因、特性和影响因素各有不同，不同的过电压需要我们去认识和辨别，才能做到事件原因分析清晰，反事故技术措施或绝缘配合的优化做到有的放矢。
计算机技术和计算技术的发展，使得过电压暂态数值计算分析精确描述暂态发展过程的图像成为可能，过电压分析也从传统带经验的理论定性分析和求解析解或者经验公式的定量分析，向可重复进行数值试验的模式提升，大大增进了对过电压发展过程的理解。国内外出现了商业化的功能强大的软件，如 ATP-EMTP 和PSCAD/EMTDC 等专业软件，以及基于上述软件内核进行二次开发的专用软件，其计算速度与精度已得到普遍认可，电力系统复杂网络的过电压暂态数值仿真计算成为为输变电工程的设计、绝缘配合校核和故障分析服务的一个适用广、实用性强、使用便利且功能强大的数学工具，过电压暂态数值计算起到越来越重要的作用。过电压数值计算，以往多用于或服务于基建和设备制造的输变电工程的设计、设备制造过程中的产品优化和绝缘配合的校验等，而对于电力系统运行单位（包括供电部门和发电厂）则主要用于电网事故分析和反事故技术措施的制定。由于历史的原因，电力系统运行单位的过电压定量计算水平和过电压分析手段普遍偏薄弱，电网和设备事故的过电压分析及反事故技术措施制定所需的过电压分析通常依赖技术人员的主观经验，定性分析居多，主观因素影响大，针对性不强；由于缺乏过电压仿真计算手段，较复杂的过电压问题则依赖高校和大型科研单位，另外，由于缺乏过电压定量分析手段，也使得反事故技术措施和绝缘配合优化的制定难以做到有的放矢，难以达到科学和精益化的效果，越来越不适应电力系统向高电压、大容量、复杂化的发展要求。
现有过电压计算软件对技术人员的经验要求高，对于缺乏长期使用经验的电力技术人员而言，面临着难以准确简化设备和系统模型、难以考虑所有可能工况和故障类型等难题，在过电压暂态计算实践中，由于分析模型的搭建，电气元件的模拟和参数的选取，以及计算条件等方面存在差别，导致过电压软件的应用水平参差不齐，应用深度也差别较大，常常出现即便有了过电压数值计算软件并熟悉使用，但模型存在问题，使得计算结果存在较大的差异，算不准的问题一直困扰着电力系统的技术人员。为解决电网企业过电压技术支持水平薄弱的问题，编著者在理论分析和合理建模基础上，采用现行通用过电压分析软件，解决广东电网乃至南方电网 30 多起过电压计算及风险评估问题，丰富了事故分析手段，使事故分析工作上升到定量分析层次，填补广东电网过电压定量分析手段的空白，为电网故障分析、反事故技术措施制定和绝缘配合校核等提供了有力的技术支持。
本书是广东电网有限责任公司电力科学研究院近年来开展过电压计算分析工作经验的总结，结合有代表性的案例分析，介绍了电网过电压分析中基于原理性分析的建模方法和分析方法，既涉及雷电侵入波引起的外部过电压分析、电磁振荡引起的内部过电压分析，以及绝缘配合的优化等一些传统的过电压分析案例，也引入了近年来引起关注的一些过电压与绝缘配合领域新内容，如连续雷击严苛工况下线路侧避雷器保护距离和能量吸收的校核、CVT 在线路谐振条件下传变特性、隔离开关操作引发电磁暂态过程、500kV 线路高压并联电抗器退运条件计算评价、架空输电线路感应电压和配电网TV 低频振荡等新热点问题。
全书共分为9 章，第1 章介绍过电压暂态数值计算，包括电力系统过电压、过电压暂态计算、过电压计算工具、过电压暂态数值计算流程和内容，以及电气元件的模拟；第2 章介绍变电站雷电侵入波过电压分析和绝缘配合优化，包括变电站雷电侵入波防护、110kV 线路侧电流互感器雷电侵入故障分析、连续雷击工况下线路侧避雷器保护距离校核和 220kV 线路雷电侵入故障分析及绝缘配合优化；第3 章以某500kV 线路高压并联电抗器中性点避雷器热崩溃故障为例，介绍连续雷击工况下线路侧避雷器能量吸收分析校核；第4 章以某500kV 线路保护误动作跳开线路事件为例，介绍 CVT 在线路谐振条件下传变特性分析；第 5 章以某500kV 变电站隔离开关操作引起断路器均压电容爆炸事件为例，介绍开关操作引发的电磁暂态过程断路器仿真计算；第6 章以某20kV 配电电缆联锁跳闸故障为例，介绍分析配电网弧光接地过程；第 7 章以某配电网电磁式电压互感器（TV）熔丝烧毁故障为例，介绍配电网TV 低频振荡及其抑制措施的仿真分析；第8 章给出了500kV 线路高压并联电抗器退运条件计算评价，以及某500kV 线路临时跳通方式下内部过电压计算分析；第9 章介绍了过电压仿真在架空输电线路感应电压计算中的应用，指导运维检修的实践。
本书的内容尽量参考和引用国内外的规程、规范和研究成果，可供过电压与绝缘配合专业技术人员开展过电压计算分析参考，也可作高等院校电气类专业的参考书。
本书由广东电网有限责任公司电力科学研究院编著，李谦教授级高级工程师参与或完成第1、2、3、6、7 章的编写，周原高级工程师参与或完成第2、4、5、8章的编写，赵晓凤工程师参与或完成第2、8、9 章的编写，江宇栋博士参与第2、3、6、7 章的编写。
本书编写得到了华中科技大学林福昌教授、李化教授，华南理工大学韩永霞副教授，广东电网有限公司电力科学研究院丘映丹、宋坤宇、李歆蔚等的大力支持，广州中光电气科技有限公司实验场地和实验支持，对他们的贡献，作者表示由衷的感谢。
本书的编写参考和引用了清华大学、武汉大学、重庆大学等单位的大量相关论文、书籍和技术报告，并列入参考文献中，在此深表谢意。另外，还有很多同行为本书的编写提供了资料和意见，在此一并致以诚挚的谢意。本书历时两年完成，期间得到了家人的大力支持和理解，谨以本书的出版回报他们的关爱和付出。
由于编者水平有限，难免有不足和错误之处，恳请读者多提宝贵建议和批评。
编著者
2021 年10 月

前言
第1 章过电压暂态数值计算·
1.1 电力系统过电压
1.2 过电压暂态计算····
1.3 过电压计算工具·······
1.4 过电压暂态数值计算流程和内容········
1.5 电气元件模拟··
1.6 本章小结··········
第2 章变电站雷电侵入波过电压分析和绝缘配合优化···········
2.1 变电站雷电侵入波防护···9
2.2 某110kV 线路侧断路器B 相电流互感器雷电侵入故障分析·····················52
2.3 连续雷击工况下线路侧避雷器保护距离校核···········
2.4 某220kV 线路雷电侵入故障分析及绝缘配合优化·
2.5 本章小结············
第3 章连续雷击工况下线路侧避雷器能量吸收分析校核·········
3.1 连续雷击侵入波对变电站设备的影响··········
3.2 某500kV 线路高压并联电抗器中性点避雷器热崩溃故障·························96
3.3 仿真建模·······
3.4 计算结果分析·
3.5 高压并联电抗器中性点避雷器故障原因分析············
3.6 本章小结······················································
第4 章电容式电压互感器传变特性变化引起保护误动作分析·····························132
4.1 输电线路电磁振荡过程················································································132
4.2 某500kV 线路保护误动作跳开线路事件···················································133
4.3 仿真建模和计算结果分析············································································135
4.4 CVT 在线路谐振条件下传变特性分析·······················································154
4.5 本章小结········································································································162
第5 章开关操作引发的振荡过程导致设备故障分析·············································164
5.1 开关操作引发的电磁暂态过程····································································164
5.2 某500kV 变电站隔离开关操作引起断路器均压电容爆炸事件················164
5.3 仿真建模和计算结果分析············································································165
5.4 本章小结········································································································179
第6 章配电网弧光接地造成电缆联锁跳闸故障分析·············································181
6.1 配电网弧光接地过程····················································································181
6.2 某20kV 配电网弧光接地过程电缆联锁跳闸故障·····································181
6.3 仿真建模和计算结果分析············································································185
6.4 本章小结········································································································192
第7 章配电网电磁式电压互感器低频振荡分析·····················································193
7.1 配电网电磁式电压互感器低频振荡····························································193
7.2 某20kV 配电网TV 低频振荡引起TV 熔丝烧毁故障·······························196
7.3 建模和计算结果分析····················································································200
7.4 配电网TV 低频振荡抑制措施仿真分析·····················································212
7.5 本章小结········································································································220
第8 章高压并联电抗器相关的线路过电压和潜供电流计算分析·························222
8.1 高压并联电抗器····························································································222
8.2 500kV 线路高压并联电抗器退运条件计算评价········································222
8.3 某500kV 线路临时跳通方式下内部过电压计算分析·······························238
8.4 本章小结········································································································245
第9 章架空输电线路感应电压仿真计算分析·························································247
9.1 输电线路感应电压························································································247
9.2 仿真计算建模································································································249
9.3 仿真计算结果及分析····················································································259
9.4 本章小结········································································································261
参考文献·························································································································262

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