电力系统电磁暂态计算与EMTP应用

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电力系统电磁暂态计算与EMTP应用,有相关元件应用介绍和案例分析
普通高等教育“十二五”规划教材 电力系统电磁暂态计算 与EMTP应用 吴文辉曹祥麟编著 www.waterpub.c。mcn 内容提要 本书将EMTP工具与电力系统电磁暂态理论计算知识相结合,对ATP-EMTP在 电力系统电磁暂态中的仿真计算原理与应用做了详细介绍,尤其对 ATPDraw的应用做 了详细介绍。全书共分9章,第1章对电力系统电磁暂态进行了概述;第2章介绍了电 磁暂态计算用的电力系统设备模型;第3章对电磁暂态仿真程序EMTP原理进行了详 细介绍;第4章介绍ATP-EMTP的视窗接口程序 ATPDraw的应用基础;第5章阐述 了工频过电压计算及其仿真;第6章阐述了各种操作过电压计算及其仿真,第7章阐述 了雷电过电压计算及其仿真;第8章阐述了特快速暂态过电压计算及其仿真;第9章阐 述了高压直流输电的电磁暂态过程计算及其仿真。 本书可作为高等院校电气工程专业高年级本科生教材,也可供电气工程专业研究 生、电力工程专业技术人员和电力系统电磁暂态领域广大科研工作者参考。 图书在版编目(CIP)数据 电力系统电磁暂态计算与EMTP应用/吴文辉,曹祥 麟编著.一北京:中国水利水电出版社,2012.9 普通高等教育“十二五”规划教材 ISBN978-7-51700217-8 I.①电…Ⅱ.①吴…②曹…ⅢI.①电力系统一暂 态特性一电磁计算一计算机仿真一高等学校一教材Ⅳ ①TM74 中国版本图书馆CIP数据核字(2012)第230447号 普通高等教育“十二五”规划教材 电力系统电磁暂态计算与EMTP应用 作者吴文辉曹祥麟编著 出版发行中国水利水电出版社 (北京市海淀区玉渊潭南路1号D座100038) 网址:www.waterpub.com.cn E-mail: sales waterpub com. cn 电话:(010)68367658(发行部) 经 售|北京科水图书销售中心(零售) 电话:(010)88383994、63202643、68545874 全国各地新华书店和相关出版物销售网点 版中国水利水电出版社微机排版中心 排印规版印定 刷北京市北中印刷厂 格|184mm×260mm16开木19.25印张456千字 次2012年9月第1版2012年9月第1次印刷 数00013000册 价36.00元 凡购买我社图书,如有缺页、倒页、脱页的,本社发行部负责调换 版权所有·侵权必究 前 电力系统发生故障或进行操作时,系统的运行参数发生急剧变化,系统 的运行状态有可能急促地从一种运行状态过渡到另一种运行状态,也有可能 使正常运行的电力系统局部甚至全部遭到破坏,这个过渡过程称作电力系统 的暂态。电磁暂态过程分析的主要目的在于分析和计算故障或进行操作后可 能出现的暂态过电压和过电流,以便对电力设备进行合理设计。另外,调查 事故原因,寻找对策;计算电力系统过电压发生概率,预测事故率;检查电 气设备的动作责能,如断路器的暂态恢复电压和零点偏移;检查继电保护和 安全自动装置的响应等,都离不开电磁暂态过程的计算和模拟。 电力系统数字仿真是研究电磁暂态过程的重要方法,时域仿真研究中的 Bergeron模型经 Dommel实用化改进后,业已成功地应用于著名的EMTP当 中,广泛应用于电力领域的规划、设计、维护、运行和培训各部门。但 EMTP的严重不足在于对各种故障和操作进行暂态仿真前的预处理工作是相 当繁杂的,使许多电力工程专业技术人员望而生畏,迟迟不敢尝试,ATP- Draw解决了这个问题,它是建立计算模型用的人一机对话图形接口,是基于 Windows操作系统的ATP-EMTP程序的图形预处理程序,本书将EMTP工 具与电力系统电磁暂态理论计算知识相结合,对ATP-EMTP在电力系统电 磁暂态中的仿真计算原理与应用,尤其对 aTPDraw应用做了详细介绍。希望 该书能为初学者和喜欢EMTP的电力工作者打开一扇窗。 全书阐述严谨、脉络分明、内容丰富、文字精练,还有大量以ATP EMTP作为计算工具的举例和习题。 本书由吴文辉和曹祥麟编著,华东交通大学吴文辉完成了第1章、第3~ 9章内容的编写,参与了第2章部分内容的编写;广东电力设计研究院曹祥麟 完成了第2章大部分内容的编写并进行了统稿。 华东交通大学王勋教授和广东电力设计研究院李志泰教授级高工审查了 书稿并提出了宝贵意见,在此致以诚挚的谢意! 本书获得华东交通大学本科生规划教材基金的资助,得到中国水利水电 出版社的大力支持,在此一并表示感谢! 限于作者的水平和经验,书中难免有不当或错漏之处,诚请读者批评指 正,并请发送邮件至wwh7@ec]tu.jx.cn。 编者 2012年5月 目录 前言 第1章电力系统电磁暂态概述……… 1.1电力系统电磁暂态现象 1.2电力系统电磁暂态分析的目的 1.3电力系统电磁暂态研究的方法 11335 1.4电力系统电磁暂态的特点 1.5电力系统数字仿真………… 非 13 习题 19 第2章电磁暂态计算用的电力系统设备模型…………………20 2.1架空线路和电缆……… ………………………………………20 2.2电机模型 45 2.3变压器、互感器和电抗器模型 ………54 2.4母线 62 2.5断路器和隔离开关… 64 2.6避雷器… 69 2.7接地网 71 2.8铁塔和塔脚电阻 72 2.9空气间隙放电……………………………………………………………………77 2.10电晕… 85 2.11换流阀……………………………………………………………………90 习题……………………………………………………………………………………92 第3章电磁暂态计算程序EMTP 93 3.1EMTP简介 93 3.2单相暂态等值计算网络的求解 103 33多相暂态等值计算网络的求解 106 3.4带开关操作的网络解法 ·。...····· …114 3.5非线性元件的处理……………………………………117 36非零初始状态的确定 …122 3.7EMTP仿真计算的功能 128 习题 129 第4章 ATPDraw应用基础…… ……130 4.1: ATPDraw简介…………… 130 4.2 ATPDraw的主窗口 131 4.3 ATPDraw元件选择菜单…………………………………………………………148 4.4 ATPDraw的基本操作……………………………………………………154 4.5 ATPDraw仿真实例 ∴……157 习题 ………………………………172 第5章工频过电压计算………………………………………………………………173 5.1空载长线路的电容效应… ·,·,···,,非 …………………………173 52线路甩负荷引起的工频过电压 177 53单相接地故障引起的工频过电压…… 178 5.4自动电压调节器和调速器的影响………………………………180 5.5限制工频过电压的其他可能措施… 180 5.6工频过电压的EMTP仿真… ………181 习题 184 第6章操作过电压计算…… ………………………………185 6.1分闸操作过电压 ……185 合闸操作过电压 192 6.3暂态恢复电压计算… 200 6.4电容性冲击电流…… 214 6.5开断小的电感性电流 ………216 6.6变压器的冲击电流 218 6.7间歇电弧接地过电压 …225 习题… ………………………231 第7章雷电过电压计算 232 7.1雷电放电过程 232 7.2雷电流的波形 …233 7.3杆塔上的直击雷过电压计算 ………………………………236 7.4线路上的直击雷过电压计算…………… …239 7.5线路上的感应雷过电压计算 241 7.6波通过串联电感和并联电容 ………………………………243 7.7流经避雷器的雷电流计算 ·.······· ………………………………245 7.8被保护设备上的过电压计算… …247 7.9雷电暂态EMTP仿真……… ……………249 习题…… 258 第8章特快速暂态过电压计算 259 8.1特快速暂态过电压产生的机理 …………………………………………259 8.2特快速暂态过电压的特性 ………260 8.3特快速暂态过电压的影响因素…… 260 8.4特快速暂态过电压的防护 ………262 8.5等效模型及参数 ..262 8.6EMTP仿真分析… 263 习题………… …………268 第9章高压直流输电系统的暂态计算…………………………………………………269 9.1高压直流输电概述 269 9.2高压直流输电系统中换流器的数学模型 274 9.3高压直流输电控制系统的数学模型 …………278 9.4高压直流输电系统的暂态计算… 283 9.5 GIGRE直流输电标准测试系统的暂态响应特性… 292 9.6高压直流系统事故分析 295 习题…………………… 298 参考文就 299 第1章电力系统电磁暂态概述 1.1电力系统电磁暂态现象 电力系统稳态运行时,发电厂发出的功率与用户所需要的功率及电网中损耗的功率相 平衡,系统的电压和频率都是稳定的。但电力系统在运行过程中常常会发生故障或需要进 行操作,常见的电力系统故障有:雷击电力设备等雷害故障,短路、接地故障和谐振等电 气故障,断线等机械故障。常见的电力系统操作有: (1)断路器的投切操作,如合空载线路、合空载变压器、切空载线路、重合闸、甩负 荷等 (2)隔离开关的投切操作,如母线投切等。 电力系统发生故障或进行操作时,系统的运行参数发生急剧变化,系统的运行状态有 可能急促地从一种运行状态过渡到另一种运行状态,也有可能使正常运行的电力系统局部 甚至全部遭到破坏,其运行参数大大偏离正常值,如不采取特别措施,系统很难恢复正常 运行,这将给国民经济生产和人民生活带来严重的后果。 电力系统运行状态的改变,不是瞬时完成的,而要经历一个过渡状态,这种过渡状 态称为暂态过程。电力系统的暂态过程通常可以分为电磁暂态过程和机电暂态过程。 电磁暂态过程指电力系统各元件中电场和磁场以及相应的电压和电流的变化过程,机 电暂态过程指由于发动机和电动机电磁转矩的变化所引起的电机转子机械运动的变化 过程。 虽然电磁暂态过程和机电暂态过程同时发生并且相互影响,但由于现代电力系统规 模的不断扩大,结构愈益复杂,需要考虑的因素繁多,再加上这两个暂态过程的变化 速度相差很大,要对它们统一分析是十分复杂的工作,因此在工程上通常近似地对它 们分别进行分析。例如,在电磁暂态过程分析中,由于在刚开始的一段时间内,系统 中的发电机和电动机等转动机械的转速由于惯性作用还来不及变化,暂态过程主要决 定于系统各元件的电磁参数,故常不计发动机和电动机的转速变化,即忽略机电暂态 过程。而在静态稳定性和暂态稳定性等机电暂态过程分析中,转动机械的转速已有了 变化,暂态过程不仅与电磁参数有关,而且还与转动机械的机械参数(转速、角位移) 有关,分析时往往近似考虑或甚至忽略电磁暂态过程。只在分析由发动机轴系引起的 次同步谐振现象、计算大扰动后轴系的暂态扭矩等问题中,才不得不同时考虑电磁暂 态过程和机电暂态过程。 下面以一个简单开关接通RL电路的例子,以便获得对在电力系统暂态时起关键作用 的物理过程的充分了解。 个正弦波电压接通到一个电感与电阻串联的电路上,如图1-1所示。这实际上是

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