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1、2中国电力教育 月刊 2007.9中国电力教育 月刊 2007.92中国电力教育 月刊 2007.9中国电力教育 月刊 2007.9hina Electric Power Education教学改革广角China Electric Power Educatio教学改革广角Matlab/simulink在高电压技术课程教学中的应用刘会家 胡汉梅 黄景光M A T L A B语 言 拥 有 的 s i m u l i n k 中 含 有 的simpowersystems模块（matlab7.0），能够为电力系统的建模和仿真提供有力的工具。本文利用MATLAB中的simulink仿真平台为MATLA
2、B在高电压技术课程的教学进行一些初步的探索。一、基于MATLAB/simulink的局部放电仿真电力设备绝缘系统在运行过程中往往不可避免地会发生局部放电现象，在绝缘系统的局部放电过程中伴随有电、热、光等一系列的物理化学过程，这些物理化学过程加速着绝缘老化，并最终导致绝缘击穿。利用MATLAB/simulink开展绝缘材料局部放电的数值仿真，有助于了解局部放电的物理过程和破坏规律，是认识局部放电机理的一个重要途径。1.局部放电电路模型固体绝缘中单气隙局部放电的经典模型如图1（a）所示，仿真计算等效电路模型如图1(b)所示，a c b a b (a) 含有一个气隙试样结构示意图 (b) 等值电路
3、Cc Cb Ca RC Rb Ra Cc为气隙电容；RC为气隙等效电阻；Cb为与气隙串联介质的电容；Rb为与气隙串联介质的等效电阻；Ca为试样其他部分介质的电容；Ra为试样其他部分 介质的电阻 图 1 单气隙局部放电模型 (a) 含有一个气隙试样结构示意图a c b a b (a) 含有一个气隙试样结构示意图 (b) 等值电路 Cc Cb Ca RC Rb Ra Cc为气隙电容；RC为气隙等效电阻；Cb为与气隙串联介质的电容；Rb为与气隙串联介质的等效电阻；Ca为试样其他部分介质的电容；Ra为试样其他部分 介质的电阻 图 1 单气隙局部放电模型 (b) 等值电路生局部放电时气隙电阻半导电化，即
4、R1或是R2在发生局部放电时,变化到它们对应的半导电化电阻R1或是R2。仿真等效电路变化如图2所示。对于图2中的电阻、电容元件及交流电压源可以利用simulink模块库中的标准模块进行仿真。R L Ck Zm Ca Cb Cc R R2 高压试验电路 绝缘试样 ZmT erminatorS cope2S cope1RkRelayR2 R1R2RL-K-Gain2-K-GainCkCcCbCa|u|AbsAC g m12S witchi+-3v+-1v+-AC为交流电压源，R为保护电阻，L为滤波器，Ck为耦合电容器，Zm为检测阻抗，Cc为气隙电容，R1为气隙电阻，R2为气隙沿面绝缘电阻，Cb为与
5、气隙串联介质的电容，Ca为试样其他部分介质的电容。图2 单气隙局部放电仿真的等效电路Cc为气隙电容，RC为气隙等效电阻，Cb为与气隙串联介质的电容，Rb为与气隙串联介质的等效电阻，Ca为试样其他部分介质的电容，Ra为试样其他部分介质的电阻。图1 单气隙局部放电模型Rc由气隙绝缘电阻R1和气隙沿面绝缘电阻R2组成，当发R L Ck Zm Ca Cb Cc R R2 高压试验电路 绝缘试样 ZmT erminatorS cope2S cope1RkRelayR2 R1R2RL-K-Gain2-K-GainCkCcCbCa|u|AbsAC g m12S witchi+-3v+-1v+-图3 单气隙放
6、电仿真计算电路2.基于simulink的仿真电路假设气隙放电是在瞬间完成的，电路等效，气隙电阻瞬中国电力教育 月刊 2007.9中国电力教育 月刊 2007.9中国电力教育 月刊 2007.9中国电力教育 月刊 2007.9hina Electric Power Education教学改革广角China Electric Power Educatio教学改革广角0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 t/s U/kV 外施电压波形 2 气隙电压波形 放电触发脉冲 2 图
7、4 局部放电仿真波形图 5 用于仿真切空线过电压的 simulink 模型 图5 用于仿真切空线过电压的simulink模型00.010.020.030.040.050.060.070.080.090.1-10-8-6-4-20246810t/s 电源电压波形 2 线路末端电压波形 线路电流波形 2 U/p. u 图6 切除空载长线过电压波形间减小为其半导电化电阻，仿真中采用理想开关控制，此时的仿真电路如图3所示。图3中电压测量器用来测量气隙两端的电压；Abs模块用来求电压的绝对值;信号延迟器的作用是当气隙两端电压的绝对值大于气隙放电起始电压时产生一个高电平，小于气隙放电熄灭电压时产生一个低电
8、平；信号延迟器输出高电平时，使能开关闭合，输出为低电平时,理想开关打开，当理想开关连接在R2两端时,放电开始则开关闭合，R2减小到其电阻R2,放电结束则开关断开。电流测量器用来测量气隙回路的电流值；信号显示器的显示界面和示波器很相似，可以方便地对动态系统的仿真结果或系统模块中指定的信号进行定性的分析。图3中信号显示器1同时显示交流电压源波形、气隙两端电压波形和放电脉冲触发波形，信号显示器2显示气隙两端电压波形和气隙电流波形。3.仿真结果教学过程中选择文献1给出的一个环氧绝缘试样参数，各元件参数见文献1。仿真结果见图4。3.仿真过程及结果设线路为单相无损架空线，单位长度电感为1.484mH，单位
9、长度对地电容为7.49nF，电源电压为1pu，线路长度取为600km，断路器初始状态为合闸，由于行波在线路上来回一次的时间为0.004s,设置断路动作时间为在0.025s、0.038s、0.048s、0.058s、0.068s、0.078s、0.088s分闸，在0.035s、0.045s、0.055s、0.065s、0.075s、0.085s合闸，设置仿真时间为0.1s。图6为仿真得到的各测量波形，其中为了便于显示电流波形，将电流值放大了100倍。从图6可知：(1）每次电弧在断路器断口电压为最大值时重燃；(2）每次电弧重燃后，线路末端电压均显著上升。三、结语(1）本文通过运用simulink/
10、simpowersystems建立用于仿真局部放电和切除空载线路过电压的实验模型，并进行了相应的仿真，仿真结果可以应用于高电压技术课程相关内容的教学。(2）在高电压技术课程的教学过程中，过电压部分的实践教学一直不易开展。将matlab/simulink用于电力系统过电压的教学过程中，将有利于学生加强对电力系统过电压的理解、认识。参考文献：1任成燕,成永红,陈小林.基于SIMULINK的气隙局部放电仿真技术研究J.西安交通大学学报,2004,(8):824.2周泽存.高电压技术(第三版)M.北京:中国电力出版社,2006.3赵智大.高电压技术M.北京:中国电力出版社,1998.4王正林,刘明.精
11、通MATLAB 7M.北京:电子工业出版社,2006.从仿真波形可以观察到局部放电的起始时间，局部放电的重复率和局部的周期性，与局部放电的定性分析结果相同。二、基于MATLAB/simulink的切除空载长线过电压仿真1.切除空载长线过电压在电力系统中，切除空载长线是常见的操作。当开关切除空载长线时，流过开关的电流是对地电容电流，由于开关不能够一次性不重燃地切断线路的的电容电流，而是会发生电弧的重燃，从而在空载线路上产生切除空载长线过电压。理论分析表明，在最极端的情况下（电容电流过零点时，电弧熄灭，开关断口恢复电压最高时电弧重燃），电弧每重燃一次，无损空载线路的切除空载长线过电压就增加2倍。2.基于simulink/simpowersystems的实验系统建模以单相系统为例，电源采用理想电压源，线路采用分布式参数模型。系统模型如图5所示。断路器模块用于切断空载长线，电流测量模块用于观察电流波形，通过电压测量模块1观察电源电压波形，通过电压测量模块2测量线路首端电压波形，通过电压测量模块3测量线路末端电压，利用powergui模块读取稳态电压值。
