《王会广论文答辩》由会员分享，可在线阅读，更多相关《王会广论文答辩（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第1页,变电站二次电缆宽频网络参数提取与 暂态计算,导 师：张重远姓 名：王会广,第2页,提纲,第1章 引言,第2章 理论基础知识,第3章 二次电缆二端口网络参数的计算与测量,第4章 变电站传导干扰计算模型的建立与仿真,第5章 结论与展望,第3页,第1章 引言,1.1 变电站电磁兼容问题,在电力系统运行时开关要经常操作，开关操作时，在高压母线上会产生复杂的瞬态电压和电流，并且在母线周围空间产生瞬态电磁场。这些瞬态电磁过程不仅幅值较高，而且包含的频率分量从几十kHz到上百MHz，这就会对变电站内工作的二次设备和系统产生电磁干扰。雷击高压母线也将对电站内二次设备产生电磁干扰。高压母线上的瞬态电磁过
2、程主要通过以下几种途径对二次设备和系统产生电磁干扰：1. 容性耦合。2. 感性耦合。3. 电磁场辐射。4. 传导性耦合。,第4页,本文研究瞬态信号经过PT和二次电缆后对二次设备引起的传导干扰。尽管在实验室可以应用频谱网络分析仪方便的测量出二次电缆网络参数，但在实际大型电站中，二次电缆从高压母线下的端子箱到控制室跨度很大，实际测量存在很多困难。因此，对二次电缆宽频网络的参数提取和暂态计算有非常重要的实际意义。同时，二次电缆网络参数的准确计算与提取对电力系统过电压在线监测也有重要的意义。对变电站内瞬态电磁环境进行实际测量是必不可少的，现在的测量系统很难得到令人满意的测量结果，而且测量的代价较大，重
3、复性较差。通过数值计算预测变电站内的瞬态电磁环境就显得尤为重要。对气体绝缘变电站瞬态电磁环境进行数值预测，可以避免购置昂贵的测量设备，节约大量的资金，而且重复性很好，可以进行更加深入细致地研究。,第5页,另外，数值预测可以在变电站未建成之前就进行，从而为设计人员提供必要的数据，直接为工程设计服务，可以使设计人员具有更加明确的设计目标。预测变电站内的瞬态电磁环境，对变电站内电磁兼容问题的研究具有非常重要的意义。,第6页,1.2 课题的研究现状,目前，二次电缆的宽频网络参数的计算方法有解析方法和数值方法两大类。通常一些解析方法被用来分析计算内外导体具有若干特定截面形状时的同轴线单位长度电容和特性阻
4、抗，这些方法已经取得了很大成功。但对于不规物体，解析方法具有推导公式复杂、计算量大的缺点，因而诸多的提取方法在解析方法的基础上发展了数值方法。本文选用两根二次电缆作为研究对象，先计算其分布参数，然后转化为传输参数矩阵。另外，建立PT和二次电缆级联的传导干扰模型，计算出瞬态信号经过PT和二次电缆后，在二次电缆末端产生的电磁干扰，并用实验验证方法的有效性。,第7页,1.3 本论文的主要研究工作,本论文建立了一种传导干扰的数值计算模型，它能够计算通过PT和二次电缆的波对二次设备产生的电磁干扰，对变电站电磁兼容预测有重要的应用价值。在实验室仿真，选用了信号发生器、浪涌发生器和陡波发生器来模拟变电站内的
5、干扰电压，对该模型进行了实验验证。本论文的主要工作如下：1. 测量了油PT和四芯、八芯二次电缆的散射参数。2. 计算了四芯电缆的分布参数。由于解析法和有限元法计算精度相当，且解析法运用灵活，因此用解析法计算八芯电缆的分布参数，通过矩阵变换得到二次电缆的传输参数矩阵，近而得到二次电缆二端口的传递函数，利用矢量匹配法对其频域形式进行有理函数拟合。,第8页,3.为了验证二次电缆宽频传递特性，用信号发生器、浪涌发生器和陡波发生器进行时域测量，将一次侧的测量电压与以上拟合的传递函数时域形式进行递归卷积运算，运算结果与二次侧测量电压进行对比，验证计算模型的正确性及可行性。4.将散射参数转化为传递函数，用散
6、射参数测量法建立PT端口模型和验证二次电缆分布参数计算的正确性。建立传导干扰模型，并对其进行了时域测量。,第9页,第2章 散射参数的测量,应用Agilent 4395A 网络/频谱/阻抗分析仪分别对型号为JDJ-10 10kV/100V油浸式单相电压互感器和型号为KVVP2-22 42.5mm2和KVVP2-22 81.5mm2 的散射参数进行测量。 Agilent 4395A 网络/频谱/阻抗分析仪实物图如图2-1所示，PT散射参数测量接线图和实物图分别如图2-2、2-3所示。,图2-2 PT散射参数测量接线图,图2-1 网络/频谱/阻抗分析仪,图2-3 PT,第10页,2.1 电压互感器散
7、射参数的测量,a)S11幅频特性和相频特性,b)S12幅频特性和相频特性,c)S21幅频特性和相频特性,d)S22幅频特性和相频特性,图2-4 PT散射参数,对PT散射参数测量范围为100Hz-20MHz，测量结果如图2-4所示。,第11页,图2-5 四芯电缆结构图,四芯电缆：长度1.65米，芯线直径为1.8mm，聚氯乙烯绝缘层厚度为0.8mm，铜带屏蔽层厚度为0.1mm，内层聚氯乙烯护套厚度为0.64mm，钢带铠装厚度为0.20mm，外层聚氯乙烯护套厚度为1.51mm；,2.2 四芯电缆散射参数的测量,图2-6 四芯电缆实物图,第12页,b)S12幅频特性和相频特性,a)S11幅频特性和相频
8、特性,c)S21幅频特性和相频特性,d)S22幅频特性和相频特性,图2-7 四芯电缆散射参数,对四芯电缆散射参数测量范围为100Hz-10MHz，测量结果如图2-7所示。,第13页,八芯电缆：长度为5.9米，芯线直径为1.4mm,聚氯乙烯绝缘层厚度为0.7mm,铜带屏蔽层厚度为0.1mm,内层聚氯乙烯护套厚度为0.86mm,钢带铠装厚度为0.20mm,外层聚氯乙烯护套厚度为1.83mm.,图2-8八芯电缆结构图,2.3 八芯电缆散射参数的测量,图2-9八芯电缆实物图,第14页,a)S11幅频特性和相频特性,b)S12幅频特性和相频特性,c)S21幅频特性和相频特性,d)S22幅频特性和相频特性
9、,对八芯电缆散射参数测量范围为100Hz-50MHz，测量结果如图2-10所示。,图2-10 八芯电缆散射参数,第15页,3.1 二次电缆分布参数的计算,3.1.1 有限元法计算四芯电缆,根据二次电缆实际结构，利用Ansoft Maxwell 12.2建立模型，根据软件计算步骤对其进行网格划分，计算四芯电缆的分布参数。单位长电阻和电感计算结果如图3-1、3-2所示：,图3-1 电阻参数曲线,图3-2 电感参数曲线,用静电场求解器求得电容值为54.8pF/m，电导为427.4uS/m。,第3章 二次电缆二端口网络参数的计算与测量,第16页,其中rw为导线芯半径，为导体的电导率， 为导体的磁导 率
10、，f为对应的频率，,3.1.2 解析公式法,电阻参数低频或直流时，电流在导体内部均匀分布，单位长导体电阻由公式Rl=1/S求得，但在高频时，导体显现出明显的集肤效应，本公式不再适用，必须考虑集肤效应，临界频率由公式rw=2确定。即单位长度导体电阻公式为,为导体的透入深度。,（3-1）,第17页,电感参数,将电感参数分为两部分内电感外电感,rs为屏蔽层半径，di为第i根导体与屏蔽层中心的距离，i为i导体中心与屏蔽层中心连线和j导体中心与屏蔽层中心连线的夹角。,（3-2）,（3-3）,第18页,电容参数,由单位长度的电容矩阵C和电感矩阵Lo的基本关系 ，可得C的表达式为,电导参数,分布电导参数矩阵
11、G是根据绝缘材料的容性损耗得到的，与工作频率f、电容参数矩阵C以及损耗因数tan有关，其表达式为,聚氯乙烯的损耗因数tan=0.05。,（3-4）,（3-5）,第19页,分别为传输线的单位长电感、单位长电容、单位长电导和单位长电阻，可通过解析法和有限元数值计算方法获得。,3.2 二次电缆二端口网络参数提取,将二次电缆等值为传输线，其电报方程的相量形式为：,设,则电报方程的解为：,（3-6）,（3-7）,根据上节计算得到的二次电缆单位长分布参数，可以得到二次电缆二端口的网络参数，方法如下。,第20页,解得：,（3-8）,（3-9）,第21页,3.3 计算参数的实验验证,其中， 、 分别为端口网络
12、端口一和端口二的参考阻抗。,散射参数向传输参数矩阵转化，可以由式（3-10）实现。,（3-10）,将四芯电缆有限元计算结果和解析计算结果转化的传输参数与散射参数测量转化的传输参数对比，结果如图3-3、3-4所示。,第22页,3.3.1 四芯电缆参数的实验验证（有限元法）,a)A(s)参数,b)B(s)参数,c)C(s)参数,d)D(s)参数,图3-3 有限元计算与测量结果对比,第23页,3.3.2 四芯电缆参数的实验验证（解析法）,a)A(s)参数,b)B(s)参数,c)C(s)参数,d)D(s)参数,图3-4 解析计算与测量结果对比,第24页,由图3-3和3-4可以看出，解析法和有限元法都可
13、以准确地计算出二次电缆分布参数，且计算精度相当，由于解析法简单快捷，下面用解析法对八芯电缆分布参数进行计算。,第25页,3.3.3 八芯电缆参数的实验验证,a)A(s)参数,b)B(s)参数,c)C(s)参数,d)D(s)参数,图3-5 解析计算与测量结果对比,第26页,b)相频特性曲线,a)幅频特性曲线,图3-6 八芯电缆传递函数曲线,计算传导干扰利用的是二次电缆的传递函数，二次电缆传递函数解析计算结果与测量结果比较如图3-6所示。,第27页,利用二次电缆一次侧电压信号及其网络参数求解二次侧电压，我们采用的是递归卷积方法，在进行计算的过程中，首先要得到二次电缆连续的频域传递函数，而用计算得到
14、的传递函数也是离散数据，为了获得连续频率对应的连续的电压传递函数H(s) ，我们要对电压传递函数进行有理函数逼近，本文采用矢量匹配法对电压传递函数H(s)进行有理拟合。,3.4 矢量匹配拟合,用有理函数近似拟合频率响应H(s)，则其部分分式和的形式为：,式中，常数项d和e可选择；ci和ai分别为留数和极点，是实数或共轭复数对。拟合时，选择d=0,e=0，即拟合函数的分子与分母的阶数相同；初始极点选择对数分布，另外，为了保证拟合结果的稳定性，选择极点全部位于复平面的左半平面。,（3-11）,第28页,四芯电缆传递函数拟合结果,八芯电缆传递函数拟合结果,a)幅频特性曲线,b)相频特性曲线,a)幅频
15、特性曲线,b)相频特性曲线,图3-7 四芯电缆传递函数拟合曲线,图3-8 八芯电缆传递函数拟合曲线,第29页,3.5二次电缆宽频传输特性,分别采用Agilent 33220A 20MHz函数/任意波形发生器、EVERFINE EMS61000-5A雷击浪涌发生器 和GMY-1毫微秒高压脉冲源三种信号源作为瞬态信号施加在二次电缆一侧，用Agilent Technologies DSO5034A 四通道示波器同时测量二次电缆首端、末端的电压波形，通过电缆一次侧电压波形与计算的电压传递函数进行递归卷积运算，与二次侧实测进行对比， 验证计算模型的正确性。 测量原理图及实物图分别如图3-9、3-10所示
16、。,图3-9 时域测量原理图,图3-10 四芯电缆时域测量实物图,第30页,3.5.1 递归卷积算法,对于任意一个激励，我们求它在时域内的响应，只需要将激励和系统的单位冲击响应在时域内进行卷积运算即可，即,对矢量匹配拟合得到的有理函数式(3-11)，进行反拉普拉斯变换，得到其时域形式为：,（3-12）,（3-13）,式(3-13)中，,为数值拟合的极点，,为留数，d和e为常数。,对拟合得到的电压传输参数,和测量得到的时域一次电压,进行时域递归卷积既可得到,，其计算公式如下：,（3-14）,第31页,3.5.2 信号发生器的时域测量与计算,四芯电缆时域测量结果如图3-11所示。,a)一次侧波形,b)二次侧测量波形及计算波形,c)局部放大图,图3-11 四芯电缆时域测量,第32页,a)一次侧波形,b)二次侧测量及计算波形,c)局部放大图,八芯电缆时域测量结果如图3-12所示。,图3-12 八芯电缆时域测量,第33页,3.5.3 浪涌发生器的时域测量与计算,c)局部放大图,b)二次侧测量及计算波形,a)一次侧波形,四芯电缆时域测量结果如图3-13所示。,
