一种35kV电容式电压互感器铁磁谐振仿真模型的制作方法

本发明涉及一种35kV电力系统模型，特别是一种电容式电压互感器铁磁谐振的仿真模型。

背景技术：

我国500kV变电站的35kV母线广泛采用电容式电压互感器(简称CVT)进行电压测量。35kV及以下电压等级系统由于电压暂态特性较差，CVT高压侧仍采用熔断器作为保护。500kV变电站中为了调整系统电压，补偿无功容量，需要频繁投切35kV并联电容器组。在投入35kV并联电容器组后，电网内CVT高压侧熔断器频繁发生熔断甚至爆裂的故障，影响了电网稳定运行及站用电的经济性。由于电容器组合闸涌流导致的CVT自身铁磁谐振是导致CVT一次侧熔断器异常熔断的一种原因。

CVT在额定电压下工作时，中间变压器铁芯未饱和，激磁电抗很大，相当于开路。当一次侧出现过电压，激发中间变压器的铁芯饱和，将导致激磁电抗急剧减小，分压电容则容易与补偿电抗器、中间变压器构成LC谐振电路，即形成所谓的铁磁谐振，从而容易引起CVT一次侧出现过流现象。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提出一种35kV电容式电压互感器铁磁谐振仿真模型，通过研究并联电容器组投入时激发电容式电压互感器铁磁谐振的条件，自动消谐装置中阻尼电阻的不同投退策略对铁磁谐振的抑制效果，获取抑制铁磁谐振的最佳方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种35kV电容式电压互感器铁磁谐振仿真模型，其包括两组电容器、35kV交流母线、三相交流电压源、电容式电压互感器、以及铁磁谐振判断模块和自动消谐装置，其中：

每组电容器均通过对应的断路器接入35kV交流母线，所述三相交流电压源接入35kV交流母线；所述35kV交流母线为三相交流母线，且每一相交流母线均对应接入一铁磁谐振判断模块、电容式电压互感器和自动消谐装置；

所述铁磁谐振判断模块用于判断是否发生铁磁谐振，其包括电流表、电压表以及示波器，所述电流表串接于电容式电压互感器一次侧，所述电压表并接于对应相交流母线上，所述电流表和电压表的输出端连接至示波器；

所述电容式电压互感器的一次侧并接至对应相交流母线上，其二次侧连接自动消谐装置；

所述自动消谐装置包括两个门极可关断晶闸管、两个阻尼电阻以及两个脉冲发生器，其中，每个门极可关断晶闸管的阴极分别对应连接一个阻尼电阻的一端，每个门极可关断晶闸管的门极分别对应连接一个脉冲发生器的输出端，两个门极可关断晶闸管的阳极均连接至电容式电压互感器二次侧的一端，两个阻尼电阻的另一端均连接至电容式电压互感器二次侧的另一端；

当发生铁磁谐振时，同时使两个脉冲发生器产生正脉冲电流，投入阻尼电阻；当铁磁谐振消失后，使两个脉冲发生器以一定的时间间隔产生负脉冲电流，先后退出阻尼电阻。

所述每组电容器均为三相双星型接线方式。

所述电容式电压互感器包括第一分压电容、第二分压电容、中间变压器，其中，所述第一分压电容的一端接入对应相交流母线，另一端通过第二分压电容接地，所述中间变压器包括一次绕组和二次绕组，所述二次绕组包括剩余绕组和主二次绕组，所述一次绕组并接于第二分压电容上，所述主二次绕组接入二次负荷，所述剩余绕组接入对应的自动消谐装置。

所述一次绕组上还串接一补偿电抗器。

所述两个阻尼电阻的阻值均为5-10Ω，所述时间间隔为0.1-0.3s。

本发明与现有技术相比，具有以下的优点：

1、通过设置两个断路器的合上可以验证并联电容器投入后冲击涌流是否能激发电容式电压互感器发生铁磁谐振。设置两个断路器的合闸时刻可以验证不同工况下，系统中激发铁磁谐振的条件；

2、通过示波器中电压和电流的幅值变化和波形畸变可以直观的判断出系统中是否发生了铁磁谐振；

3、设定Rm1、Rm2阻值为5-10Ω，投入时Rm1、Rm2同时投入，退出时间间隔为0.2s可以达到最好的消谐效果，且不会在退出时再次引发铁磁谐振。

附图说明

图1为本发明一种35kV电容式电压互感器铁磁谐振仿真模型的电路原理图；

图2为图1中单相母线上对应的35kV电容式电压互感器铁磁谐振仿真模型的电路原理图；

图3为电容器的电路原理图；

图4是电容式电压互感器的电路原理图；

图5是自动消谐装置的电路原理图；

图6为电容式电压互感器一次侧(一次绕组侧)的暂态仿真波形图；

图7为电容器合闸电流的仿真波形图；

图8为中间变压器电压的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

请参照图1所示，一种35kV电容式电压互感器铁磁谐振仿真模型，其包括电容器组11、电容器组12、断路器21、断路器22、35kV交流母线3、三相交流电压源4、以及电容式电压互感器、铁磁谐振判断模块和自动消谐装置。其中，35kV交流母线3包括A相交流母线31、B相交流母线32和C相交流母线33，电容器组11和电容器组12为两组背靠背并联电容器。三相交流电压源4的电压设定为35kV，A相电压初相角为0°，B、C相电压依次相差120°。电容器组11和电容器组12分别通过断路器21和断路器22并联接入35kV交流母线3，三相交流电压源4也接入35kV交流母线3。每相交流母线均对应连接一铁磁谐振判断模块、电容式电压互感器和自动消谐装置，即A相交流母线31连接铁磁谐振判断模块51、电容式电压互感器61和自动消谐装置71；B相交流母线32连接铁磁谐振判断模块52、电容式电压互感器62和自动消谐装置72；C相交流母线33连接铁磁谐振判断模块53、电容式电压互感器63和自动消谐装置73。

本发明能够验证并联电容器采用背靠背方式顺序投入后的合闸冲击电流能否激发CVT(电容式电压互感器)发生铁磁谐振，通过设置断路器21、断路器22的合闸时刻，可以模拟出不同工况下激发出CVT铁磁谐振的电压、电流波形，从而找出并联电容器组最佳合闸时间。同时还可以验证自动消谐装置中不同控制策略对铁磁谐振抑制效果的优劣。本发明能对真实电力系统中铁磁谐振的发生条件进行模拟，找到抑制铁磁谐振的最佳控制策略。

以A相交流母线31的电容式电压互感器铁磁谐振仿真模型为例，其他各相与之结构完全相同。请参照图2所示，铁磁谐振判断模块51用于判断是否发生铁磁谐振，其包括电流表511、电压表512以及示波器513，电流表511串接于A相交流母线31上，电压表512并接于A相交流母线31上，电流表511和电压表512的输出端连接至示波器513；具体是电流表511和电压表512的正输入端连接至A相交流母线31上，电流表511的负输入端可连接至电容式电压互感器61的一次侧，电压表512的负输入端接地。电容式电压互感器61的二次侧接入自动消谐装置71。

通过监测电压的幅值和频率判断是否发生铁磁谐振，当发生铁磁谐振时，将投入自动消谐装置71的阻尼电阻；铁磁谐振消失后，将退出自动消谐装置71的阻尼电阻。通过示波器中电压和电流的波形可以直观的判断出模型中是否发生了铁磁谐振。通过设置断路器21、断路器22合上可以验证并联电容器组11、12投入后冲击涌流是否能激发CVT(电容式电压互感器61)发生铁磁谐振。设置断路器21、断路器22合上的时刻可以验证不同工况下，模型中激发铁磁谐振的条件。

电容器组的结构如图3所示，每组电容器均采用三相双星型接线方式，其中性点不接地，单支电容值为44.5uF，五并四串，每相电容值(LCA、LCB或LCC)111.25uF，串联电抗器电阻为3.55Ω，电抗为11mH，其三相接点Conn1、Conn2、Conn3分别经过断路器21接入至A相交流母线31、B相交流母线32和C相交流母线33。

电容式电压互感器61的结构如图4所示，其包括分压电容C1、分压电容C2、中间变压器TV，其中，分压电容C1的一端(Conn4)接入A相交流母线31，分压电容C1的另一端通过分压电容C2接地，中间变压器TV包括一次绕组A1和二次绕组，二次绕组包括剩余绕组A2和主二次绕组A3，一次绕组A1并接于分压电容C2上，主二次绕组A3接入二次负荷R1，剩余绕组A2的两端(Conn5和Conn6)接入对应的自动消谐装置71。一次绕组A1上还串接一补偿电抗器L1。

电容式电压互感器61的型号为一次绕组A1额定相电压28.56kV，剩余绕组A2额定电压为100/3V，额定容量为50VA；主二次绕组A3额定相电压57.74V，额定容量50VA。分压电容C1、分压电容C2电容值均为0.04uF；补偿电抗器L1电阻值为321.3Ω，电抗值为114H。补偿电抗器L1作用补偿分压电容的容性阻抗，尽量减小二次电压随负荷变化。

中间变压器TV的模型采用了Simulink中的饱和变压器模块，该模块对变压器的一次侧直阻和漏抗，二次侧直阻和漏抗，励磁电阻和磁饱和特性均有相应的参数设置，可以较真实的模拟实际变压器的特性。

自动消谐装置71的结构如图5所示，其包括门极可关断晶闸管GTO1、门极可关断晶闸管GTO2、阻尼电阻Rm1、阻尼电阻Rm2以及脉冲发生器P1和脉冲发生器P2，其中，门极可关断晶闸管GTO1的阴极(k)连接阻尼电阻Rm1的一端，门极可关断晶闸管GTO2的阴极(k)连接阻尼电阻Rm2的一端；门极可关断晶闸管GTO1和门极可关断晶闸管GTO2的阳极(a)连接形成端子Conn7，与剩余绕组A2的一端(Conn5)连接；阻尼电阻Rm1和阻尼电阻Rm2的另一端连接形成端子Conn8，与剩余绕组A2的另一端(Conn6)连接；门极可关断晶闸管GTO1和门极可关断晶闸管GTO2的门极(g)分别连接脉冲发生器P1和脉冲发生器P2的输出端。

自动消谐装置71同时也可以判断是否发生铁磁谐振，其原理是通过采集电容式电压互感器61的剩余绕组A2电压进行FFT变换，得到电压的幅值和相角，当电压幅值超过1.3Un且持续时间超过0.5s时，判断为发生铁磁谐振。当判断发生铁磁谐振时，通过向门极可关断晶闸管GTO1和门极可关断晶闸管GTO2的门极(g)施加正脉冲电流使其导通，将阻尼电阻Rm1、阻尼电阻Rm2接入；当判断铁磁谐振消失时，通过向门极可关断晶闸管GTO1和门极可关断晶闸管GTO2的门极(g)施加负脉冲电流使其关断，将阻尼电阻Rm1、阻尼电阻Rm2退出。自动消谐装置71中阻尼电阻Rm1、阻尼电阻Rm2的阻值是可设定的，GTO1、

GTO2开通和关断的时间也是可设定的。针对本发明中仿真模型，设定Rm1、Rm2阻值为5-10Ω，投入时Rm1、Rm2同时投入，退出时间间隔为0.2s可以达到最好的消谐效果，且不会在退出时再次引发铁磁谐振。

仿真结果分析

图6为t＝0.02s并联电容器组投入后CVT一次侧电压、电流及电容器合闸涌流的仿真波形。CVT电压的波形仅在一个周波内出现了暂态过电压，最大值约为额定电压的1.75倍。电容器投入时的暂态电流在第一个周波内出现幅值较高的谐波电流，但是衰减很快。在电容器投入的暂态过程中，CVT一次侧电流也出现峰值高达20A的高频电流，该电流在一个周波内基本衰减为0。说明在电容器投入的暂态过程，CVT一次侧电压波形发生了畸变，产生了过电压和高频暂态电流，可能引起铁磁谐振。

图7和图8分别为电容器合闸电流与中间变压器电压的仿真波形，A相在电压初相角为0时合闸，C相在电压初相角120°时合闸，C相的暂态过电压与暂态电流明显高于A相。说明在电压峰值附近合闸会激发出更大的谐波电流，在零值附近合闸则不容易激发出暂态的谐波电流。

根据仿真分析结果可知：在电容器组投入的暂态过程中，将导致CVT一次侧电压波形畸变，发生铁磁谐振，产生过电压和高频电流。过电压的大小与电容器组合闸时刻电压的初相角有关，合闸初相角为90°时，激发出的暂态过电压最大，更容易引发铁磁谐振。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。