Matlab在高壓合成試驗(yàn)瞬態(tài)恢復(fù)電壓中的仿真應(yīng)用

吳 松

（上海電氣輸配電試驗(yàn)中心，上海 200072）

1 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，民用和工業(yè)用電量日益增加。這要求電力系統(tǒng)容量不斷增加，高電壓大容量斷路器在電網(wǎng)中的使用不斷增加，為了確保斷路器安全可靠的工作，必須進(jìn)行型式試驗(yàn)。大功率試驗(yàn)站對(duì)高壓斷路器的短路開(kāi)斷型式試驗(yàn)，由于采用短路試驗(yàn)發(fā)電機(jī)和短路變壓器的直接試驗(yàn)方式受到容量的限制，合成試驗(yàn)的方法已經(jīng)在國(guó)際上得到廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用[1]。為了使大功率試驗(yàn)站合成試驗(yàn)室高壓交流斷路器短路開(kāi)斷試驗(yàn)的瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）滿足新的 IEC標(biāo)準(zhǔn)及 GB1984-2003的要求，需對(duì)其 TRV調(diào)節(jié)線路及其波形參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)研究[2]。

2 合成試驗(yàn)回路

合成回路種類很多通常可分為兩大類：電壓引入回路，電流源提供電流過(guò)零前的大電流以及剛過(guò)零時(shí)的瞬態(tài)電壓；電壓源緊接著提供高的恢復(fù)電壓，電流引入回路。電流源提供過(guò)零前的大電流，電壓源在電流過(guò)零前就已經(jīng)作用在被試斷路器上，電壓源也提供一部分電流與電流源電流疊加在一起。電流過(guò)零時(shí)，電壓源提供的恢復(fù)電壓立即自動(dòng)作用在斷路器上。我國(guó)使用的合成回路采用電流引入的方式，這種回路通常稱為威爾（Weil）回路。圖 1為四參數(shù)合成回路的原理接線圖。

由于我國(guó) 72.5kV以上的斷路器都用合成法試驗(yàn)驗(yàn)證其開(kāi)斷能力，合成試驗(yàn)回路大多采用電流引入法，本文著重介紹Matlab對(duì)電壓源TRV波形參數(shù)進(jìn)行的仿真研究。

圖1 合成回路試驗(yàn)原理圖

3 Matlab仿真實(shí)例

Matlab是由美國(guó)Mathworks公司發(fā)布的面向科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高技術(shù)計(jì)算語(yǔ)言。它將數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化以及非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強(qiáng)大功能集成在一個(gè)易于使用的視窗環(huán)境之中，對(duì)復(fù)雜的問(wèn)題，往往只需要寫(xiě)很短的代碼，所以與Basic、Fortran、Pasic、C等編程語(yǔ)言相比，Matlab具有編程簡(jiǎn)單直觀、用戶界面友好、開(kāi)放性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此自其面世以來(lái)，很快得到了推廣應(yīng)用，現(xiàn)已成為國(guó)際上公認(rèn)的最優(yōu)秀的數(shù)值計(jì)算仿真軟件之一。

3.1 正常狀態(tài)仿真模型

以上海電氣輸配電試驗(yàn)中心籌建的三相合成項(xiàng)目126kV 40kA SF6GIS斷路器三相合成方式4短路開(kāi)斷試驗(yàn)為例，與單相合成試驗(yàn)比三相合成試驗(yàn)增加后開(kāi)兩極兩相電壓源回路，在控制回路方面三相合成比單相合成要復(fù)雜的多，后開(kāi)極電壓源回路的增加，回路參數(shù)的確定也增添了不少困難。

進(jìn)行回路仿真之前，根據(jù)試驗(yàn)電壓電流等級(jí)依據(jù)GB4473-2008交流高壓斷路器的合成試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：根據(jù)電壓源回路所以電壓等級(jí)和能量確定Cs，再根據(jù)放電回路的振蕩頻率選擇Ls。決定所需回路是兩參數(shù)還是四參數(shù)回路，搭建好回路運(yùn)行模型。仿真模型回路參數(shù)（首開(kāi)極系數(shù)1.5）如表1、表2所示。

將計(jì)算好的Ls、Cs的值輸入模型，根據(jù)需要設(shè)定好 Cs的電壓，其他 6個(gè)變量 R1、C1、R2、C2、L2、Cd1通過(guò)試參確定，為了減少工作量，能夠在一個(gè)比較小的范圍能輸入待確定的參數(shù)，Matlab軟件給我們提供了簡(jiǎn)易方便的函數(shù)模塊，圖2、圖3中Ramp為一次函數(shù)發(fā)生器、Saturation為限幅函數(shù)發(fā)生器、Step為階躍函數(shù)發(fā)生器。通過(guò)這些函數(shù)模塊可以在仿真的瞬態(tài)恢復(fù)電壓波形上產(chǎn)生與GB1984-2006高壓斷路器圖（圖4所示）一致的預(yù)期試驗(yàn)TRV包絡(luò)線，Step函數(shù)在 t1、t2處產(chǎn)生階躍信號(hào)。有了這些輔助線工作人員能夠很直觀的觀察出仿真計(jì)算出來(lái)的波形是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求。運(yùn)行計(jì)算機(jī)模型可以得到斷路器兩端瞬態(tài)恢復(fù)電壓如圖 5、圖 6所示。試驗(yàn)時(shí)測(cè)量出來(lái)的斷路器兩端瞬態(tài)恢復(fù)電壓示波圖如圖7所示。通過(guò)Matlab計(jì)算出來(lái)斷路器兩端瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)與試驗(yàn)中測(cè)到的瞬態(tài)恢復(fù)電壓參數(shù)比較見(jiàn)表3和表4。

表1 126kV40kA方式4三相合成首開(kāi)相回路參數(shù)

圖2 首開(kāi)相瞬態(tài)恢復(fù)電壓回路仿真模型

表2126kV40kA方式4三相合成后開(kāi)相回路參數(shù)

圖3 后開(kāi)相瞬態(tài)恢復(fù)電壓回路仿真模型

圖4

圖5 首開(kāi)相瞬態(tài)恢復(fù)電壓仿真波形

圖6 后開(kāi)相瞬態(tài)恢復(fù)電壓仿真波形

圖7 試驗(yàn)中首開(kāi)相瞬態(tài)恢復(fù)電壓實(shí)測(cè)波形

圖8 試驗(yàn)中后開(kāi)兩相瞬態(tài)恢復(fù)電壓實(shí)測(cè)波形

表3 首開(kāi)相仿真值、實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值瞬態(tài)恢復(fù)電壓

表4 后開(kāi)相仿真值、實(shí)測(cè)值和標(biāo)準(zhǔn)值瞬態(tài)恢復(fù)電壓

3.2 故障狀態(tài)仿真模型

通過(guò)以上仿真知道斷路器正常開(kāi)斷后恢復(fù)電壓的情況，經(jīng)過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)值、回路實(shí)測(cè)值、仿真值三者之間的比較，考慮到回路元件、線路分布參數(shù)和誤差的影響，模擬過(guò)程是正確合理的。

為了研究回路中在故障條件下各元件可能出現(xiàn)的過(guò)電壓，在實(shí)際回路中由于經(jīng)濟(jì)和測(cè)量條件限制，不可能人為設(shè)置一個(gè)故障去測(cè)量各個(gè)元件可能出現(xiàn)的故障過(guò)電壓和故障電流，而且故障是破壞性的同時(shí)又難以實(shí)施。使用Matlab模擬故障情況顯得很重要，設(shè)置故障既方便又可行。在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)斷路器開(kāi)斷過(guò)程中在任何一時(shí)間點(diǎn)發(fā)生重?fù)舸┒际强赡艿摹８鶕?jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)電流引入回路在斷路器開(kāi)斷后恢復(fù)電壓達(dá)到峰值被擊穿時(shí)，給回路元件造成的故障過(guò)電壓與故障電流最大。

下面以斷路器開(kāi)斷后恢復(fù)電壓達(dá)到峰值被擊穿這一故障情況作為研究對(duì)象。與正常開(kāi)斷相比較。將圖2按相應(yīng)故障情況進(jìn)行更改。如圖9所示在Cd兩端并接斷路器。同時(shí)在t=260μs時(shí)設(shè)置斷路器重?fù)舸丝蘐RV在峰值階段。圖9中引入Multimeter測(cè)量模塊，該模塊不需要直接連線，只要在回路各元件的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框設(shè)置“Measurements:Branch voltage and current”就可行，運(yùn)行仿真模型可同時(shí)出現(xiàn)圖10故障狀態(tài)流過(guò)回路元件的電流、圖11故障狀態(tài)下回路元件兩端電壓，為了便與比較給出圖12正常狀態(tài)流過(guò)回路元件的電流、圖13正常狀態(tài)下回路元件兩端電壓。仿真出來(lái)的結(jié)果在計(jì)算機(jī)上能很清楚的看出來(lái)，為了便于比較將各元件在正常開(kāi)斷和重?fù)舸l件下出現(xiàn)的電流和電壓列于表5中。

圖9 故障狀態(tài)回路各元件電壓電流測(cè)量仿真模型

圖10 故障狀態(tài)流過(guò)回路元件的電流

圖11 故障狀態(tài)下回路元件兩端電壓

圖12 正常狀態(tài)流過(guò)回路元件的電流

圖13 正常狀態(tài)下回路元件兩端電壓

表5 正常狀態(tài)與故障狀態(tài)元件電壓、電流比較

從波形圖和表6可以看出重?fù)舸┝鬟^(guò)元件的電流比正常開(kāi)斷流過(guò)元件的電流大的多，重?fù)舸r(shí)元件R2、C2、L2兩端峰值電壓分別為136kV、121kV、164kV，而正常開(kāi)斷時(shí)元件 R2、C2、L2兩端峰值電壓分別為 20.4V、44.5kV、51.5kV，而斷路器在恢復(fù)電壓峰值重?fù)舸┑那闆r在試驗(yàn)中時(shí)有發(fā)生。Matlab仿真技術(shù)給技術(shù)人員提供了很有利的證據(jù)，可以在試驗(yàn)前避免設(shè)備受到損壞，可以在電容器C2兩端加裝避雷器保護(hù)或多串聯(lián)幾臺(tái)電容器，使其耐壓可以達(dá)到故障情況的最高電壓。

圖14 試品兩次重?fù)舸┧矐B(tài)恢復(fù)電壓試驗(yàn)實(shí)測(cè)波形

試驗(yàn)過(guò)程中不同產(chǎn)品性能差異很大，重?fù)舸┰囼?yàn)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，有時(shí)甚至可能發(fā)生多次重?fù)舸@給試驗(yàn)回路造成的危害很大。圖14為試驗(yàn)過(guò)程中試品發(fā)生兩次重?fù)舸┑乃矐B(tài)恢復(fù)電壓試驗(yàn)波形。由于投入產(chǎn)出的性價(jià)比和實(shí)施的復(fù)雜性不可能測(cè)量回路每個(gè)電氣元件在重?fù)舸r(shí)的電壓電流值。技術(shù)人員在設(shè)計(jì)回路的過(guò)程中，各個(gè)元件可能流過(guò)的過(guò)電流同時(shí)兩端可能出來(lái)的過(guò)電壓都可以通過(guò)仿真技術(shù)模擬計(jì)算出來(lái)，同時(shí)根據(jù)流過(guò)各元件的最大電流可計(jì)算出元件的熱容量，這些仿真技術(shù)為回路元件額定參數(shù)的選擇提供一個(gè)重要的參考依據(jù)。這樣就可以給大容量實(shí)驗(yàn)室技術(shù)人員提供很大的方便，因此運(yùn)用仿真計(jì)算軟件對(duì)一些可能發(fā)生的電氣現(xiàn)象做出合理評(píng)估是很有意義的。

4 結(jié)論

Matlab仿真技術(shù)不僅可以滿足大容量合成試驗(yàn)瞬態(tài)恢復(fù)電壓等強(qiáng)電部分的暫態(tài)計(jì)算，而且可以模擬線性的、非線性的帶有二極管、可控硅等電力電子元件弱電控制回路的控制邏輯分析和計(jì)算，既方便實(shí)用又準(zhǔn)確可靠。

（1）Matlab仿真技術(shù)完全可以適用大容量試驗(yàn)回路中多元件的過(guò)電壓、過(guò)電流、超容量等分析，具有很強(qiáng)的實(shí)用和指導(dǎo)價(jià)值。

（2）在高電壓大電流試驗(yàn)過(guò)程中，重?fù)舸┣闆r時(shí)有發(fā)生，這一過(guò)程將伴隨過(guò)電壓大電流的出現(xiàn)。要求試驗(yàn)回路各元件的額定參數(shù)和保護(hù)措施選擇得當(dāng)，如果回路采取的相應(yīng)措施不適當(dāng)，將會(huì)出現(xiàn)設(shè)備財(cái)產(chǎn)損失有時(shí)甚至?xí)C(jī)人身安全。利用Matlab分析回路中的極端故障準(zhǔn)確可靠，為試驗(yàn)順利高效的進(jìn)行提供保障。

（3）模擬回路與實(shí)際回路事實(shí)上是有差別的，有經(jīng)驗(yàn)的試驗(yàn)工程師可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)實(shí)際回路出現(xiàn)的母線電感、雜散電容和電抗器匝間電容等一些不確定因素加于考慮，這些因素技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可在仿真計(jì)算時(shí)在Matlab軟件相應(yīng)的元件模塊中設(shè)定好。

[1]IEC622701-100:2001, High-voltage switchgearand controlgear-part 100:high-voltage alternating-current circuit-breakers[S]. Switzerland: IEC Press, 2001.

[2]苑舜,于力等.高壓斷路器三相合成試驗(yàn)方法的研究[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2007.29(4): 405-408.

[3]杜煒等.EMTP在大容量試驗(yàn)用振蕩回路中的應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)電工程學(xué)會(huì)第七屆青年學(xué)術(shù)會(huì)論文集,2002.9:239-242.

[4]GB1984-2003.高壓交流斷路器[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.

[5]GB/T4473-2008,交流高壓斷路器的合成試驗(yàn)[S]. 北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

[6]楊海芳等.斷路器合成試驗(yàn)瞬態(tài)恢復(fù)電壓調(diào)節(jié)線路的確定[J].高電壓技術(shù),2006,38(8):26-28.