本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)仿真技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種考慮真空斷路器重燃特性的建模與仿真方法。

背景技術(shù)：

真空斷路器在中壓領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)越性。與油斷路器相比，真空斷路器在開斷短路電流時不會產(chǎn)生噴油、排氣現(xiàn)象，給外界帶來污染；六氟化硫斷路器開斷電流時電弧的高溫會使六氟化硫氣體分解產(chǎn)生有毒物質(zhì)，真空斷路器則無需為此擔(dān)心。加上真空斷路器使用過程中滅弧室無需檢修，開斷過程中不會產(chǎn)生很高壓力，爆炸危險性小，所以在中壓領(lǐng)域，真空斷路器具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，實際使用過程中，真空斷路器滅弧能力很強，往往使電弧在電流過零前熄滅，造成截流現(xiàn)象。真空斷路器具有很強的高頻電流熄滅能力，在開斷并聯(lián)電容器組、并聯(lián)電抗器組和高壓電動機等設(shè)備時容易產(chǎn)生多次重燃過電壓，對設(shè)備絕緣造成危害，甚至釀成事故。

研究重燃過電壓有實驗研究和仿真研究兩種方法。由于不同工作條件下電路參數(shù)差異較大和實驗條件等原因，實驗研究具有很大的局限性，而仿真研究可以任意設(shè)定電路參數(shù)，在一定的簡化條件下，通過計算機程序既可以對該種情況下的過電壓及其影響因素進行計算研究，也可以對過電壓保護裝置及其效果進行仿真研究。此外，對開關(guān)柜的絕緣設(shè)計、真空斷路器的參數(shù)選擇也有重要意義。在這個過程中，對真空斷路器的開斷過程中反映出來的重燃特性進行準確建模就顯得尤為重要。

據(jù)調(diào)查，真空斷路器的仿真模型從20世紀70年代開始研究，然而一直沒有公認的成熟的模型。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，提供一種考慮真空斷路器重燃特性的建模與仿真方法，該建模與仿真方法可以建立較為準確的真空斷路器模型，將真空斷路器等效為可控電阻，從而可以在仿真軟件中編程實現(xiàn)對可控電阻阻值的控制，反映真空斷路器斷開過程中的重燃特性。

本發(fā)明的目的可以通過采取如下技術(shù)方案達到：

一種考慮真空斷路器重燃特性的建模與仿真方法，所述建模與仿真方法包括下列步驟：

s1、將真空斷路器等效為帶并聯(lián)支路的可控電阻，其并聯(lián)支路為電阻、電感、電容或以上三者的任意組合、任意連接方式；

s2、確定真空斷路器工頻電流即將過零時的截流值的表達式；

s3、建立真空斷路器觸頭間介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度模型，確定斷路器斷開后的介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度與時間之間的函數(shù)關(guān)系；

s4、建立真空斷路器的高頻電流熄滅能力模型，確定描述高頻電流熄滅的要素為高頻電流持續(xù)時間和高頻電流過零時的電流導(dǎo)數(shù)，及其需要滿足的條件；

s5、將斷路器可能具有的狀態(tài)劃分為4個：斷開前、暫態(tài)恢復(fù)電壓過程、高頻電流持續(xù)過程和完全斷開，并確定各狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，其中，斷開前記為state1，暫態(tài)恢復(fù)電壓過程記為state2，高頻電流持續(xù)過程記為state3，完全斷開記為state4；

s6、通過建模實現(xiàn)對可控電阻阻值的控制，進行仿真。

進一步地，所述可控電阻的阻值可以通過編程與仿真軟件交互，可以在仿真過程中隨仿真時間而改變，具體大小由程序輸出所控制。

進一步地，所述并聯(lián)支路上的電阻、電感、電容值均為固定值。

進一步地，所述截流值的大小在每次仿真過程中取值均設(shè)定在0a到10a之間。

進一步地，所述建立真空斷路器觸頭間介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度模型，確定斷路器斷開后的介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度與時間之間的函數(shù)關(guān)系應(yīng)滿足介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度先是隨著時間的增加而單調(diào)增加，而后基本保持不變。

進一步地，所述高頻電流熄滅的條件為：高頻電流需持續(xù)一定時間以上，高頻電流過零時的電流導(dǎo)數(shù)小于某常數(shù)，且該常數(shù)的取值范圍為1×10⁵ka/s～10×10⁵ka/s。

進一步地，所述各狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系包括：

在斷路器沒有收到斷開命令前的狀態(tài)一直保持為state1，收到斷開命令后的第一次電流過零時狀態(tài)由state1轉(zhuǎn)換為state2，記收到斷開命令的時刻為t1，收到斷開命令后的第一次電流過零時刻為t2，若t2—t1大于5ms，則由state1轉(zhuǎn)換為state2后立即轉(zhuǎn)換為state4。

進一步地，所述各狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系包括：

state2轉(zhuǎn)換為state3的條件為：暫態(tài)恢復(fù)電壓大于或等于介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度。

進一步地，所述各狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系包括：

state3轉(zhuǎn)換為state2的條件為：通過可控電阻的電流滿足高頻電流熄滅條件。

進一步地，介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度f(t)(單位：kv)與時間t(單位：ms)之間的函數(shù)關(guān)系為

該建模與仿真方法創(chuàng)新性地將真空斷路器的斷開過程分為4個狀態(tài)，并明確4個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過對每個狀態(tài)的可控電阻阻值進行計算，從而實現(xiàn)暫態(tài)仿真計算。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

1、傳統(tǒng)仿真軟件進行斷路器斷開仿真時，一般是在斷開時刻前等效為一個阻值極小的電阻，斷開時刻后等效為一個阻值極大的電阻，無法對真空斷開過程可能出現(xiàn)的重燃進行仿真。本發(fā)明綜合考慮了工頻截流、介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度、高頻電流熄滅和電弧電壓等因素，從而對真空斷路器斷開過程的仿真較為準確。

2、將真空斷路器斷開過程區(qū)分為4個狀態(tài)，并明確了各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和條件，從而使得對真空斷路器斷開過程區(qū)分明晰，易于理解和掌握，為編程提供了便利。

3、使用本發(fā)明可以盡可能反映真空斷路器斷開過程中的暫態(tài)特性，利用常規(guī)電力系統(tǒng)仿真軟件即可實現(xiàn)對該過程進行仿真，可以節(jié)省仿真系統(tǒng)的投資，充分發(fā)揮常規(guī)電力系統(tǒng)仿真軟件在涉及真空斷路器重燃特性的電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真中的作用。

附圖說明

圖1是考慮真空斷路器重燃特性的建模等效圖；

圖2是一種典型的考慮真空斷路器重燃特性的建模等效圖；

圖3是對等效可控電阻進行編程控制的流程圖；

圖4是實施例中使用的測試電路接線圖；

圖5是實施例中測得的真空斷路器兩端電壓差的波形圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例一

本實施例公開了一種考慮真空斷路器重燃特性的建模與仿真方法，將真空斷路器等效為帶有并聯(lián)雜散參數(shù)支路的可控電阻，所述的建模和仿真方法包括以下步驟：

s1、將真空斷路器等效為帶并聯(lián)支路的可控電阻，其并聯(lián)支路為電阻、電感、電容或以上三者的任意組合、任意連接方式；

具體實施方式中，可控電阻的阻值可以通過編程與仿真軟件交互，可以在仿真過程中隨仿真時間而改變，具體大小由程序輸出所控制。

具體實施方式中，并聯(lián)支路上的電阻、電感、電容值均為固定值。

s2、確定真空斷路器工頻電流即將過零時的截流值的表達式；

具體實施方式中，截流值的大小在每次仿真過程中取值均設(shè)定在0a到10a之間。

s3、建立真空斷路器觸頭間介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度模型，確定斷路器斷開后的介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度與時間之間的函數(shù)關(guān)系；

具體實施方式中，斷路器收到斷開命令后的介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度與時間之間的函數(shù)關(guān)系應(yīng)滿足介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度先是隨著時間的增加而單調(diào)增加，而后基本保持不變。

s4、建立真空斷路器的高頻電流熄滅能力模型，確定描述高頻電流熄滅的要素為高頻電流持續(xù)時間和高頻電流過零時的電流導(dǎo)數(shù)，及其需要滿足的條件；

具體實施方式中，所述高頻電流熄滅需要滿足的條件為：高頻電流需持續(xù)一定時間以上，高頻電流過零時的電流導(dǎo)數(shù)小于某常數(shù)，且該常數(shù)的取值范圍為1×10⁵ka/s～10×10⁵ka/s。

s5、將斷路器可能具有的狀態(tài)劃分為4個：斷開前(state1)、暫態(tài)恢復(fù)電壓過程(state2)、高頻電流持續(xù)過程(state3)和完全斷開(state4)，并確定各狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系；

具體實施方式中，所述各狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系包括：

在斷路器沒有收到斷開命令前的狀態(tài)一直保持為state1，收到斷開命令后的第一次電流過零時狀態(tài)由state1轉(zhuǎn)換為state2。記收到斷開命令的時刻為t1，收到斷開命令后的第一次電流過零時刻為t2，若t2—t1大于5ms，則由state1轉(zhuǎn)換為state2后立即轉(zhuǎn)換為state4。

具體實施方式中，所述各狀態(tài)間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系包括：

state2轉(zhuǎn)換為state3的條件為：暫態(tài)恢復(fù)電壓大于或等于介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度(暫態(tài)恢復(fù)電壓是指可控電阻兩端的電壓差)。

state3轉(zhuǎn)換為state2的條件為：通過可控電阻的電流滿足高頻電流熄滅條件。

s6、編寫程序，通過建模實現(xiàn)對可控電阻阻值的控制，進行仿真。

具體實施方式中，可控電阻在各狀態(tài)中的表達式如下：

實施例二

本實施例公開了一種考慮真空斷路器重燃特性的建模與仿真方法的具體實施流程。

首先，將真空斷路器等效為帶有并聯(lián)支路的可控電阻，電路結(jié)構(gòu)圖如附圖1。比較典型的連接方式如附圖2。其中r＝50ω,l＝50nh,c＝200pf。

真空斷路器斷開時電流可能還很大，當(dāng)電流繼續(xù)通過時將逐漸減小，在電流小于一定程度時電弧將變得非常不穩(wěn)定，在某一時刻突然熄滅。仿真中可以考慮當(dāng)電流值在1a到10a間電弧被截斷。實施例中設(shè)定截流值為2a。

在真空斷路器斷開后，斷口間將突然具有一定的介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度，而后隨著時間的推移，斷口間距離的增大，介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度快速增大，后趨于穩(wěn)定。為簡化計算，將介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度的增長看做是線性增長?，F(xiàn)代斷路器完全斷開時間是幾十毫秒，這里選定為42.5毫秒。介質(zhì)絕緣恢復(fù)強度f(t)(單位：kv)與時間t(單位：ms)的關(guān)系為

在斷路器斷開過程中將產(chǎn)生高頻電流，高頻電流將快速衰減，在衰減到一定程度后就將熄滅。本實施例中認為真空斷路器能夠熄滅的高頻電流需要滿足兩點：一是高頻電流需要持續(xù)一定的時間；二是高頻電流在過零時，導(dǎo)數(shù)足夠小。在實施例中，參考實驗測定的結(jié)果，選定高頻電流持續(xù)時間若大于3us，且過零時導(dǎo)數(shù)需小于30000kv/s，則高頻電流可被熄滅。

編程時按照如附圖3所示的流程圖進行編程，以實現(xiàn)各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。電弧電壓選定為20v，各狀態(tài)中可控電阻的阻值計算公式如下：

state2:r＝1mω；

state4:r＝1mω；

基于以上說明即可在專業(yè)電力系統(tǒng)暫態(tài)仿真軟件中搭建簡化電力系統(tǒng)，其中真空斷路器用可控電阻等效。使用自定義元件編程調(diào)用c語言編寫的外部文件，從而實現(xiàn)對可控電阻的實時控制。簡化電力系統(tǒng)如附圖4。仿真開始后系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定。在電流處于150°時斷開斷路器，使用軟件提供的虛擬測量表計即可觀察相應(yīng)的電壓、電流波形。從圖5中可明顯觀察到真空斷路器斷開過程中產(chǎn)生的重燃現(xiàn)象。

綜上所述，本實施例公開的一種考慮真空斷路器重燃特性的建模與仿真方法創(chuàng)新性地將真空斷路器的斷開過程分為4個狀態(tài)，并明確4個狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，通過對每個狀態(tài)的可控電阻阻值進行計算，從而實現(xiàn)暫態(tài)仿真計算。

上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。