本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)保護和故障監(jiān)測技術領域,具體涉及一種斷路器高頻電弧建模方法。
背景技術:
隨著配電網(wǎng)供電質(zhì)量要求的提高,特別是對電壓質(zhì)量的要求,交流濾波器支路中斷路器需要頻繁動作投切電容器組。斷路器投切高壓容性電路,工作環(huán)境惡劣,容易誘發(fā)暫態(tài)過電壓問題;目前已有多起報道,斷路器開斷高壓容性電路后再次擊穿導致了斷路器爆炸惡性事故。
若能夠?qū)崿F(xiàn)對斷路器擊穿導致的高頻電弧進行實時監(jiān)測,則可以實現(xiàn)對該類故障或隱患的早期故障預警,要實現(xiàn)上述目標,其核心問題是如何準確地建模斷路器高頻電弧燃弧、熄弧全過程,分析掌握其動態(tài)特征。
高頻燃弧建模最常用的方法為基于傳統(tǒng)可變電阻的三段式高頻電弧模型,其能夠較好地模擬斷路器的高頻燃弧故障的燃弧階段,但是僅用經(jīng)驗指數(shù)公式無法反應斷路器熄弧階段的暫態(tài)恢復電壓特征。另外,現(xiàn)有常用的電弧模型以cassie模型和mayr模型為代表,其中cassie模型建模機理是動態(tài)比較瞬態(tài)電弧電壓與電弧穩(wěn)態(tài)電壓的大小,適合用于大電流情況下的電弧建模,而交流濾波器支路的阻抗較大,電流較小,無法直接應用;對于mayr模型而言,其能夠較好地反應工頻條件下的電弧燃弧、熄弧全過程,而交流濾波器用斷路器的燃弧故障屬于高頻電弧故障,在高頻電弧電流每一次過零時刻,mayr模型均會產(chǎn)生一個明顯的電弧電阻局部極大值,導致了電弧電流的衰減速度加速,與實際不符。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明為了解決上述問題,提出了一種斷路器高頻電弧建模方法,本發(fā)明結(jié)合傳統(tǒng)時變電阻模型和mayr模型的高頻電弧故障建模,為實現(xiàn)斷路器電弧故障的檢測提供了理論基礎。
為了實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術方案:
一種斷路器高頻電弧建模方法,結(jié)合傳統(tǒng)時變電阻模型和mayr電弧模型,將建模過程分預燃弧階段、穩(wěn)態(tài)燃弧階段和熄弧三個階段,在預燃弧階段,用傳統(tǒng)時變電阻模型表示,穩(wěn)態(tài)燃弧階段用可整定固定電阻值表示,熄弧階段用mayr電弧模型表示,實現(xiàn)斷路器高頻電弧故障全動態(tài)過程建模。
具體的,根據(jù)湯遜理論,結(jié)合不同時刻電弧電流的變化,建立三段式電弧模型。
進一步的,從電弧初始擊穿開始直至電弧電阻降至最低點的階稱為預燃弧階段;當斷路器完全擊穿時,電弧充分燃燒,此時的電弧電阻保持最小穩(wěn)態(tài)值不變,此階段為穩(wěn)態(tài)燃弧階段;當弧隙的輸入能力小于弧隙的散出能量時,電弧能量降低,此時電弧電阻迅速增大,直至電弧熄滅,這個過程為熄弧階段。
進一步的,當電弧處于預燃弧階段時,利用傳統(tǒng)時變電阻模型來構(gòu)建預燃弧階段的動態(tài)電弧電阻ry(t),具體計算式如下:
上式中,τ為衰減系數(shù)。
當電弧處于穩(wěn)態(tài)燃弧階段時,穩(wěn)態(tài)電弧電阻r0取值為整定固定值。
優(yōu)選的,穩(wěn)態(tài)電弧電阻取0.2-0.7歐姆。
當電弧處于全熄弧階段時,基于mayr電弧模型的高頻特性,得到全熄弧階段的電弧電阻rq(t)。
進一步的,全熄弧階段的電弧電阻rq(t)為:
上式中,gp為電弧瞬時電導,gp為電弧穩(wěn)態(tài)電導,tp為電弧時間常數(shù),i為電弧電流,vp為單位電弧電壓,lp為電弧長度。
與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明是結(jié)合傳統(tǒng)時變電阻模型和mayr電弧模型,提出了一種斷路器高頻電弧故障全動態(tài)過程建模方法。本發(fā)明中利用mayr模型表示熄弧階段的特性,能夠克服傳統(tǒng)時變電阻熄弧模型參數(shù)不精確、仿真結(jié)果精度不高等問題,能夠更真實地反應熄弧階段的特性,建模精度高。
附圖說明
構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本申請的進一步理解,本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請,并不構(gòu)成對本申請的不當限定。
圖1為應用本發(fā)明的三段式電弧示意圖;
圖2為應用本發(fā)明的仿真電弧模型示意圖。
具體實施方式:
下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
應該指出,以下詳細說明都是例示性的,旨在對本申請?zhí)峁┻M一步的說明。除非另有指明,本文使用的所有技術和科學術語具有與本申請所屬技術領域的普通技術人員通常理解的相同含義。
需要注意的是,這里所使用的術語僅是為了描述具體實施方式,而非意圖限制根據(jù)本申請的示例性實施方式。如在這里所使用的,除非上下文另外明確指出,否則單數(shù)形式也意圖包括復數(shù)形式,此外,還應當理解的是,當在本說明書中使用術語“包含”和/或“包括”時,其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。
正如背景技術所介紹的,現(xiàn)有技術中存在僅用經(jīng)驗指數(shù)公式無法反應斷路器熄弧階段的暫態(tài)恢復電壓特征的不足,為了解決如上的技術問題,本申請?zhí)岢隽艘环N斷路器高頻電弧建模方法,屬于電力系統(tǒng)保護和故障監(jiān)測技術領域,該方法結(jié)合傳統(tǒng)時變電阻模型和mayr電弧模型,根據(jù)不同時刻電弧電流的變化,建立了三段式電弧模型。在預燃弧階段,用傳統(tǒng)時變電阻模型表示,穩(wěn)態(tài)燃弧階段用可整定固定電阻值表示,熄弧階段用mayr電弧模型表示。
本申請的一種典型的實施方式中,結(jié)合傳統(tǒng)時變電阻模型和mayr電弧模型,將建模過程分為三個階段,包括預燃弧階段、穩(wěn)態(tài)燃弧階段和熄弧階段。
根據(jù)湯遜理論,在電弧故障發(fā)生之前,斷路器動靜觸頭之間的自由電子很少,在電弧故障發(fā)生時,自由電子在較強的電場作用迅速的碰撞電離,不斷形成新的電子和正離子,在斷路器動靜觸頭之間游離的粒子數(shù)量按指數(shù)曲線不斷增加,單位時間內(nèi)通過電弧橫截面的電子數(shù)增加,流過隔離開關的電流迅速增加。同時電弧直徑變大,內(nèi)部熱能增加,這兩方面的原因使得電弧電阻迅速減小。因此,從電弧初始擊穿開始直至電弧電阻降至最低點,這個階段稱為預燃弧階段。當斷路器完全擊穿時,電弧充分燃燒,此時的電弧電阻保持最小穩(wěn)態(tài)值不變,此階段稱之為穩(wěn)態(tài)燃弧階段。當弧隙的輸入能力小于弧隙的散出能量時,電弧能量降低,此時電弧電阻迅速增大,直至電弧熄滅,這個過程成為熄弧階段。
具體包括以下步驟:
1)當電弧處于預燃弧階段時,利用傳統(tǒng)時變電阻模型來構(gòu)建預燃弧階段的動態(tài)電弧電阻ry(t),具體計算式如下:
上式中,τ為衰減系數(shù),取值τ=109;
2)當電弧處于穩(wěn)態(tài)燃弧階段時,穩(wěn)態(tài)電弧電阻r0取值為可整定固定值,建議取值為0.5歐姆;
3)當電弧處于全熄弧階段時,基于mayr電弧模型的高頻特性,得到全熄弧階段的電弧電阻rq(t),計算式如下:
上式中,gp為電弧瞬時電導,gp為電弧穩(wěn)態(tài)電導,tp為電弧時間常數(shù),i為電弧電流,vp為單位電弧電壓,lp為電弧長度。
基于電磁暫態(tài)仿真軟件pscad/emtdc(powersystemscomputeraideddesign)搭建交流濾波器支路用斷路器高頻電弧模型。在建立的交流濾波器用斷路器動態(tài)電弧模型中,故障濾波器支路的三相被分開且支路的無關設備被簡化處理,著重突出燃弧的濾波器支路,假設該支路的斷路器c相發(fā)生燃弧故障。根據(jù)圖1所示的三段式電弧模型,建立了交流濾波器燃弧控制模型示意圖如圖2所示。
設定仿真總時長0.5s,故障發(fā)生于0.2484s,燃弧時長3ms,其中,預燃弧階段為0.5ms,穩(wěn)態(tài)燃弧階段為2ms,熄弧階段0.5ms,模型的采樣頻率f=104hz。
第一次燃弧故障時,利用構(gòu)建的電弧仿真模型,得到的第一次電弧電壓和電弧電流如下表1和表2所示:
表1交流濾波器用斷路器燃弧過程電弧電流值
表2交流濾波器用斷路器燃弧過程的電弧電壓值
以上所述僅為本申請的優(yōu)選實施例而已,并不用于限制本申請,對于本領域的技術人員來說,本申請可以有各種更改和變化。凡在本申請的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本申請的保護范圍之內(nèi)。
上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了描述,但并非對本發(fā)明保護范圍的限制,所屬領域技術人員應該明白,在本發(fā)明的技術方案的基礎上,本領域技術人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護范圍以內(nèi)。