隔離開關(guān)熄弧模型對(duì)特快速暫態(tài)過電壓的影響

劉教民，杜 巍，王震洲，李永剛

（1.華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定 071003；2.河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

隔離開關(guān)熄弧模型對(duì)特快速暫態(tài)過電壓的影響

劉教民1，杜 巍1，王震洲2，李永剛1

（1.華北電力大學(xué) 電力工程系，河北 保定 071003；2.河北科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河北 石家莊 050018）

在特快速暫態(tài)過電壓（Very Fast Transient Overvoltage,VFTO)的仿真計(jì)算中，隔離開關(guān)電弧模型的準(zhǔn)確程度是影響 VFTO計(jì)算結(jié)果的重要因素．目前，在對(duì)隔離開關(guān)電弧模型的研究中，大多數(shù)研究都集中于電弧的擊穿過程，對(duì)于隔離開關(guān)熄弧過程的研究較少．針對(duì)該問題，采用理論分析和仿真計(jì)算的方法探討了隔離開關(guān)熄弧模型對(duì)特快速暫態(tài)過電壓的影響．仿真結(jié)果表明，與只考慮擊穿過程的電弧模型相比，熄弧模型及其相關(guān)參數(shù)的選取對(duì) VFTO的仿真結(jié)果影響非常大，當(dāng)熄弧過程在納秒時(shí)間級(jí)內(nèi)發(fā)生時(shí)，VFTO的波形和頻譜都會(huì)受到影響，特高頻分量增加；而當(dāng)熄弧過程在微秒時(shí)間級(jí)內(nèi)發(fā)生時(shí)，VFTO的衰減速度會(huì)受到影響，其最大幅值不受影響．本文的工作對(duì)于在實(shí)際情況下如何選取合理的電弧模型及參數(shù)，從而評(píng)估VFTO水平具有重要的意義．

隔離開關(guān)；熄弧模型；特快速暫態(tài)過電壓；仿真計(jì)算

Abstract In thesimulationcalculationprocessofveryfasttransientovervoltage(VFTO),itis thecriticalfactorthatgives an accuratedescription to arc produced in theprocess of disconnector operation.At present,in the disconnector arc model research,most studies have focused on the breakdown process of the arc.Aiming at this issue,this paper discusses the influence of thequenching process ofarc on very fasttransient overvoltage based on the theoretical analysis andsimulation calculation.The simulation results show that the quenching process of arc has a great influence on VFTO.When the quenching process of arc is accomplished in nanoseconds,the amplitude and gradient of VFTO is all reduced.When the quenching process of arc is accomplished in nanoseconds microseconds,the amplitude and gradient of VFTO remains unchanged.This paperprovidesa referencetothe actual situation of the reasonableselection ofarc modeland its parameter for VFTO simulation.

Key words disconnector;quenching process of arc;very fast transient overvoltage VFTO);simulation calculation

隨著我國特高壓電網(wǎng)建設(shè)的逐步開展，SF6氣體絕緣組合電器（gasinsulated switchgear，GIS）以其結(jié)構(gòu)緊湊和運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1]．倒閘操作是電力系統(tǒng)投切負(fù)載一種常見操作方式，在倒閘操作過程中，GIS內(nèi)隔離開關(guān)分合帶電空載母線時(shí)會(huì)產(chǎn)生一種幅值高、陡度大、頻率密集、波形復(fù)雜的特快速暫態(tài)過電壓（very fast transient overvoltage，VFTO）．VFTO由于其特性復(fù)雜，嚴(yán)重威脅了GIS及相連設(shè)備的電氣絕緣性能．運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在330 kV及41以上電壓等級(jí)系統(tǒng)中，VFTO引發(fā)的絕緣擊穿事故率超過了雷電和操作過電壓引起的絕緣擊穿事故率[2]．

對(duì)VFTO進(jìn)行仿真計(jì)算是獲得VFTO水平的一個(gè)重要方法．隔離開關(guān)電弧模型是影響VFTO仿真結(jié)果的重要因素[3]．目前，在對(duì)隔離開關(guān)電弧模型的研究中，學(xué)者們大多把焦點(diǎn)關(guān)注在電弧的產(chǎn)生過程，對(duì)于電弧熄滅過程的研究關(guān)注較少，電弧熄滅過程會(huì)對(duì)VFTO的仿真結(jié)果產(chǎn)生怎樣的影響，目前的研究成果還很少見．因此，本文首先對(duì)電弧的熄弧理論進(jìn)行分析，對(duì)傳統(tǒng)的電弧熄弧模型進(jìn)行了探討；然后對(duì)當(dāng)前熄弧模型在VFTO仿真中的應(yīng)用進(jìn)行了仿真計(jì)算，并通過與只考慮擊穿過程的模型進(jìn)行對(duì)比，獲得了電弧熄弧模型及熄弧參數(shù)對(duì)VFTO的影響規(guī)律．

1 隔離開關(guān)電弧的熄弧理論與數(shù)學(xué)模型

開關(guān)電弧是氣體放電的一種形式．當(dāng)在開關(guān)間隙的兩端加上足夠大的電場時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致氣體間隙發(fā)生擊穿，氣體從絕緣狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)電狀態(tài)，并有電弧放電電流通過，即開關(guān)電弧，開關(guān)電弧在經(jīng)過一定的時(shí)間后會(huì)熄滅，氣體由導(dǎo)電狀態(tài)再次恢復(fù)為絕緣狀態(tài)．在隔離開關(guān)電孤的熄滅理論的研究方面，現(xiàn)有的電弧熄滅判據(jù)包括兩種：弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度理論和能量守恒理論．弧隙介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度理論[4]認(rèn)為電弧的產(chǎn)生和熄滅取決于介質(zhì)恢復(fù)過程和電壓恢復(fù)過程的“競賽”，若介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度小于開關(guān)間隙斷口電壓，則間隙擊穿，產(chǎn)生電弧，若介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度大于開關(guān)間隙斷口電壓的恢復(fù)過程，則電弧熄滅．能量守恒理論認(rèn)為電弧是否熄滅取決于弧隙輸入能量與散出能量的大小關(guān)系[5]，當(dāng)弧隙輸入能量小于散出能量時(shí)電弧會(huì)熄滅．根據(jù)介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)理論，電弧會(huì)在電弧電流每次過零時(shí)熄滅，不存在弧后電流，而能量守恒理論理論則認(rèn)為電弧電流過零后存在弧后電流，因此弧隙仍然存在能量，一直到弧后電流趨于零時(shí)，電弧才會(huì)熄滅．為了研究隔離開關(guān)電弧的熄滅過程，國家電網(wǎng)公司開展的“特高壓GIS/HGIS設(shè)備VFTO實(shí)測及仿真研究”項(xiàng)目中進(jìn)行了多次試驗(yàn)[5]，并采集了大量電弧放電電流．從采集到的電流上看，隔離開關(guān)的電弧電流為高頻震蕩波形，在高頻成分過零后，其震蕩規(guī)律并未發(fā)生變化，而是一直持續(xù)下去，直至幅值趨于零．這說明隔離開關(guān)電弧是電弧電流趨于零熄滅而非過零熄滅，符合能量守恒理論中的電弧熄弧規(guī)律．

針對(duì)隔離開關(guān)的熄弧規(guī)律，學(xué)者們先后提出了不同的電弧熄滅模型．文獻(xiàn) [6]在國內(nèi)首次將電弧的熄弧模型引入到隔離開關(guān)電弧模型中，提出了分段思想的電弧模型．文獻(xiàn) [7-8]在此基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，提出了各自的電弧模型．總結(jié)目前隔離開關(guān)電弧的熄弧模型，可以發(fā)現(xiàn)其主要差別體現(xiàn)在熄弧時(shí)間上，對(duì)于熄弧過程中弧阻的變化規(guī)律一般都認(rèn)為是電弧電阻從穩(wěn)態(tài)燃弧電阻（在0.5～5 之間）近似成指數(shù)增加．為了比較電弧熄弧模型對(duì)VFTO的影響規(guī)律，本文對(duì)電弧的擊穿模型采用相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式

1）熄弧時(shí)間為納秒級(jí)，熄弧過程大約在30 ns左右，數(shù)學(xué)模型為[7]

2）熄弧時(shí)間為微秒級(jí)，熄弧過程大約在30 s左右，其數(shù)學(xué)模型為[8]

2 GIS仿真試驗(yàn)回路及設(shè)備計(jì)算模型

以我國拉西瓦750 kVGIS系統(tǒng)為例[9]進(jìn)行VFTO的仿真計(jì)算，該變電站接線方式靈活，運(yùn)行方式較多，以往的研究經(jīng)驗(yàn)表明，隨著GIS裝置的網(wǎng)絡(luò)支路增多，過電壓幅值會(huì)有所下降[10]．因此，本文以其中一種接線方式和運(yùn)行方式為例進(jìn)行計(jì)算，所選取的電氣接線示意圖如圖1所示．

由于750kVGIS系統(tǒng)母線采用三相分體式的結(jié)構(gòu)，因此它們之間的耦合可以忽略，仿真計(jì)算時(shí)只需考慮一相的情況．GIS母線采用分布參數(shù)模型，用無損傳輸線表示，波阻抗，波速，變壓器采用等值入口電容表示，斷路器合閘狀態(tài)等效為無損傳輸線，分閘狀態(tài)等效為斷口電容，避雷器等效為對(duì)地電容，電流互感器用等值對(duì)地電容，隔離開關(guān)在斷開狀態(tài)時(shí)等效為對(duì)地電容，合閘狀態(tài)等效為無損傳輸線．VFTO的仿真過程考慮行波的傳播特性，根據(jù)該750 kV GIS變電站的運(yùn)行特點(diǎn)，本文以隔離開關(guān)DST2A閉合操作為例進(jìn)行仿真研究，仿真計(jì)算的初始條件是DST1、DST12和DST2B處于閉合狀態(tài)，斷路器CB2為斷開狀態(tài)，接地開關(guān)均處于斷開狀態(tài)．

圖1 VFTO仿真電氣接線示意圖Fig.1 The electrical diagram of the 750kVGIS for VFTO simulation

3 隔離開關(guān)熄弧模型對(duì)特快速暫態(tài)過電壓的影響分析

借助ATP/EMTP軟件特快速暫態(tài)過電壓進(jìn)行仿真分析，為了便于分析，分3類情況進(jìn)行對(duì)比：圖2a）不考慮熄弧過程的擊穿模型，表達(dá)式見式(1)；圖2b）熄弧時(shí)間為納秒級(jí)的熄弧模型，表達(dá)式見式(2)；圖2c）熄弧時(shí)間為微秒級(jí)的熄弧模型，表達(dá)式見式(3)．利用MODELS語言對(duì)電弧弧阻模型進(jìn)行編程，非線性電阻元件R(TACS)Type91對(duì)其計(jì)算結(jié)果進(jìn)行輸出，并利用matlab對(duì)VFTO進(jìn)行頻譜分析．隔離開關(guān)DST2A操作時(shí)，電源側(cè)電壓為+1.0p.u（653 kV），短母線上殘余電壓為-1.0p.u．3種電弧弧阻模型下，隔離開關(guān)DST2A電源側(cè)VFTO的波形與頻譜分析如圖2所示

對(duì)比圖2的3組仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，與只考慮擊穿過程的電弧模型相比（圖2a），考慮熄弧過程的電弧模型下VFTO波形和頻譜都發(fā)生了顯著變化．熄弧時(shí)間為納秒級(jí)電弧模型（圖2b），由于其一次燃弧時(shí)間非常短，電弧電阻變化非常迅速．因此，VFTO波的折反射最為頻繁，波形最復(fù)雜，頻率分布也非常廣泛，基本范圍在0～20 MHz之間，但由于燃弧時(shí)間短，其基本頻率（0.2 MHz）的幅值最小，而高頻的VFTO幅值（2～20MHz）由行波的折反射疊加而變大．熄弧時(shí)間為微秒級(jí)的電弧模型（圖2c）有一個(gè)明顯的衰減時(shí)間，從7 s開始，VFTO進(jìn)入了以相對(duì)穩(wěn)定的幅值區(qū)間，與圖2a）相比發(fā)現(xiàn)，兩者的仿真結(jié)果在初期的時(shí)間段內(nèi)（1～4 s）VFTO的波形相同，說明熄弧過程對(duì)VFTO的波頭和陡度沒有影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了VFTO的波頭和陡度是由擊穿過程決定的[11]．從VFTO的頻譜分析上看，圖2a）與圖2c）電弧模型下VFTO的頻率分布是一致的，這是因?yàn)?個(gè)電弧模型一次燃弧的時(shí)間都在微秒時(shí)間級(jí)內(nèi)，行波的折反射不如圖2b）電弧模型下行波的折反射劇烈，因此，圖2a）與圖2c）電弧模型下VFTO的基本頻率高于圖2b）電弧模型下VFTO的基本頻率，但特高頻率的幅值和分布都比圖2b）電弧模型下VFTO的要小．圖2a）與圖2c）對(duì)比發(fā)現(xiàn)，盡管考慮熄弧過程后，兩者的VFTO頻率分布大體上一致，但圖2b）（考慮熄弧過程）中VFTO的基本頻率的幅值要比圖2a）中（不考慮熄弧過程）VFTO的基本頻率的幅值小很多，熄弧過程仍然抑制了VFTO的幅值．

4 結(jié)論

GIS中隔離開關(guān)的電弧變化是一個(gè)非常復(fù)雜的物理、化學(xué)過程，弧阻變化是高度非線性的．在特快速暫態(tài)過電壓的研究上，以往的研究大多關(guān)注擊穿過程上，對(duì)于電弧熄弧過程的研究關(guān)注不多，本文針對(duì)該問題，采用理論分析和數(shù)值仿真的方法探討了隔離開關(guān)熄弧過程對(duì)VFTO的影響，初步得到了以下的結(jié)論．

1）熄弧過程會(huì)影響VFTO的衰減過程，熄弧時(shí)間越短，VFTO衰減越快，VFTO的折反射也就越劇烈，波形越復(fù)雜；

2）熄弧時(shí)間會(huì)影響VFTO頻率分布，當(dāng)熄弧時(shí)間在納秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)時(shí)，VFTO的幅值變大、衰減速度變快，VFTO的折反射劇烈，行波的疊加嚴(yán)重，VFTO的頻率分布廣泛，特高頻分量增加；

3）熄弧時(shí)間會(huì)影響VFTO的幅值，當(dāng)熄弧時(shí)間在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)時(shí)，與只考慮擊穿過程的電弧模型相比，VFTO基本頻率的幅值會(huì)降低．

圖2 隔離開關(guān)電弧模型對(duì)VFTO波形和頻譜的影響Fig.2 The waveforms and frequency spectrograms of VFTO under three types of arc resistance

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[責(zé)任編輯 代俊秋]

Analysis on the influence of the quenching process of arc model on very fast transient overvoltage

LIU Jiao-min1，DU Wei1，WANG Zhen-zhou2，LI Yong-gang1

(1.Department of Electric Power Engineering,North China Electric Power University,Hebei Baoding 071003,China;2.College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Hebei Shijiazhuang 050018,China)

TM501

A

2013-05-30

河北省自然科學(xué)基金（E2012208006）；河北省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究計(jì)劃自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金（Y2012018）；

河北省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究計(jì)劃自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（ZH2011243）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（12QX26）

劉教民（1958-），男（漢族），教授，博士生導(dǎo)師．

1007-2373(2013)05-0005-04