電力系統不同故障類型電弧特性研究

摘 要：【目的】電力系統的不同故障類型會產生不同的短路電流及電弧特性，研究這些特性對斷路器成功切除故障起到至關重要的作用。為準確識別出電力系統中的不同故障類型，提出一種通過觀測電弧及其弧后特性的方法。【方法】采用粒子模擬和電弧觀測技術，模擬研究斷路器在單相接地短路、兩相短路和三相接地短路這三種故障類型下的電弧特性。【結果】研究發現，電弧及其弧后特性與不同故障類型的預警之間存在密切關系，不同故障類型下的電弧粒子和電勢二維分布特征各異。【結論】真空電弧及弧后特性能反映出故障的具體類型，且以三相接地短路故障的真空電弧弧后粒子濃度最高、擴散時間最長，對弧后的介質恢復過程產生不利影響。這一發現為電力系統故障診斷和斷路器設計提供了重要依據。

關鍵詞：電力系統；故障類型；電弧特性

中圖分類號：TM89 文獻標志碼：A 文章編號：1003-5168（2024）21-0004-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.001

Study on Arc Characteristics of Different Faults Types in Power System

YANG Hao GUO Yanyan WANG Yuxin

（State Grid Henan Extra High Voltage Company ， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] In power systems， different types of faults generate varying short-circuit currents， leading to distinct arc characteristics. Studying the arc characteristics under different fault conditions is crucial for the successful operation of circuit breakers. This paper proposes a method to quickly identify different types of faults in power systems by observing the arc and post-arc characteristics. [Methods] Through particle simulation and arc observation， the arc characteristics of circuit breakers under three fault types including single-phase ground short circuit， two-phase short circuit and three-phase ground short circuit are simulated. [Findings] It is found that there is a close relationship between the arc and its post-arc characteristics and the early warning of different fault types. The two-dimensional distribution characteristics of arc particles and potential are varying under different fault types. [Conclusions] The vacuum arc and post-arc characteristics can reflect the specific types of faults， and the vacuum arc with three-phase ground short-circuit fault has the highest particle concentration and the longest diffusion time， which has an adverse effect on the medium recovery process of the post-arc. This finding provides an important basis for power system fault diagnosis and circuit breaker design.

Keywords： power system; fault type; arc characteristic

0 引言

電力系統發生的故障會威脅到電網的穩定運行。不同類型的故障產生的危害不同，變電站需要對不同故障做出快速判斷，并以最快速度解決故障，減少電力設備的受損程度。

真空斷路器是一種閉合或斷開交直流電路的電氣設備，可在真空中關合開斷電流。在真空環境中，電子和離子的自由路徑變得非常長，導致電弧在真空中消失的速度非常快［1-3］。真空斷路器因具有高效、可靠、低維護和環保的特性，已成為現代電力系統中的首選設備。

在斷路器斷開過程中，當真空斷路器的觸點開始分離時，電流并不會立即中斷。在電場的作用下，電子從陰極開始釋放，并在兩個觸點間形成一個電導通道，即產生電弧［4-5］。真空電弧可分為電子發射、電離過程、電弧的形成和維持這三個階段。當觸點開始分離時，較高的電場促使觸點上的金屬表面發射出電子。這些電子在移動到陽極的過程中會碰撞觸點間的金屬蒸氣分子，導致金屬蒸氣電離，從而生成更多的電子和正離子［6-10］。由于這一連續的電離過程，一個穩定的電弧通道會在兩觸點之間形成并維持，直到電流下降到零或電弧被強制熄滅。真空電弧具有距離短、滅弧快、弧壓低、蒸氣少、噪聲低等特點，其主要特點如圖1所示。

真空斷路器的電弧燃燒與電力系統不同故障類型有一定聯系，在初級階段、電弧增長階段、電弧穩定燃燒階段、電弧熄滅階段及弧后階段，真空電弧都可與不同故障類型建立起聯系［11-14］。隨著燃弧的結束，真空電弧弧后階段的介質恢復決定了斷路器能否可靠開斷，弧后階段的殘余等離子體分布及電弧熄滅階段的陰極斑點演變與故障的發生有著一定關系［15-20］。

目前，關于真空斷路器開斷的弧后特性研究往往是以單一短路故障為初始條件來設置電弧特性的，而實際真空斷路器開斷時，故障類型有很多，不同短路故障會產生不同的電弧發展特性。例如，單相接地故障、相間短路故障、三相接地短路故障等。需要對不同故障類型的電弧發展特性進一步研究。

由于電力系統不同故障類型下的短路電流發展特性是不同的，短路電流的不同會影響斷路器的開斷特性，因此有必要對不同故障類型下的電弧特性展開研究。本研究對不同故障類型下的電弧發展特性進行了仿真分析研究，以真空斷路器為研究對象，對電弧特性與故障類型間的關系展開研究，為變電站對不同故障做出快速判斷提供依據。

1 真空電弧與系統故障的關系

真空電弧的一個重要階段是弧后介質恢復過程，弧后介質恢復可間接反映真空電弧的燃燒過程，尤其是電弧的記憶效應影響電弧的發展和陰極斑點的熄滅位置。弧后介質恢復過程包括熄弧后的初級階段、介質強度恢復階段和穩定階段。在初級階段，電流過零，金屬蒸氣開始冷凝，自由電子與陽離子開始重新組合；在介質強度恢復階段，在瞬態恢復電壓的作用下，電場重新建立，真空水平恢復，觸頭間隙的介質強度會逐漸增加；在最后穩定階段，介質強度恢復，準備再次開斷。發生故障后，真空電弧能否順利開斷則取決于介質恢復強度和弧后瞬態恢復電壓，因此需要對弧后瞬態恢復電壓作用下的弧后粒子和弧后電勢分布展開研究。

電力系統中發生的故障與電弧關系極為復雜，二者的相互作用會對系統的穩定性和安全性產生嚴重影響。故障會為電弧的形成提供條件，電弧也會加大故障產生的影響。由于大電流的作用，在電力系統中，短路故障常常會導致流過電路的電流急劇增加。這種增加的電流會迅速超過電線和設備設計的電流承載能力，導致電線和設備的溫度升高。當電流足夠高時，即使在空氣或其他絕緣介質中，也有可能產生電弧。這是因為高電流會導致周圍介質的電離，形成一個導電通路，從而引發電弧。如果絕緣材料的絕緣失效，那么電流會泄漏到不應有電流的部分。在短路故障的情況下，如果絕緣材料出現老化、物理損傷或因高溫而退化，就會失去絕緣性能，使得原本應該隔離導體之間形成電弧。

電弧產生的高溫會對電力系統產生直接威脅。電弧的溫度高達幾千攝氏度，足以熔化大多數金屬（包括電線和電氣設備部件）。這種高溫不僅會燒毀電路元件，還會引發火災，特別是在有易燃物質的環境中。另外，電弧在形成和維持過程中會產生強烈的電磁場。這些電磁波會干擾電力系統中的信號傳輸，影響控制系統的準確性和可靠性。在某些情況下，電磁干擾甚至能導致保護裝置錯誤動作或失效，從而使系統進一步暴露在未受保護的狀態中。電弧會損害系統的穩定性與安全性，電弧的存在不僅加劇了局部的設備損害，還可能影響整個系統的穩定性。例如，電弧可能導致重要的保護設備失效，使得本應隔離的故障區域進一步擴大，增加系統的不穩定性。此外，電弧的隨機性和不可預測性使得及時檢測和應對措施落實變得更加困難。

2 仿真分析

2.1 仿真參數設置

本研究使用VSim軟件進行粒子模擬仿真，VSim是一款用于對電磁、等離子體和粒子動力學模擬的高級仿真軟件，廣泛應用于物理、工程和其他科學領域的研究和設計中。VSim具有多物理場模擬、靈活建模、高性能計算、用戶界面友好、應用領域廣泛、模塊可擴展等優點，并具有精確計算微觀粒子的演化狀態，可以達到其他仿真軟件無法達到的計算精度。

根據短路故障類型的不同，設置不同的仿真參數，包括粒子初始濃度、初始粒子溫度、瞬態電壓下降率。不同故障類型的初始條件設置是不同的，初始條件設置見表1。

對電力系統三相接地短路、兩相相間短路和單相接地故障下的真空電弧弧后粒子消散過程進行仿真研究，設定不同等離子體初始濃度大小和不同瞬態恢復電壓下降率，用以模擬不同故障短路類型，得到初始階段、發展階段和結束階段弧后粒子分布與不同故障類型之間的關系。

按照上述參數設置，對真空電弧弧后發展過程進行仿真分析，觀察弧后不同階段的粒子與電勢分布。仿真得到真空電弧的弧后初始階段、發展階段和結束階段的結果如下。

2.2 真空電弧弧后初始階段仿真結果分析

弧后初始階段（t=1 μs）單相接地故障、相間短路故障和三相接地短路故障下弧后粒子和弧后電勢如圖2所示。

由圖2可知，在初始階段，單相接地故障的弧后粒子向上下兩側擴散，且粒子濃度相對較低，電勢主要沿弧后陰極分布，等勢線分布較稀疏；相間短路故障時，粒子兩端擴散減小，粒子濃度相對較大，等勢線沿著弧后陰極分布較密集；三相接地故障時，粒子濃度最密，電勢線主要沿弧后陽極分布。

2.3 真空電弧弧后發展階段仿真結果分析

弧后發展階段（t=4 μs）單相接地故障、相間短路故障和三相接地短路故障下弧后粒子和弧后電勢如圖3所示。

由圖3可知，在發展階段，單相接地故障的弧后粒子向上下兩側繼續擴散，且粒子濃度降低明顯，電勢主要沿弧后陰極分布，等勢線分布較稀疏，此時電勢充滿整個間隙，鞘層完全形成；相間短路故障時，粒子兩端擴散逐漸收縮，等勢線仍然沿著弧后陰極分布；三相接地故障時，粒子濃度最密，粒子分布出現畸變現象，電勢線沿著弧后陽極分布，逐漸向弧后陽極發展。

2.4 真空電弧弧后結束階段仿真結果分析

弧后初始階段（t=8 μs）單相接地故障、相間短路故障和三相接地短路故障下弧后粒子和弧后電勢如圖4所示。

由圖4可知，在結束階段，單相接地故障的弧后粒子向上下兩側繼續擴散，且粒子濃度繼續降低，電勢主要沿著弧后陰極分布充滿整個間隙；相間短路故障時，粒子兩端擴散繼續收縮，等勢線仍然沿著弧后陰極分布充滿整個間隙；三相接地故障時，粒子濃度最密，粒子主要沿弧后陰極分布，電勢線沿著弧后陽極分布，并充滿整個間隙。

綜上所述，單相接地故障時的弧后粒子濃度相對較低，弧后等勢線分布比較稀疏；相間短路故障時的粒子分布逐漸向觸頭收縮，電勢線分布較密集；三相接地故障時的粒子分布出現畸變，電勢線主要沿著弧后陽極分布。

3 結語

本研究對弧后特性與電力系統不同故障類型的關系進行分析。通過實時監測真空電弧弧后特性來對故障類型進行評估，真空電弧的弧后特性可為電弧故障監測系統的設計提供一定的借鑒和指導。

真空電弧及其弧后特性可以反映出不同故障類型，可以根據弧后特性快速判斷出單相接地、相間故障和三相接地故障類型。其中，單相接地弧后粒子分布均勻，三相接地故障粒子分布分散，相間短路粒子分布則位于二者之間。

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