基于可變間隙電弧模型單相弧光接地故障仿真研究

*王俊喬 段文智 王萬章 吳偉麗 劉勇

(1.中國石油天然氣股份有限公司烏魯木齊石化分公司 新疆 830000 2.安徽正廣電電力技術(shù)有限公司 安徽 230088)

基于可變間隙電弧模型單相弧光接地故障仿真研究

*王俊喬1段文智1王萬章1吳偉麗2劉勇2

(1.中國石油天然氣股份有限公司烏魯木齊石化分公司 新疆 830000 2.安徽正廣電電力技術(shù)有限公司 安徽 230088)

間歇性弧光接地會(huì)使非故障相產(chǎn)生過電壓,對電網(wǎng)的絕緣性能有嚴(yán)重威脅,影響電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性,建立準(zhǔn)確的電弧模型搭建單相弧光接地過電壓是全過程仿真模型的基礎(chǔ)與關(guān)鍵,為此,在Mayer和Cassie電弧模型及氣體擊穿理論基礎(chǔ)上,提出了能夠更為如實(shí)描述實(shí)際單相弧光過電壓仿真的電弧模型.結(jié)合Mayer和Cassie電弧模型在描述電放電過程中不同的側(cè)重點(diǎn),建立了Mayer-Cassie聯(lián)合電弧模型,再利用某35kV變電站數(shù)據(jù)進(jìn)行PSASP和ETSDAC軟件聯(lián)合仿真,結(jié)果表明,可變間隙電弧模型能夠適用于單相不接地系統(tǒng)的間歇性弧光接地故障模擬,可為處理單相弧光接地故障提供理論參考.

可變間隙模型;Mayer和Cassie電弧模型;PSASP amp; ETSDAC仿真

1.引言

準(zhǔn)確的電弧模型是分析弧光接地過電壓發(fā)生機(jī)理及仿真的基礎(chǔ)與關(guān)鍵.對此,國內(nèi)外已取得研究成果可歸納如下:

其中有文獻(xiàn)經(jīng)過研究利用電弧能量平衡機(jī)理制定相應(yīng)的電弧接地故障仿真模型,結(jié)合理論與實(shí)踐對電弧仿真模型自身的準(zhǔn)確性與精準(zhǔn)性進(jìn)行探究.另外還有學(xué)者在文獻(xiàn)中主要是應(yīng)用經(jīng)過簡化處理的電弧模型,并通過相應(yīng)的平臺(tái),實(shí)現(xiàn)對電弧模型的對比,從而得出相應(yīng)電弧電流以及相關(guān)數(shù)值.除此之外,為從根本上探究在更小時(shí)間持續(xù)下對電弧接地故障影響性,有文獻(xiàn)主要構(gòu)建仿真平臺(tái),并針對實(shí)際的發(fā)展情況構(gòu)建完善的接地電弧模型.與此同時(shí),在這一基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步探究電弧直徑與電弧仿真精度之間的關(guān)系,有文獻(xiàn)研究中主要采取非線性函數(shù)的研究表述,將電弧的直徑作為研究對象,并根據(jù)結(jié)論與結(jié)果提出了經(jīng)過改良之后的電弧仿真模式.當(dāng)然,在諸多研究中,有諸多學(xué)者是從其它層面進(jìn)行研究的,主要是將電弧模型進(jìn)行整合,并且行政復(fù)合型的模型,這樣一來能夠依據(jù)所獲得的電弧波形數(shù)據(jù)制定模型,但是從現(xiàn)實(shí)分析,因?yàn)榻?jīng)常受到不確定因素的影響,所以數(shù)據(jù)獲取比較困難,所導(dǎo)致的模型也不具備普遍性.有文獻(xiàn)還針對性的構(gòu)建了電弧模型,但是卻無法實(shí)現(xiàn)數(shù)字仿真.

通過對諸多文獻(xiàn)資料的分析與了解,可以清楚的認(rèn)識(shí)到眾多學(xué)者在研究中多以制定模型的方式,且經(jīng)過詳細(xì)研究,可以得到其原理以及結(jié)論,雖然模型和方法各有利弊,不過,要在具體的工程實(shí)際中建立準(zhǔn)確的電弧模型,還需要考慮不接地系統(tǒng)弧光接地過電壓的多時(shí)間尺度和特殊電網(wǎng)背景下進(jìn)行建模方法.

為此,在綜合考慮操作的簡易性與工程的可應(yīng)用性等方面要求的基礎(chǔ)上,提出一種基于Cassie和Mayer的可變間隙電弧模型,并將這種模型應(yīng)用在單相弧光接地過電壓的全過程仿真中,在慮及多時(shí)間尺度和特殊電網(wǎng)背景的前提下搭建了基于大型電力系統(tǒng)仿真軟件ADPSS的單相弧光接地過電壓的全過程仿真模型,以此模擬弧光接地過電壓的產(chǎn)生與消失過程.

2.弧光接地過電壓相關(guān)理論

(1)弧光接地和過電壓

不接地系統(tǒng)發(fā)生單相電弧金屬性接地時(shí)的等值接線圖如圖1所示.

忽略振蕩電壓衰減和相間電容的影響,忽略弧道電阻,從某個(gè)角度分析,如果當(dāng)工頻電壓數(shù)值比較大的時(shí)候發(fā)生絕緣穿擊的現(xiàn)象,那么則需要進(jìn)一步明確所設(shè)定的故障點(diǎn)需要在第一個(gè)零點(diǎn)的時(shí)候熄滅,并且還需要根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)故障相中電容的分布,這樣才能真正形成位移電壓.除此之外,在此發(fā)展基礎(chǔ)上,需要當(dāng)半個(gè)工頻周波發(fā)生的時(shí)候,其自由電荷的數(shù)量不斷增多,這個(gè)時(shí)候位移電壓也會(huì)逐步上升,其暫態(tài)過電壓也會(huì)越來越高.

圖1 中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)的等值線路圖

除此之外,如果電流發(fā)生熄滅之后,其介質(zhì)強(qiáng)度是無法在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)的,這種情況下是無法實(shí)現(xiàn)暫態(tài)電壓的相互遞增.當(dāng)然,需要進(jìn)一步明確相間電容之間所具備的限壓作用.只有真正做到這一點(diǎn),才能在接地電弧重燃的時(shí)候,真正實(shí)現(xiàn)對地電容與相間電容的整合,才能真正降低暫態(tài)電壓.

還有一點(diǎn)便是等到電流出現(xiàn)熄滅之后,介質(zhì)強(qiáng)度是無法得到快速恢復(fù)的,這樣一來暫態(tài)電壓是無法實(shí)現(xiàn)相互遞增的,筆者認(rèn)為需要做的任務(wù)便是要從理論角度出發(fā),利用相關(guān)的原理,真正明白電弧所引發(fā)故障的基本原理.

(2)基于工頻熄弧理論的弧光接地故障數(shù)學(xué)建模

工頻熄弧理論假定故障相在工頻電壓最大值時(shí)發(fā)生絕緣擊穿,接地電弧隨之產(chǎn)生,在工頻電流過零時(shí)電弧熄滅.

假定系統(tǒng)三相電源對稱,假設(shè)A相接地,且在幅值(-Uxg)時(shí)對地閃絡(luò),此時(shí)B、C相對地電容C0上的初始電壓為0.5Uxg,非故障相B、C對地電壓UB、UC將過度到新的穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)值1.5Uxg.則對地電容從初始電壓U0過渡到另一穩(wěn)定電壓UW時(shí),過渡過程中可能出現(xiàn)的最大電壓Umax可由下式近似求得

經(jīng)過對公式的分析與了解可以得知最高電圧表示為2X1.5Uxg-0.5Uxg=2.5Uxg.并且經(jīng)過分析與計(jì)算可以了解到在整個(gè)過程中會(huì)出現(xiàn)衰減現(xiàn)象,與此同時(shí),接地點(diǎn)還會(huì)利用工頻接地電流進(jìn)行運(yùn)行,且利用計(jì)算得知,相位角呈90度左右.

一般而言,當(dāng)其周期為半個(gè)工頻后,可以了解到在過了零點(diǎn)后,電弧會(huì)自動(dòng)熄滅,這樣則會(huì)形成第一次工頻現(xiàn)象.然而值得注意的一點(diǎn)是在斷弧的某個(gè)瞬間內(nèi),因?yàn)殡姾墒菬o法泄漏的,所以電容之間是呈現(xiàn)出平衡分配的現(xiàn)象,這種情況下則會(huì)形成電網(wǎng)中直流電壓分量.

正因?yàn)槿绱?在等到熄弧之后,相對于導(dǎo)線而言,需要實(shí)現(xiàn)電源與電壓的結(jié)合,尤其是等到斷弧之后的某個(gè)瞬間,可以計(jì)算出疊加的結(jié)果,經(jīng)過計(jì)算得知疊加結(jié)果是0,所以這種情況下,電壓的初始值與其是等同的.

電壓振蕩過程參見圖2.

圖2可見,熄弧后,A相對地電壓逐漸恢復(fù),再經(jīng)半個(gè)工頻周期后,B、C相電壓為(-0.5Uxg),A相恢復(fù)電壓則高達(dá)-2Uxg,這時(shí)可能引起重燃,其結(jié)果使B、C相電壓從初始值(-0.5Uxg)趨于線電壓的瞬時(shí)值1.5Uxg,過渡過程最高電壓為2X1.5Uxg-(-0.5Uxg)=3.5Uxg.過渡過程衰減后,B、C相仍將穩(wěn)定在線電壓運(yùn)行.電網(wǎng)中裝有為改善功率因數(shù)而裝有△(或Y)接線的電容器組時(shí),一般不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的間歇性電弧過電壓.因?yàn)樵诠收舷?A相)閃絡(luò)瞬間,非故障相(B、C相)對A相的相間互電容C12將與各自的導(dǎo)線對地自電容C0并接在一起,電荷重新分配使得初始電壓更接近于穩(wěn)態(tài)電壓,從而降低了振蕩過電壓.

圖2 基于工頻熄弧理論間隙電弧接地過電壓震蕩過程

為綜合分析中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)配電網(wǎng)弧光接地過電壓故障過程和特性,必須建立準(zhǔn)確的電弧模型.

3.可變間隙電弧模型

(1)電弧產(chǎn)生機(jī)理

根據(jù)能量平衡理論,電弧中能量的變化可描述如下:

對公式(1)化簡可得:

則有

式中e和i分別表示電弧電壓與流過電弧的電流,ploss為考慮流散熱效應(yīng)與徑向熱傳導(dǎo)效應(yīng)的電弧能量損失,即耗散功率,g為電弧的電導(dǎo),e.i為電弧的輸入能量,電弧時(shí)間常數(shù)τ和ploss為待修正參數(shù).

(2)Mayer-Cassie數(shù)學(xué)模型方程式

建立基于Cassie和Mayer的電弧分段模型思路如下:

首先,根據(jù)Cassie模型:

式中:τ0為Cassie模型中定義的電弧時(shí)間常數(shù);eo為電弧電壓常量;gc為Cassie電弧的電導(dǎo).

接著,再根據(jù)Mayer模型:

式中,gM和τM分別為Mayer電弧模型的電弧電導(dǎo)和時(shí)間常數(shù);PO為穩(wěn)態(tài)下的功率損失.

最后,考慮到實(shí)際電弧在放電過程中呈現(xiàn)長燃弧和短燃弧的綜合特性,兩種燃弧的電弧電導(dǎo)具有明顯差異,為此,結(jié)合Cassie模型和Mayer模型在描述電導(dǎo)方面的優(yōu)點(diǎn),構(gòu)建Cassie-Mayer聯(lián)合電導(dǎo)gMC模型如下:

聯(lián)合電導(dǎo)gMC可以反映在大電流接地時(shí),能量損失由對流引起,則電弧電壓全部降落在Cassie模型的電導(dǎo)gC上;而在電流過零前后,能量損失由熱傳導(dǎo)引起,此時(shí)gM起主要作用.

構(gòu)建聯(lián)合電導(dǎo)模型后,再對式(7)和式(8)分別求解,根據(jù)電弧熄滅過程中的特性,選擇用Cassie模型和Mayer模型逼近,則可描述較為真實(shí)的電弧放電過程.

4.算例分析

某石化系統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)一次接線圖如圖3所示:

圖3 某石化電網(wǎng)系統(tǒng)一次接線圖

分別在35千伏建南變和建北變的6千伏母線處模擬單相弧光接地故障,35千伏建南變弧光接地故障,故障模型如圖4所示.

圖4 35千伏建南變和建北變?nèi)姶欧抡婺Ｐ?/p>

通過對時(shí)控開關(guān)的開斷以模擬電弧的quot;燃弧-熄弧quot;過程,反復(fù)模擬3次弧光接地故障,故障支路的電壓如圖5所示.

圖5 弧光接地故障情況下的35千伏建南變故障支路ABC三相電壓

由圖5可見3次quot;燃弧-熄弧quot;過程中出現(xiàn)的電壓最大值:隨著單相電弧接地故障的逐次增多過電壓現(xiàn)象越來越嚴(yán)重,導(dǎo)致第三次燃弧光過電壓已達(dá)4.285pu.

對35千伏建北變進(jìn)行弧光接地故障仿真模擬,圖6給出了3次弧光接地故障支路電壓,可以看出第三次燃弧光過電壓已達(dá)4.251pu.

圖6 弧光接地故障情況下的35千伏建北變故障支路ABC三相電壓

通過對35千伏建南變和建北變的弧光接地過程仿真,間歇性弧光接地故障可產(chǎn)生較高的弧光過電壓.為有效限制中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)單相弧光接地故障,適當(dāng)控制回路電感與電流陡度所決定的熄弧峰值,或者增加弧道介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度,使熄弧峰值小于弧道介質(zhì)的恢復(fù)強(qiáng)度,便可使接地電弧不再重燃.因此,針對中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)弧光接地故障的抑制策略可概括如下:

(1)在獲得弧光接地故障發(fā)生的具體回路及相別之后,通過優(yōu)化配置的斷路器迅速將弧光接地故障轉(zhuǎn)換為金屬性接地故障,即通過斷路器使故障相直接與地相連,并發(fā)出報(bào)警信息.

(2)經(jīng)過預(yù)定的設(shè)置時(shí)長,待空氣介質(zhì)的強(qiáng)度得到恢復(fù)與加強(qiáng)后,斷路器迅速斷開,系統(tǒng)恢復(fù)正常.

(3)對于中性點(diǎn)不接地的電纜輸配電線路,若斷路器斷開后弧光接地故障重復(fù)發(fā)生,則可判定電纜輸配電線路某相的絕緣已遭到破壞,此時(shí)消弧裝置將弧光接地故障轉(zhuǎn)化為金屬接地.

5.結(jié)語

本文主要論述了一種基于Mayer-Cassie可變間隙電弧模型的單相接地故障仿真方法.利用PSASP和ETSDAC軟件聯(lián)合仿真結(jié)果表明該模型能夠精確反映電弧特性,能夠有效模擬單相弧光接地故障的過程和特性.研究結(jié)果可為分析與處理單相弧光接地故障提供參考.

[1]于然,付周興,王清亮等.基于MATLAB的電弧建模仿真及故障分析[J].高壓電器,2011,47(9):95-99.

[2]于燃.小電流接地系統(tǒng)單相電弧接地建模研究[M].西安科技大學(xué),2012.

[3]GIdarraga Ospina, DCubillos, LIbanez. Analysis of arcing fault models[C]//Transmission and Distribution Conference and Exposition: Latin America, 2008 IEEE/PES.IEEE, 2008:1-5.

[4]姜斌峰,王莉.低壓交流電線故障電弧模型研究[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2009,21(04):20-24.

[5]顧榮斌,蔡旭,陳海昆,金之儉,高偉國.非有效接地電網(wǎng)單相電弧接地故障的建模及仿真[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(13):63-67.

[6]Alireza Khakpour, Steffen Franke, Sergey Gorchakov,Dirk Uhrlandt,Ralf Methling, Klaus-Dieter Weltmann. An Improved Arc Model Based on the Arc Diameter[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2015, (99):1-1.

[7]J LGuardado, S GMaximov, EMelgoza, JL Naredo, P Moreno. An Improved Arc Model Before Current Zero Based on the Combined Mayr and Cassie Arc Models[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2005, 20(1): 138-142.

[8]金海望,鄭曉輝,夏巖松,王強(qiáng),田霖,張亞晨,徐璐,高立柱.中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)故障電弧模型的搭建與仿真[J].電氣自動(dòng)化,2015,37(1):94-95.

[9]束洪春,劉振松,彭仕欣.同塔雙回線電弧故障單端測距算法[J].電力自動(dòng)化設(shè)備,2008,28(12):11-15.

[10]劉曉明,韓穎,王爾智等.基于多物理場耦合的高壓SF6斷路器混沌電弧模型[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2013,28(1):165-172.

[11]康健.接地故障電弧的精確數(shù)字仿真及其計(jì)算[J].繼電器,2002,30(5):14-16.

[12]岳航.烏海電網(wǎng)弧光接地過電壓抑制措施研究[D].華北電力大學(xué),2006.

[13]支元彥,楊國平,陶文,雷斌.限制弧光接地過電壓及提高小電流接地選線率的新技術(shù)[J].電氣開關(guān),2006,01:5-7.

[14]劉艷芬,張嘉星,王慶雄.弧光接地過電壓的限制措施[J].包鋼科技,2006,04:87-89.

[15]姜壇.弧光接地過電壓及其限制措施[J].銅業(yè)工程, 2006,04:43-46.

[16]徐其惠,曹貝貞.風(fēng)力發(fā)電中的弧光接地過電壓限制方法研究[J].華東電力,2011,05:830-833.

王俊喬(1976-),女,中國石油天然氣股份有限公司烏魯木齊石化分公司;研究方向:電氣設(shè)備管理.

Simulation Study of Single-phase Arc Fault Based on Variable Gap Arc Model

Wang Junqiao1, Duan Wenzhi1, Wang Wanzhang1, Wu Weili2, Liu Yong2

(1.Urumqi petrochemical branch of China petroleum and natural gas CO., LTD, Xinjiang, 830000 2. Anhui Zhengguang Power Technology CO., LTD, Anhui, 230088)

Intermittent arc grounding will lead the Fei fault phase causes overvoltage, which has seriously threat the insulation performance of the grid, affect the stability of the power grid operation, and establish an accurate single-phase arc grounding overvoltage is the foundation and key of the simulation model of building arc model. Therefore, on the basis of Mayer and Cassie arc model and gas breakdown theory, the arc model which can describe the actual single-phase arc overvoltage simulation is proposed. Mayer - Cassie combined arc model was established by combining Mayer and Cassie arc model in describing the electric discharge process, and a simulation of PSASP and ETSDAC software was carried out using the data of a 35kV substation. The results show that the variable gap arc model can be applied to the simulation of intermittent arc grounding fault of single-phase ungrounded system, which can provide theoretical reference for the treatment of single-phase arc grounding fault.

variable gap model;mayer and cassie arc models;simulation of PSASP - ets DAC

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