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有限公司 安徽 230088)

間歇性弧光接地會使非故障相產生過電壓,對電網的絕緣性能有嚴重威脅,影響電網運行的穩(wěn)定性,建立準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與關鍵,為此,在Mayer和Cassie電弧模型及氣體擊穿理論基礎上,提出了能夠更為如實描述實際單相弧光過電壓仿真的電弧模型.結合Mayer和Cassie電弧模型在描述電放電過程中不同的側重點,建立了Mayer-Cassie聯合電弧模型,再利用某35kV變電站數據進行PSASP和ETSDAC軟件聯合仿真,結果表明,可變間隙電弧模型能夠適用于單相不接地系統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

準確的電弧模型是分析弧光接地過電壓發(fā)生機理及仿真的基礎與關鍵.對此,國內外已取得研究成果可歸納如下:

其中有文獻經過研究利用電弧能量平衡機理制定相應的電弧接地故障仿真模型,結合理論與實踐對電弧仿真模型自身的準確性與精準性進行探究.另外還有學者在文獻中主要是應用經過簡化處理的電弧模型,并通過相應的平臺,實現對電弧模型的對比,從而得出相應電弧電流以及相關數值.除此之外,為從根本上探究在更小時間持續(xù)下對電弧接地故障影響性,有文獻主要構建仿真平臺,并針對實際的發(fā)展情況構建完善的接地電弧模型.與此同時,在這一基礎上,為進一步探究電弧直徑與電弧仿真精度之間的關系,有文獻研究中主要采取非線性函數的研究表述,將電弧的直徑作為研究對象,并根據結論與結果提出了經過改良之后的電弧仿真模式.當然,在諸多研究中,有諸多學者是從其它層面進行研究的,主要是將電弧模型進行整合,并且行政復合型的模型,這樣一來能夠依據所獲得的電弧波形數據制定模型,但是從現實分析,因為經常受到不確定因素的影響,所以數據獲取比較困難,所導致的模型也不具備普遍性.有文獻還針對性的構建了電弧模型,但是卻無法實現數字仿真.

通過對諸多文獻資料的分析與了解,可以清楚的認識到眾多學者在研究中多以制定模型的方式,且經過詳細研究,可以得到其原理以及結論,雖然模型和方法各有利弊,不過,要在具體的工程實際中建立準確的電弧模型,還需要考慮不接地系統弧光接地過電壓的多時間尺度和特殊電網背景下進行建模方法.

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

2.弧光接地過電壓相關理論

(1)弧光接地和過電壓

不接地系統發(fā)生單相電弧金屬性接地時的等值接線圖如圖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,從某個角度分析,如果當工頻電壓數值比較大的時候發(fā)生絕緣穿擊的現象,那么則需要進一步明確所設定的故障點需要在第一個零點的時候熄滅,并且還需要根據當前的實際情況實現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)展基礎上,需要當半個工頻周波發(fā)生的時候,其自由電荷的數量不斷增多,這個時候位移電壓也會逐步上升,其暫態(tài)過電壓也會越來越高.

圖1 中性點不接地系統的等值線路圖

除此之外,如果電流發(fā)生熄滅之后,其介質強度是無法在短時間內恢復的,這種情況下是無法實現暫態(tài)電壓的相互遞增.當然,需要進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,才能在接地電弧重燃的時候,真正實現對地電容與相間電容的整合,才能真正降低暫態(tài)電壓.

還有一點便是等到電流出現熄滅之后,介質強度是無法得到快速恢復的,這樣一來暫態(tài)電壓是無法實現相互遞增的,筆者認為需要做的任務便是要從理論角度出發(fā),利用相關的原理,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學建模

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

假定系統三相電源對稱,假設A相接地,且在幅值(-Uxg)時對地閃絡,此時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,過渡過程中可能出現的最大電壓Umax可由下式近似求得

經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.并且經過分析與計算可以了解到在整個過程中會出現衰減現象,與此同時,接地點還會利用工頻接地電流進行運行,且利用計算得知,相位角呈90度左右.

一般而言,當其周期為半個工頻后,可以了解到在過了零點后,電弧會自動熄滅,這樣則會形成第一次工頻現象.然而值得注意的一點是在斷弧的某個瞬間內,因為電荷是無法泄漏的,所以電容之間是呈現出平衡分配的現象,這種情況下則會形成電網中直流電壓分量.

正因為如此,在等到熄弧之后,相對于導線而言,需要實現電源與電壓的結合,尤其是等到斷弧之后的某個瞬間,可以計算出疊加的結果,經過計算得知疊加結果是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,再經半個工頻周期后,B、C相電壓為(-0.5Uxg),A相恢復電壓則高達-2Uxg,這時可能引起重燃,其結果使B、C相電壓從初始值(-0.5Uxg)趨于線電壓的瞬時值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)定在線電壓運行.電網中裝有為改善功率因數而裝有△(或Y)接線的電容器組時,一般不會產生嚴重的間歇性電弧過電壓.因為在故障相(A相)閃絡瞬間,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

為綜合分析中性點不接地系統配電網弧光接地過電壓故障過程和特性,必須建立準確的電弧模型.

3.可變間隙電弧模型

(1)電弧產生機理

根據能量平衡理論,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為考慮流散熱效應與徑向熱傳導效應的電弧能量損失,即耗散功率,g為電弧的電導,e.i為電弧的輸入能量,電弧時間常數τ和ploss為待修正參數.

(2)Mayer-Cassie數學模型方程式

建立基于Cassie和Mayer的電弧分段模型思路如下:

首先,根據Cassie模型:

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

接著,再根據Mayer模型:

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

最后,考慮到實際電弧在放電過程中呈現長燃弧和短燃弧的綜合特性,兩種燃弧的電弧電導具有明顯差異,為此,結合Cassie模型和Mayer模型在描述電導方面的優(yōu)點,構建Cassie-Mayer聯合電導gMC模型如下:

聯合電導gMC可以反映在大電流接地時,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gC上;而在電流過零前后,能量損失由熱傳導引起,此時gM起主要作用.

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

4.算例分析

某石化系統電網系統一次接線圖如圖3所示:

圖3 某石化電網系統一次接線圖

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全電磁仿真模型

通過對時控開關的開斷以模擬電弧的quot;燃弧-熄弧quot;過程,反復模擬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象越來越嚴重,導致第三次燃弧光過電壓已達4.285pu.

對35千伏建北變進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生較高的弧光過電壓.為有效限制中性點不接地系統單相弧光接地故障,適當控制回路電感與電流陡度所決定的熄弧峰值,或者增加弧道介質的恢復強度,使熄弧峰值小于弧道介質的恢復強度,便可使接地電弧不再重燃.因此,針對中性點不接地系統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)出報警信息.

(2)經過預定的設置時長,待空氣介質的強度得到恢復與加強后,斷路器迅速斷開,系統恢復正常.

(3)對于中性點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,此時消弧裝置將弧光接地故障轉化為金屬接地.

5.結語

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軟件聯合仿真結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.研究結果可為分析與處理單相弧光接地故障提供參考.

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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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