李良書(shū) 趙宏博 楊蘭均 張建革

（1. 西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049；2.中船重工第七一三研究所，鄭州450015）

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，GIS的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)和斷路器動(dòng)作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幅值較高，陡度很大，頻率很高的 VFTO（特快速瞬態(tài)過(guò)電壓），對(duì)電力系統(tǒng)一次設(shè)備和二次設(shè)備造成危害。

關(guān)于隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的 VFTO問(wèn)題，已經(jīng)做了大量研究。不過(guò)當(dāng)前采用的隔離開(kāi)關(guān)仿真模型，多數(shù)未考慮隔離開(kāi)關(guān)觸頭間擊穿電壓隨時(shí)間的變化特性和觸頭間高頻電弧的特性，只模擬了電源側(cè)電壓和負(fù)荷側(cè)殘余電壓反向，即開(kāi)關(guān)觸頭間電壓最高情況下的一次重?fù)舸┻^(guò)程，不能很好的反映開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中的 VFTO實(shí)際全波形，以及斷口間波的折反射對(duì)后續(xù)重燃過(guò)電壓的幅值和頻率影響，可能導(dǎo)致更高過(guò)電壓的問(wèn)題。鑒于此，在一些故障的研究中，慢慢引入了多次重燃的模型來(lái)研究故障對(duì)系統(tǒng)的影響[1]。

在本次研究中，首先采用GXV-I光纖式電壓測(cè)量系統(tǒng)對(duì) 1100kVGIS隔離開(kāi)關(guān)進(jìn)行了分合容性小電流實(shí)驗(yàn)[2]，測(cè)量合閘過(guò)程中負(fù)載電容上的電壓波形，整個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中VFTO的變化規(guī)律，并據(jù)此建立了反映多次重燃過(guò)程的仿真模型，對(duì)隔離開(kāi)關(guān)間隙擊穿、電弧熄滅、弧道電阻等仿真因素進(jìn)行了初步討論。

2 實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

如圖1所示為本次實(shí)驗(yàn)的簡(jiǎn)明接線圖，設(shè)備參數(shù)及選型如下。

圖1 實(shí)驗(yàn)接線簡(jiǎn)明示意圖

本次實(shí)驗(yàn)主要研究開(kāi)關(guān)K閉合動(dòng)作過(guò)程中，負(fù)載測(cè)量點(diǎn)處的VFTO全波形。隔離開(kāi)關(guān)每極分、合閘電阻值：500±50Ω；操動(dòng)機(jī)構(gòu)為電動(dòng)彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)（快速機(jī)構(gòu)）；分、合閘時(shí)間＜10s（含彈簧儲(chǔ)能時(shí)間）；SF6氣體額定壓力：0.5mPa（20℃表壓）。電壓測(cè)點(diǎn)在GIS負(fù)載側(cè)出線套管上，光纖式電壓測(cè)量系統(tǒng)GXV-I測(cè)量場(chǎng)強(qiáng)：10V～100kV/cm；測(cè)量帶寬：50Hz～250MHz；測(cè)量誤差：≤3%；響應(yīng)時(shí)間：≤4ns；波形數(shù)字采集率為125M/s，記錄時(shí)間為1000ms，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)長(zhǎng)度128M。本實(shí)驗(yàn)按照IEC-62271-102《高壓交流隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)》標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，以標(biāo)準(zhǔn)中試驗(yàn)方式3進(jìn)行，即隔離開(kāi)關(guān)電流能力開(kāi)合試驗(yàn)。

如圖2所示為100kV電源電壓下，隔離開(kāi)關(guān)關(guān)合容性小電流時(shí)，負(fù)載電容器上電壓全波形，測(cè)量設(shè)備的測(cè)量衰減倍數(shù)為50k。

圖2 100kV隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作負(fù)載電容器上電壓波形

從圖中我們可以看出，由于隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作慢，且沒(méi)有專門(mén)的滅弧裝置，整個(gè)合閘過(guò)程大約持續(xù)約220ms，氣體放電次數(shù)以百次記，每次擊穿都伴有振蕩，且整個(gè)放電過(guò)程中，VFTO幅值的最高點(diǎn)，并不一定在首次擊穿發(fā)生的時(shí)刻。

3 多次重燃弧隔離開(kāi)關(guān)模型

從實(shí)驗(yàn)波形，可知在隔離開(kāi)關(guān)閉合的動(dòng)作過(guò)程中，間隙間發(fā)生多次擊穿與重燃，這就需要建立可以反映多次重燃的仿真模型，使得VFTO的仿真研究與實(shí)際更加接近。

3.1 多次重?fù)舸┑膶?shí)現(xiàn)

在隔離開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程中，隨著隔離開(kāi)關(guān)觸頭的逐漸靠攏，觸頭間的電場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)觸頭間距離減小到一定程度時(shí)，觸頭間隙擊穿，形成電弧。由于隔離開(kāi)關(guān)觸頭動(dòng)作緩慢，間隙的第一次擊穿幾乎都發(fā)生在工頻電壓的峰值處。間隙擊穿后，電流通過(guò)電弧從電源側(cè)流到負(fù)載側(cè)，負(fù)載側(cè)電壓變化為電源電壓，觸頭間的電壓差近似為零，電路的工作狀態(tài)發(fā)生過(guò)度。由于電路中電感、電容等遵從能量守恒原理，能量將在有限的時(shí)間內(nèi)（幾個(gè)微妙）重新分配，出現(xiàn)上升時(shí)間為微秒級(jí)的暫態(tài)過(guò)程，引起電壓、電流的高頻震蕩。當(dāng)高頻電流衰減完后，電弧熄滅，電源側(cè)與負(fù)載側(cè)斷開(kāi)。負(fù)載側(cè)由于電容的儲(chǔ)能作用，衰減緩慢，在兩次擊穿的時(shí)間間隔內(nèi)，可以認(rèn)為是不變的，電源側(cè)電壓仍按照弦電壓規(guī)律地變化著，當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)觸頭間隙兩端的電壓差再次達(dá)到間隙擊穿電壓強(qiáng)度時(shí)，間隙再次被擊穿，形成電弧。同時(shí)由于電壓波的折反射，接下來(lái)的擊穿前觸頭間的電壓差可能高于第一次，過(guò)電壓也可能比第一次高。在開(kāi)關(guān)不斷閉合的過(guò)程中，隔離開(kāi)關(guān)觸頭間不斷的發(fā)生著擊穿重燃的過(guò)程，直到觸頭間距離足夠近，開(kāi)關(guān)觸頭徹底閉合，完成閉合的全過(guò)程。但是隨著觸頭間距離漸漸縮短，總體來(lái)看，擊穿電壓將越來(lái)越低，過(guò)電壓也隨之漸漸降低。

當(dāng)前 pscad、atp等電力系統(tǒng)常用仿真計(jì)算采用以時(shí)間步長(zhǎng)△t為時(shí)間單位逐步求解的過(guò)程，即利用t-△t時(shí)刻的回路計(jì)算量，來(lái)求解t時(shí)刻的解，由上述分析可以達(dá)到如圖3所示的閉合動(dòng)作簡(jiǎn)易邏輯關(guān)系流程圖。

圖3 閉合動(dòng)作的簡(jiǎn)易邏輯流程圖

在隔離開(kāi)關(guān)的仿真研究過(guò)程中，隨著仿真時(shí)間的增長(zhǎng)，開(kāi)關(guān)觸頭逐漸靠攏，間隙擊穿電壓逐漸下降，每一個(gè)△t時(shí)間，檢測(cè)一次間隙電壓與間隙擊穿電壓的關(guān)系，當(dāng)間隙電壓小于間隙擊穿電壓時(shí)，間隙不能擊穿，躍至下一個(gè)△t。當(dāng)間隙電壓大于間隙擊穿電壓時(shí)，間隙擊穿，生成高頻震蕩電弧。直至高頻電流震蕩衰減完全，電弧熄滅，檢測(cè)開(kāi)關(guān)是否完全閉合，如果沒(méi)有完全閉合，電弧熄滅，電路斷開(kāi)，跳到下一個(gè)△t，繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，如果開(kāi)關(guān)已經(jīng)完全閉合，隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作完成，運(yùn)算結(jié)束，閉合動(dòng)作完成。

隔離開(kāi)關(guān)打開(kāi)的物理過(guò)程類似于開(kāi)關(guān)閉合的反過(guò)程，過(guò)電壓隨著觸頭間距離的增大而逐漸增加，不過(guò)由于負(fù)載容性的儲(chǔ)能性，負(fù)載側(cè)電壓變化緩慢，觸頭間擊穿電壓的強(qiáng)度可能達(dá)到2p.u.，甚至更高，造成更大的開(kāi)斷過(guò)電壓。通常VFTO的最高過(guò)電壓發(fā)生在負(fù)載側(cè)的開(kāi)口端，且最大值取決于重燃時(shí)刻開(kāi)關(guān)觸頭間的電壓值[3]。

3.2 擊穿模型模塊

在隔離開(kāi)關(guān)閉合的多次重?fù)舸┓抡孢^(guò)程中，模型的擊穿判據(jù)極為重要，關(guān)系整個(gè)閉合的電壓波形，且在整個(gè)閉合的過(guò)程中，擊穿電壓是不一樣的。

電弧熄滅以后，間隙的再次重燃擊穿有兩種可能：熱復(fù)燃和重?fù)舸釓?fù)燃由弧后電流對(duì)間隙輸入的能量決定。重?fù)舸﹦t決定于間隙介質(zhì)強(qiáng)度的恢復(fù)與間隙電壓的相互關(guān)系。當(dāng)暫態(tài)電壓恢復(fù)的速度大于介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度時(shí)，間隙擊穿，反之，間隙不擊穿。根據(jù)氣體放電的流柱擊穿理論可以得到臨界擊穿的判據(jù)[4]。

根據(jù)流柱擊穿理論，擊穿的判據(jù)表達(dá)式可以表示為[5]：

文獻(xiàn)[4]在前人的研究基礎(chǔ)上，采用基于流注理論的界面擊穿判據(jù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

可以得到臨界擊穿電壓Ub的表達(dá)式式中，E為計(jì)算點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，kV/mm；Ub為氣體擊穿的臨界電壓，間隙介質(zhì)所能承受的極限電壓，V；ρ為氣流場(chǎng)的計(jì)算密度，km/m3。

整個(gè)間隙的介質(zhì)強(qiáng)度值取為最薄弱點(diǎn)的計(jì)算值，根據(jù)上述公式的計(jì)算結(jié)果就可以判斷是否發(fā)生重?fù)舸?/p>

3.3 熄弧模型

電弧重燃發(fā)生后，電弧燃燒的持續(xù)時(shí)間，需要弧的熄弧判據(jù)模型來(lái)決定，這影響熄弧后隔離開(kāi)關(guān)觸頭間的氣體介質(zhì)條件、下次擊穿時(shí)觸頭間的間隙距離，觸頭間隙對(duì)應(yīng)的擊穿電壓，影響下一次間隙擊穿的電壓峰值。

在實(shí)際隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)斷空載母線的過(guò)程中，由于負(fù)載為容性，當(dāng)觸頭間隙重燃擊穿時(shí)，電壓波形峰值與電流波形峰值之間存在一個(gè)相位差。工頻電壓達(dá)到某一峰值擊穿時(shí)，電流值并不在峰值，而隔離開(kāi)關(guān)操作的電流幅值本身很小，高頻震蕩電流與工頻電流疊加可能在第一個(gè)高頻震蕩就過(guò)零，此時(shí) GIS中觸頭間的電弧并不會(huì)馬上熄滅，而是要一直維持到振蕩衰減完畢（約幾十us）[6]。在模型構(gòu)建中，需要區(qū)分清楚到底是工頻過(guò)零還是高頻振蕩過(guò)零。

圖4 電弧熄滅邏輯模塊簡(jiǎn)易邏輯圖

如圖4所示為電弧熄滅邏輯模塊簡(jiǎn)易邏輯圖。I為流過(guò)隔離開(kāi)關(guān)的電流，電流I流過(guò)Delay延遲模塊延遲△t，相當(dāng)于t-△t時(shí)刻的電流信號(hào)，對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行乘法操作，如果小于零說(shuō)明在步長(zhǎng)△t時(shí)間內(nèi)電流過(guò)零。如果等于零，說(shuō)明兩信號(hào)中至少一個(gè)為零，電流信號(hào)恰好處于零點(diǎn)或者斷路器一直處于斷開(kāi)狀態(tài)。由于當(dāng)前電力系統(tǒng)仿真軟件的精確程度非常高（EMTP的計(jì)算精度可以達(dá)到4位有效數(shù)字），恰好為零的概率非常小，可以忽略不計(jì)。同時(shí)對(duì)t時(shí)刻的電流和i-△t時(shí)刻的電流做差計(jì)算，并與△t做除法運(yùn)算，得到電流的導(dǎo)數(shù)值，與K作比較，判斷電流的變化速率，如果電流過(guò)零且電流變化較慢，則判定電弧熄滅，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。

3.4 弧道電阻模型

文獻(xiàn)[7]中對(duì)隔離開(kāi)關(guān)的仿真模型進(jìn)行了研究：分合閘電阻對(duì)降低VFTO幅值和陡度有明顯作用，加入分合閘電阻比不加分合閘電阻時(shí)的最大 VFTO幅值降低了50%。陡度降低為14%，電壓在1kV以上最高頻率降為10%。

文獻(xiàn)[8]中針對(duì)不同固定弧道電阻對(duì) VFTO幅值的影響做了詳細(xì)的研究?；〉离娮鑼?duì)VFTO仿真研究的影響非常大，圖5所示為以1100kV GIS為仿真模型得到的VFTO幅值與弧道電阻的關(guān)系圖。在弧道電阻較小的區(qū)間內(nèi)，隔離開(kāi)關(guān)弧道電阻對(duì) VFTO幅值的影響更為明顯。

圖5 過(guò)電壓幅值與弧道電阻的關(guān)系[8]

在考慮弧道電阻的過(guò)程中，通常只考慮了電阻的影響，采用靜態(tài)電阻與動(dòng)態(tài)電阻，或僅僅考慮靜態(tài)電阻的方法[9]。但在實(shí)際隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中，電弧從起弧到電弧逐漸變細(xì)、抖動(dòng)，到熄滅，電弧是不穩(wěn)定的，電弧電阻并不是固定不變的，且在隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中，觸頭間的距離是不一樣的，弧道電阻隨觸頭間距離的不同也不同。

由于VFTO的高頻特性，弧道電阻的電感特寫(xiě)那個(gè)不應(yīng)被忽略，采用0.23uH的靜態(tài)電感，采用弧道電感以后，降低了過(guò)電壓的陡度，減小了過(guò)電壓震蕩過(guò)程中的過(guò)電壓幅值[10]。在實(shí)際測(cè)量中，在開(kāi)關(guān)閉合首次擊穿前，由于存在斷口電容和其它雜散電容，負(fù)載側(cè)也具有一定的工頻電壓，如圖2最左側(cè)部分。因此在模型中需要在隔離開(kāi)關(guān)斷口間添加一定的電容，本次仿真研究中采用300pF的電容。

圖6 隔離開(kāi)關(guān)模型

鑒于此采用如圖6所示的開(kāi)關(guān)模型，其中K為可控開(kāi)關(guān)，R為與觸頭間距離相關(guān)的弧道電阻，L為電弧電感，C為觸頭間電容，C1，C2為開(kāi)關(guān)兩端的對(duì)地電容。

4 仿真結(jié)果分析

綜合上述模型思想建立可以實(shí)現(xiàn)多次重燃的開(kāi)關(guān)模型，以前述實(shí)驗(yàn)參數(shù)為計(jì)算依據(jù)，得到 100kV電源等級(jí)下，反映整個(gè)隔離開(kāi)關(guān)閉合過(guò)程的負(fù)載側(cè)電容上的電壓波形，如圖7所示。

由于隔離開(kāi)關(guān)慢的多，整個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中重?fù)舸┐蠹s持續(xù) 220ms。間隙放電擊穿以后，電路導(dǎo)通，負(fù)載側(cè)電壓發(fā)生跳變，回路高頻電弧電流持續(xù)約1.5us。負(fù)載側(cè)由于電容的儲(chǔ)能作用，衰減緩慢，在兩次擊穿的時(shí)間間隔內(nèi)，可以認(rèn)為是不變的，電源側(cè)電壓仍按照正弦電壓規(guī)律變化，當(dāng)隔離開(kāi)關(guān)觸

圖7 100kV電壓等級(jí)仿真波形

頭間隙電壓差再次達(dá)到間隙擊穿電壓強(qiáng)度時(shí)，間隙再次被擊穿，形成電弧。由于負(fù)載電容上的電壓在電弧熄滅階段幾乎不發(fā)生改變，當(dāng)間隙擊穿放電時(shí)跳變到電源側(cè)電壓，形成如圖所示獨(dú)特的“臺(tái)階”狀電壓波形。在整個(gè)波形區(qū)間內(nèi)，“臺(tái)階”的水平寬度并不是完全相同的，而是在電壓波峰處“臺(tái)階”寬，電壓過(guò)零處“臺(tái)階”窄，主要是由于電源側(cè)正弦電壓波在從一個(gè)峰值向另一個(gè)峰值變化的區(qū)間過(guò)程中，變化速率由小到大再到小。電容器上電壓波形在從一個(gè)區(qū)間向相反區(qū)間變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)處有一段長(zhǎng)“平臺(tái)”，這是由于如果當(dāng)電源電壓達(dá)到峰值時(shí)，間隙電壓仍沒(méi)有達(dá)到擊穿放電的要求，只有當(dāng)電源電壓向另一峰值變化到間隙擊穿電壓，才能再次擊穿，同時(shí)由于峰值處電壓的變化率最小，擊穿需要一段更長(zhǎng)的時(shí)間，表現(xiàn)在圖形上，即為波形上一段長(zhǎng)的“平臺(tái)”。在開(kāi)關(guān)觸頭完全閉合前的間隙的距離已經(jīng)非常小，斷口的擊穿電壓也非常?。ㄈ鐖D5波形縱軸電壓高度差），在一個(gè)周期內(nèi)將發(fā)生更多的擊穿。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)隔離開(kāi)關(guān)開(kāi)斷空載母線的仿真研究，得到一些有益的結(jié)論，如下：

（1）在隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生“臺(tái)階”狀波形，且“臺(tái)階”寬度的分布具有一定的規(guī)律。

（2）在隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中，重?fù)舸┛赡馨l(fā)生在電壓波形的任何角度位置。

（3）在整個(gè)開(kāi)關(guān)動(dòng)作過(guò)程中，重?fù)舸┰斐傻腣FTO最大值并不一定發(fā)生在最初的擊穿時(shí)刻。

（4）在電壓峰值處，電壓變化慢，重?fù)舸┌l(fā)生概率小，工頻電壓過(guò)零的位置，電壓變化快，重?fù)舸┌l(fā)生的概率大。

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