CN101587160A - 一种测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种测量长间隙空气交流电弧介质绝缘强度的方法，涉及电力系统过电压领域。当电弧电流过零时，在电弧间隙两端施加除恢复电压之外的探测电压，由脉冲电源回路产生的脉冲电压波形，所述电源可在电流过零后延迟任意选定的时间间隔触发，确保电弧间隙可靠击穿且其输入能量不影响间隙的介质恢复过程。通过进行大量的连续试验并改变试验的延时间隔，以确定弧道的去游离过程随时间上升的特性，获得长间隙空气交流电弧的实际介质恢复过程。采用插值和拟合等数值分析方法处理介质恢复强度的测量结果，得到电弧间隙在不同电弧电流、间隙长度下的介质恢复特性，为分析架空输电线路电弧的自熄特性提供了确切依据。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统过电压领域，更具体地，涉及一种测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度的方法，用于分析架空输电线路电弧的自熄特性。
背景技术
电力系统发生单相接地故障时，在输电网引起的潜供电弧和配电网出现的短路电弧的自熄特性，对单相重合闸成功率和中性点接地方式等有重要意义。电弧理论表明，电弧的熄灭与重燃取决于电流过零后电弧电压恢复过程与弧道介质恢复过程的“竞争”，若介质恢复强度一直大于恢复电压，电弧趋向熄灭，反之，电弧重燃。可见，测量长间隙空气交流电弧的介质恢复特性具有重大的实用性。
间隙的介质恢复强度为电流过零后电弧间隙在某个瞬态时刻的击穿电压。研究表明，间隙绝缘强度的恢复过程与其是否施加电压有关，可分为固有介质恢复过程和实际介质恢复过程。前者为电弧间隙不加任何电压的介质自由恢复过程。当在恢复电压作用下，必将有能量输入残余弧柱，间隙的介质恢复特性与电弧发展的实际工况相符，称之为实际介质恢复过程。所以，从应用的角度出发，测量电弧间隙在恢复电压作用下的介质恢复强度更为实用。
目前，主要集中于研究电器电弧介质恢复特性的测量，包括单次脉冲法、介质自由恢复过程测量和多次脉冲法等，应用较多的是多次脉冲法，其基本原理类似于合成回路方法，试验回路较复杂，分电流源、电压源和探测电源等，各设备参数配合难度较大，回路控制较繁琐。由于架空输电线路电弧为长间隙开弧，运动范围较大，持续时间较长，甚少研究涉及测量长间隙空气交流电弧的介质恢复特性。由此，借鉴电器电弧介质恢复特性的研究成果，有必要提出测量架空输电线路电弧的实际介质恢复强度特性的方法。
发明内容
针对测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度所存在的不足和缺陷，为仿真分析架空输电线路电弧的自熄特性，本发明的目的是提供一种测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度的方法，可得到电流过零后电弧间隙在不同电弧电流、间隙长度下的实际介质恢复强度特性。
本发明的一种测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度的方法的技术方案是利用电流传感器TA测量流过长间隙空气交流电弧A的电流，当电流过零检测回路ID检测到电弧电流零点，将脉冲电源回路IS接入长间隙空气交流电弧A间隙两端，测量长间隙空气交流电弧A的介质恢复强度，对介质恢复强度的测量结果进行数据处理，所述处理方法是对不同的电弧电流和间隙长度进行组合，形成不同的试验情形，在每种情形下进行多次试验，求取相同时刻下介质恢复强度的平均值，采用平均数据平滑插值算法对介质恢复强度的均值进行插值，形成介质恢复特性的光滑曲线，利用最小二乘法对曲线进行数值拟合，得到各试验情形下长间隙空气交流电弧A介质恢复强度的通用表达式。
其中，所述的电流过零检测回路ID，采用磁位计检测由电流传感器TA输入的电弧电流的变化率di/dt信号，判断电流是否过零，当电流过零检测回路ID检测到电弧电流零点，输出电流过零有效信号，启动延时触发回路DT工作。
其中，所述的脉冲电源回路IS产生上升时间为0.5μs、峰值为60kV的脉冲电压波形，所述电压波形持续时间为2μs。
其中，所述的延时触发回路DT，受电流过零检测回路ID的控制，当电流过零时，延时触发回路DT产生设定的延时，所述延时间隔可调，一旦延时触发回路DT被过零检测回路ID启动，经设定的延时间隔，自动连续触发产生延时信号，所述延时信号输出端接同步控制装置SC。
其中，所述的同步控制装置SC，当检测到有效延时信号，将脉冲电源回路IS接入长间隙空气交流电弧A间隙两端，脉冲电源回路IS产生的脉冲电压波形施加在长间隙空气交流电弧A上。
本发明达到的技术效果是：
(1)在电弧间隙承受恢复电压的同时施加探测电压，测量长间隙空气交流电弧的实际介质恢复过程，反映电流过零后的弧道特性取决于这两个电压过程的发展，揭示了长间隙空气交流电弧熄灭与重燃的内在本质。
(2)通过磁位计检测电流变化率di/dt获得真正的电流零点，由于电弧电流过零时，信号较弱，但di/dt较大，易于测量，精度较高，避免了直接检测电流零点而引起的方法误差。
(3)采用陡波头、周期短的脉冲电压波形作为探测电压，对电流过零后的弧道特性的影响较小，确保间隙可靠击穿且不至于发展为持续电弧。通过延时连续触发脉冲电压波形，可一次性完整得到间隙的介质恢复特性。
(4)由同步装置在电流过零后的电弧间隙施加脉冲电压波形，各回路相互独立，使电弧电流变化率di/dt保持不变，确保脉冲电源回路的接入不影响测量间隙的介质恢复强度。
(5)对大量的介质恢复强度测量结果进行拟合和插值，得到长间隙空气交流电弧在不同电弧电流、间隙长度下介质恢复强度的通用表达式，便于对架空输电线路电弧的自熄特性进行仿真计算。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1为本发明的测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度的方法的装置的结构示意图；
图2为本发明的测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度的方法的典型的试验电路示意图；
图3是本发明的测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度的方法的长间隙空气交流电弧的介质恢复强度特性曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实例，将详细阐述本发明测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度的实施方式，其中相同或相似的附图标号表示相同或相似的器件。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：采用以磁位计作为传感头的光纤电流传感器检测电弧电流零点，根据磁感应原理，磁位计检测电流变化率di/dt信号判断电流是否过零。在电弧电流过零后，除恢复电压外，在电弧间隙上同时施加由脉冲电源回路输出的探测电压，所述电源回路产生上升时间为0.5μs、峰值为60kV的脉冲电压波形，持续时间为2μs。利用延时触发电路，并实现延时间隔可调，连续提供相同的脉冲电压波形，通过同步控制装置将脉冲电压波形施加在电弧间隙上，使电弧间隙多次被击穿，测量电弧间隙在不同时刻下的介质恢复强度。重复测量电弧间隙在多个电流零点后的实际介质恢复过程，进而得到长间隙空气交流电弧的介质恢复特性曲线。
本发明测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度所采用的方法是：选用不同的触发延时，每次试验测量电弧间隙在1ms内的介质恢复特性。将不同的电弧电流和间隙长度进行组合，形成不同的试验情形。考虑到电弧现象的随机性和试验的分散性，每种情形下进行多次试验，求取相同时刻下介质恢复强度的均值。采用数值分析方法对各试验情形下介质恢复强度的测量结果进行插值和拟合，得到长间隙空气交流电弧的介质恢复强度与电弧电流、间隙长度和电弧持续时间的动态关系式，为分析架空输电线路电弧自熄特性提供依据。
参见图1，测量长间隙空气交流电弧A的介质恢复强度时，通过电流传感器TA测量流过长间隙空气交流电弧A的电流，电流过零检测回路ID判断电弧电流是否过零。当电流过零检测回路ID检测到电流零点，启动延时触发回路DT产生设定的延时，同步控制装置SC输出有效信号，使脉冲电源回路IS接入长间隙空气交流电弧A间隙两端，产生脉冲电压波形施加在长间隙空气交流电弧A上，测量电弧间隙在所述延时下的介质恢复强度。
经设定的延时间隔，延时触发回路DT自动产生延时信号，连续多次触发同步控制装置SC，在长间隙空气交流电弧A间隙两端施加脉冲电压波形，直至达到设定的测量总时间，得到长间隙空气交流电弧A的介质恢复特性。
图2为本发明典型的试验电路回路，电源Ui的电压幅值为8kV，阻抗Z是电容值为5.63～16.89μF的电容器，在绝缘子串D旁边并联金属熔丝，合上控制开关K，将熔丝接地产生长间隙空气交流电弧A。电弧发生回路输出电弧电流为10～30A，绝缘子串D长度选用0.1～0.3m。
脉冲电源回路IS产生波头0.5μs、峰值60kV的脉冲电压波形。延时触发回路DT的延时间隔设置为20μs，测量总时间取1ms。电压互感器TV测量长间隙空气交流电弧A上的恢复电压波形，脉冲检测装置DV测量长间隙空气交流电弧A在电流过零后不同延时下的击穿电压，得到所述电弧的介质恢复特性曲线。
对电弧电流和间隙长度进行组合，形成近10种试验情形，在每种情形下至少进行3次试验，求取相同时刻下介质恢复强度的均值。由于试验结果的分散性，采用平均数据平滑插值算法对介质恢复强度的测量结果进行插值，形成介质恢复特性的光滑曲线，利用最小二乘法对曲线进行数值拟合，得到各试验情形下长间隙空气交流电弧A的介质恢复强度与电弧电流、间隙长度和电弧持续时间等相关的通用表达式，用于仿真分析架空输电线路电弧的自熄特性。
所述的一种通用表达式可描述为：
其中，UD为电弧的介质恢复强度，单位为kV，Ia为电弧电流，Te为电弧从起弧至电流过零时刻所持续的时间，lg为间隙长度，t为电流过零后开始的时间。
以电弧电流30A、间隙长度0.3m产生的长间隙空气交流电弧的试验情形为例，对电弧持续燃烧1s后测量到的介质恢复强度进行数值处理，所述特性曲线参见图3。
试验研究表明，本发明可有效测量电弧电流为5A～1kA、间隙长度为0.1～3m下的长间隙空气交流电弧的介质恢复强度特性，用于分析架空输电线路电弧的自熄特性是可行的，具有较大的工程应用价值。
尽管上面已经对本发明进行了具体说明，但本领域普通技术人员也可以修改上述中的某些具体结构或设想其它的等效过程来实现本发明。因此，本发明并不限于上述实施方式的具体过程。例如尽管说明书中只描述了阻抗Z为电容的实现过程，当然，本发明也可以应用于别的阻抗器件产生的长间隙空气交流电弧中，只要能产生符合说明书范围内的电弧电流，就可以达到类似的技术效果。
尽管已对本发明进行描述，但上述描述只是为了说明的目的，本发明不限于上述结合附图的具体描述。本领域普通技术人员可以对其进行各种改变而不脱离本发明的精神，本发明的保护范围由后附的权利要求书来限定。
Claims (5)
1、一种测量长间隙空气交流电弧介质恢复强度的方法，其特征在于：利用电流传感器TA测量流过长间隙空气交流电弧A的电流，当电流过零检测回路ID检测到电弧电流零点，将脉冲电源回路IS接入长间隙空气交流电弧A间隙两端，测量长间隙空气交流电弧A的介质恢复强度，对介质恢复强度的测量结果进行数据处理，所述处理方法是对不同的电弧电流和间隙长度进行组合，形成不同的试验情形，在每种情形下进行多次试验，求取相同时刻下介质恢复强度的平均值，采用平均数据平滑插值算法对介质恢复强度的均值进行插值，形成介质恢复特性的光滑曲线，利用最小二乘法对曲线进行数值拟合，得到各试验情形下长间隙空气交流电弧A介质恢复强度的通用表达式。
2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的电流过零检测回路ID，采用磁位计检测由电流传感器TA输入的电弧电流的变化率di/dt信号，判断电流是否过零，当电流过零检测回路ID检测到电弧电流零点，输出电流过零有效信号，启动延时触发回路DT工作。
3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的脉冲电源回路IS产生上升时间为0.5μs、峰值为60kV的脉冲电压波形，所述电压波形持续时间为2μs。
4、根据权利要求2所述的方法，其特征在于所述的延时触发回路DT，受电流过零检测回路ID的控制，当电流过零时，延时触发回路DT产生设定的延时，所述延时间隔可调，一旦延时触发回路DT被过零检测回路ID启动，经设定的延时间隔，自动连续触发产生延时信号，所述延时信号输出端接同步控制装置SC。
5、根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述的同步控制装置SC，当检测到有效延时信号，将脉冲电源回路IS接入长间隙空气交流电弧A间隙两端，脉冲电源回路IS产生的脉冲电压波形施加在长间隙空气交流电弧A上。
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