CN105279314A - 一种多根并行直流电缆的电老化试验仿真计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多根并行直流电缆的电老化试验仿真计算方法，所述方法包括以下步骤：S100、根据实际的电老化实验平台参数，建立电老化仿真电路模型：S200、设置所述仿真电路模型的部分参数；S300、利用ATP-EMTP软件对所述仿真电路模型进行仿真计算，得出防止多根并行直流电缆中一个支路击穿引起其他支路击穿的方案，所述方案为在击穿支路上串联一个电阻和一个电感。本发明有效的解决了对于300h、600h和1000h的电缆直流电老化试验，老化发生的分散性比较大，需要对多个试样做电老化试验试验周期比较长的问题。

Description

一种多根并行直流电缆的电老化试验仿真计算方法

技术领域

本发明属于领域，特别涉及一种多根并行直流电缆的电老化试验仿真计算方法。

背景技术

对于300h、600h和1000h的电缆直流电老化试验，老化发生的分散性比较大，需要对多个试样做电老化试验，由于试验周期比较长，我们对多个试样同时做电老化实验，但是当其中一个试样发生击穿时，由于击穿瞬间电流相当于一个高频信号，幅值非常大，可能会对其他试样的击穿产生影响。

发明内容

基于此，本发明公开了一种多根并行直流电缆的电老化试验仿真计算方法，所述方法包括以下步骤：

S100、根据实际的电老化试验平台的实际设备参数，建立多根并行直流电缆的电老化仿真电路模型；

S200、设置所述仿真电路模型的参数；

S300、利用ATP-EMTP软件对所述仿真电路模型进行仿真计算，得出防止多根并行直流电缆中一个支路击穿引起其他支路击穿的方案，并据此指导工程实际中的多根并行直流电缆的电老化试验。

附图说明

图1为本发明中一个实施例的电老化仿真计算模型；

图2为本发明中一个实施例的未加电阻电感击穿支路的电流波形；

图3为本发明中一个实施例的未加电阻电感未击穿支路的电流波形；

图4为本发明中一个实施例中串联了电阻r＝0.1Ω，电感L＝0.1mH时击穿支路的电流波形；

图5为本发明中一个实施例中串联了电阻r＝0.1Ω，电感L＝0.1mH时未击穿支路的电流波形；

图6为本发明中一个实施例中击穿支路电流幅值随log(R)的变化曲线；

图7为本发明中一个实施例中未击穿支路电流幅值随log(R)的变化曲线；

图8为本发明中一个实施例中击穿支路电流幅值随log(L)的变化曲线；

图9为本发明中一个实施例中未击穿支路电流幅值随log(L)的变化曲线。

具体实施方式

下面结合具体的实施例及附图对本发明进行进一步的说明；

在一个实施例中，本发明公开了一种多根并行直流电缆的电老化试验仿真计算方法，所述方法包括以下步骤：

S100、根据实际的电老化试验平台的实际设备参数，建立多根并行直流电缆的电老化仿真电路模型；

S200、设置所述仿真电路模型的参数；

S300、利用ATP-EMTP软件对所述仿真电路模型进行仿真计算，得出防止多根并行直流电缆中一个支路击穿引起其他支路击穿的方案，并据此指导工程实际中的多根并行直流电缆的电老化试验。

本实施例所述的EMTP是加拿大HWDommel教授首创的电磁暂态分析软件，它具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点，可作为电网稳态和暂态的仿真分析及电力系统谐波分析的有力工具，是世界上广泛使用的电磁暂态分析程序之一。它可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统。

本实施例的电老化仿真计算模型为参照根据实际的电老化试验平台的实际设备参数，建立的多根并行直流电缆的电老化仿真电路模型。

更优的，建立如图1所示的电老化仿真电路模型；根据实际的电老化仿真电路模型设置所述电老化仿真电路模型中各个组成部分的参数；对所述仿真电路模型进行仿真计算，得出防止多根并行直流电缆中一个支路击穿引起其他支路击穿的方案，该方案为在多根并行直流电缆中的一个支路上串联电阻和电感来减小或者防止一个支路击穿而引起其他支路击穿的发生，据此来指导工程实际中的多根并行直流电缆的电老化试验。

在一个实施例中，步骤S100中所述电老化仿真电路模型包括至少4个模块：电源模块，每根电缆的等效模块，电缆击穿控制模块，与每根电缆的等效模块为串联关系的多个串联阻感模块；

所述串联阻感模块包括互相串联的串联电阻和串联电感；

每根电缆的等效模块相互之间为并联方式；

电缆击穿控制模块包括至少2个开关，其中开关1并联于其中一根电缆的等效模块，开关2串联于与这根电缆的等效模块相连接的所述串联阻感模块。

在本实施例中，所述电源模块为所述电老化仿真电路模型提供电压，当所述老化仿真电路中的一个并联支路发生击穿时，所述开关1同时发生闭合，开关2用于模拟熔断器，当一个支路发生击穿时，开关2在很短的一段时间里发生断开，用于保护电路，以免发生危险。

在一个实施例中，步骤S100中所述电老化仿真电路模型包括：

直流电压源、直流电压源的保护电阻、用于等效每根直流电缆的电阻和电容所组成的阻容电路、时控开关S1和S2，以及与每个阻容电路串联的串联电阻r和串联电感L，其中：

所述阻容电路为并联方式，其中每根直流电缆的等效电阻和电容为并联方式；

每个阻容电路依次串联一个串联电阻和串联电感后，均形成一个支路，所有支路并联连接形成等效并联电路，以等效多根并行直流电缆；

所述等效并联电路串联所述保护电阻，并进一步经所述保护电阻串联到所述直流电压源的一端；

所述时控开关S1并联到第一支路中直流电缆的等效电阻处，时控开关S1为支路击穿模拟时控开关，支路击穿模拟表现为时控开关S1合上；

所述时控开关S2用于模拟熔断器，其一端连接于第一支路的串联电感，另一端连接直流电压源的另一端。

更具体的，如图1所示的所述电老化仿真电路模型，其中：U为直流电压源，R0为直流电压源的保护电阻，由电阻R和电容C所组成的阻容电路，时控开关S1和S2，以及与每个阻容电路串联的串联电阻r和串联电感L。

在电老化仿真实验中，模拟实际的击穿支路，当一个支路被击穿时，与该支路并联的时控开关S1瞬时发生闭合，当时控开关S1发生闭合后，为了保护电路，用于模拟熔断器的时控开关S2在很短的一段时间内，会发生断开。

在一个实施例中，所述步骤S200具体包括：

设置直流电压源的幅值为40kV；

用于等效直流电缆的电阻和电容的并联电路中单位长度电缆的电阻R和电容C由以下公式确定；

$R=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{r_o}{r_i}$

$C=\frac{2{\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{ln\frac{r_o}{r_i}}$

式中：r_o为等效直流电缆的绝缘层外径；r_i为等效直流电缆的绝缘层内径；ρ为交联聚乙烯电阻率；ε₀为真空介电常数；ε_r为相对介电常数；

设置时控开关S1在与之并联的支路发生击穿时合上；

设置用于模拟熔断器的时控开关S2，在时控开关S1合上后断开。

在本实施例中，所述直流电压源的幅值40KV是根据实际的电老化实验所需要的直流电压决定的。

在本实施例中，所述时控开关S1按与之并联的支路发生击穿的时间进行分、合操作。在闭合时不考虑预击穿现象。

本实施例所述的时控开关S2模拟熔断器。时控开关在开断时不考虑重燃现象，但到达给定的开断时间以后，电弧并不立即熄灭，只有当电流第一次过零或电流的绝对值小于某给定值时，电弧熄灭，开关才开断。

更优的，在实际的电老化试验中模型等效直流电缆的长度为0.5m，为了使仿真模型电缆试样的参数与试验保持一致，因此，长度为0.5m的电缆的电阻R和电容C为：

$R=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}l}\ln \frac{r_o}{r_i}=\frac{{10}^{16}\mathrm{\Ω}\·cm}{2\mathrm{\π}\×0.5m}\×\ln \frac{1.592}{0.892}=1.85\×{10}^{13}\mathrm{\Ω}$

$C=\frac{2{\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}l}{ln\frac{r_o}{r_i}}=\frac{2\mathrm{\π}\×8.85\×{10}^{-12}F/m\×2.3\×0.5m}{ln\frac{1.592}{0.892}}=1.1\×{10}^{-10}F$

在实际电老化试验中，假设试样在1.00009s发生击穿，因此设置时控开关S1在1.00009s处使S1合上，为了保护电路，以免发生危险，设置在1.0001s断开模拟熔断器的时控开关S2。

在一个实施例中，所述步骤S300具体包括：

S3001、设置仿真计算时间和仿真计算步长；

S3002、运行ATP-EMTP软件，并监测击穿支路和未击穿支路的电流幅值变化。

更优的，仿真时间设置为0.2s，仿真步长设置为lus，然后运行ATP-EMTP软件，同时监测击穿支路和其他支路的电流幅值变化。击穿支路的电流在试样击穿后(S1合上)迅速增加，然后在熔断器断开后(S2断开)电流下降并形成反向电流，最后恢复到零。

在一个实施例中，所述在时控开关S1合上后断开具体为，在时控开关S1合上后8～15μs后断开。

更优的，设置用于模拟熔断器的时控开关S2，在时控开关S1合上10μs后断开

在一个实施例中，所述步骤S3002中的击穿支路和未击穿支路包括：串联的电阻r和电感L的击穿支路和未击穿支路，以及对应的未串联的电阻r和电感L的击穿支路和未击穿支路。

更优的，图2为未加电阻电感时击穿支路的电流波形；图3为未加电阻电感时未击穿支路的电流波形，图4为串联电阻r＝0.1Ω，电感L＝0.1mH时击穿支路，图5为串联电阻r＝0.1Ω，电感L＝0.1mH时未击穿支路的电流波形。通过图2-图4可以看出，在串联电阻电感前，一条支路击穿时其他支路的电流增加很快，并且电流的幅值变化很大；在串联电阻电感后，一条支路击穿时其他支路的电流增加较小，并且幅值的变化很小，因此，串联电阻电感可以防止一路击穿时引起其他支路的击穿。

在一个实施例中，所述步骤S300中的方案，要确保在击穿支路上串联电阻和电感会防止在一条支路击穿时引起其它支路击穿的现象。

更为具体的，表1为串联不同电阻r和不同电感L时击穿支路的电流幅值，表2为串联不同电阻r和不同电感L时未击穿支路的电流幅值。图6为击穿支路电流幅值随log(R)的变化曲线，图7为未击穿支路电流幅值随log(R)的变化曲线，图8为击穿支路电流幅值随log(L)的变化曲线，图9为击穿支路电流幅值随log(L)的变化曲线。可以看出，电阻的增加对击穿电流的峰值影响不大；电感的增加对击穿电流的峰值影响较大。因此串联适量大小的电阻电感可以防止在一条支路击穿时引起其它支路击穿的现象。

表1串联不同电阻r和不同电感L时击穿支路的电流幅值(A)

表2串联不同电阻r和不同电感L时未击穿支路的幅值(A)

在一个实施例中，在击穿支路上串联电阻和电感的取值为电阻r＝0.1Ω，电感L＝1mH。

更为具体的，在进行仿真计算时，考虑到电感太大，可能会影响到电缆试样的击穿，而电感两端的电压为

$U=L\frac{di}{dt}$

假设串联的电感为1mH，若电流的变化率为1000而电感两端的电压为1V；若电流的变化率为10⁶，而电感两端的电压为1kV，这时试样已击穿，熔断器也已断开。因此，1mH电感不会影响到电缆试样的击穿。

通过分析，可以在实际的多根直流电缆的电老化试验中，选择r＝0.1Ω，L＝1mH。

以上对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种多根并行直流电缆的电老化试验仿真计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S100、根据实际的电老化试验平台的实际设备参数，建立多根并行直流电缆的电老化仿真电路模型；

S200、设置所述仿真电路模型的参数；

S300、利用ATP-EMTP软件对所述仿真电路模型进行仿真计算，得出防止多根并行直流电缆中一个支路击穿引起其他支路击穿的方案，并据此指导工程实际中的多根并行直流电缆的电老化试验。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

优选的，步骤S100中所述电老化仿真电路模型包括至少4个模块：电源模块，每根电缆的等效模块，电缆击穿控制模块，与每根电缆的等效模块为串联关系的多个串联阻感模块；

所述串联阻感模块包括互相串联的串联电阻和串联电感；

每根电缆的等效模块相互之间为并联方式；

电缆击穿控制模块包括至少2个开关，其中开关1并联于其中一根电缆的等效模块，开关2串联于与这根电缆的等效模块相连接的所述串联阻感模块。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

步骤S100中所述电老化仿真电路模型包括：

直流电压源、直流电压源的保护电阻、用于等效每根直流电缆的电阻和电容所组成的阻容电路、时控开关S1和S2，以及与每个阻容电路串联的串联电阻r和串联电感L，其中：

所述多个阻容电路为并联方式，其中每根直流电缆的等效电阻和电容为并联方式；

每个阻容电路依次串联一个串联电阻和串联电感后，均形成一个支路，所有支路并联连接形成等效并联电路，以等效多根并行直流电缆；

所述等效并联电路串联所述保护电阻，并进一步经所述保护电阻串联到所述直流电压源的一端；

所述时控开关S1并联到第一支路中直流电缆的等效电阻处，时控开关S1为支路击穿模拟时控开关，支路击穿模拟表现为时控开关S1合上；

所述时控开关S2用于模拟熔断器，其一端连接于第一支路的串联电感，另一端连接直流电压源的另一端。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S200具体包括：

设置直流电压源的幅值为40kV；

用于等效直流电缆的电阻和电容的并联电路中单位长度电缆的电阻R和电容C由以下公式确定；

$R=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\π}}ln\frac{r_o}{r_i}$

$C=\frac{2{\mathrm{\π\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_r}{ln\frac{r_o}{r_i}}$

式中:r_o为等效直流电缆的绝缘层外径；r_i为等效直流电缆的绝缘层内径；ρ为交联聚乙烯电阻率；ε₀为真空介电常数；ε_r为相对介电常数；

设置时控开关S1在与之并联的支路发生击穿时合上；

设置用于模拟熔断器的时控开关S2，在时控开关S1合上后断开。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤S300具体包括：

S3001、设置仿真计算时间和仿真计算步长；

S3002、运行ATP-EMTP软件，并监测击穿支路和未击穿支路的电流幅值变化。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述在时控开关S1合上后断开具体为，在时控开关S1合上后8～15μs后断开。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S3002中的击穿支路和未击穿支路包括：串联电阻r和电感L的击穿支路和未击穿支路，以及对应的未串联电阻r和电感L的击穿支路和未击穿支路。

8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤S300中的方案，要确保在击穿支路上串联电阻和电感，防止在一条支路击穿时引起其它支路击穿。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：在击穿支路上串联电阻和电感的取值为电阻r＝0.1Ω，电感L＝1mH。