CN106650062A - 一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，该方法是：首先，进一步细化真空断路器分闸重燃暂态建模时需要考虑的结构、材料、电气等参数；其次，更进一步完善真空断路器分闸过程中经历的各个阶段，并细化每个阶段的控制逻辑判定条件；最后，根据自身的试验条件搭建试验平台，验证和改进所搭建的模型，使其能更为准确地模拟真空断路器分闸重燃现象的暂态特性。本发明方法搭建的真空断路器模型具有通用性，不同电压等级、不同型号、不同厂家的真空断路器，甚至SF₆断路器等开关均可采用该建模方法来模拟操作过程中的暂态现象。

Description

一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法

技术领域

本发明涉及电力系统暂态仿真领域，尤其是指一种考虑真空断路器分闸时触头之间多次重燃现象的真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法。

背景技术

真空断路器具有体积小、灭弧性能好、开断容量大、寿命长、维护量小、无污染、使用安全等优点，在中压配电系统中应用广泛。随着真空断路器触头材料、制造工艺等技术的发展，真空断路器在20kV和35kV系统中的应用越来越普遍，尤其是用于投切并联电抗器、并联电容器等无功补偿设备，以提高电网的功率因数减少线损，维持电网的正常工作电压，提高电能质量。但是因为真空断路器过强的灭弧能力而产生了截流过电压，尤其对小电感/电容电流更易发生截流、重燃现象。虽然科技进步和制造工艺的改进已将中压真空断路器的重燃率降到很低的水平，但系统负载时常变化，为维持系统电压的稳定与改善电能质量，需要对并联电抗器组/并联电容器组进行频繁的操作，引起多次截流和重燃，进而导致幅值和陡度很高的过电压的频繁发生，加速真空断路器和电力设备绝缘的老化，久而久之会严重破坏设备绝缘，危及电网稳定、可靠、经济运行。实际工程中，通常设置开关在特定的时间点动作，以模拟系统过电压最严重的情况，此方法准确度较差，而且频繁试验容易造成设备损坏；另外，如果由于试验条件或者成本等问题无法做试验，有些研究人员就无法对真空断路器分闸操作的重燃暂态过程进行分析研究，难以满足大众人员的工作需要，因此，搭建一个真空断路器分闸暂态仿真模型，模拟分闸操作中的多次重燃现象，对于研究和分析真空断路器分闸时的过电压产生机理及过电压的抑制措施都具有重要意义。

现有的电磁暂态仿真软件，有较为完善的自带元件模型库，然而这些断路器模型一般仅适用于工频条件，忽略了真空断路器实际操作过程中的截流、介质强度恢复、高频熄弧等现象，不能准确地模拟真实的暂态特性。针对上述不足，20世纪70年以来，国内外学者开始利用自编程序对中压和低压真空开关的多次电弧重燃现象进行了仿真研究，并尝试在触头两端增加并联支路以模拟开断过程中的电阻、电容、电感等杂散参数，并与实际电路进行比较。

但现有的真空断路器仿真模型的设置参数过于简单粗略，时序逻辑控制过程不够完善，且如果应用在三相仿真时没有考虑相间的耦合作用，这些情况导致仿真模型在某些工况下的准确性会大大降低。因此，为了消除上述三个方面的不足，本发明研究一种考虑实际分闸操作中的多次重燃现象的真空断路器暂态仿真模型的构建方法，以模拟真空断路器实际分闸操作中的暂态特性，就显得尤为重要。

发明内容

本发明是针对上述传统真空断路器仿真模型构建方法的不足，提出了一种考虑真空断路器分闸时触头之间多次重燃现象的全新的且更为全面完整的真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，该方法搭建的真空断路器模型具有通用性，不同电压等级、不同型号、不同厂家的真空断路器，甚至SF₆断路器等开关均可采用该建模方法来模拟操作过程中的暂态现象。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，包括以下步骤：

1)在PSCAD/EMTDC环境下搭建自定义真空断路器电路仿真模型，采用在理想断路器模型两端并联由寄生电阻、电感、电容串联组成的支路来模拟真空断路器分闸时触头间隙电弧的暂态特性；

2)分析真空断路器实际分闸操作时触头之间的重燃暂态过程，确定七个主要暂态子过程：触头开始分离、工频燃弧、工频电流截断、暂态电压恢复、高频燃弧、高频电流截断、成功开闸，根据每个子过程的电压和电流特征，将其分为四个阶段：第一次电流截断之前、暂态电压恢复、高频燃弧和成功开闸；

3)根据步骤3)中得到的四个阶段，设置真空断路器分闸过程的四个状态判断标志：第一次断开、再次断开、重燃和完全断开；

4)根据步骤2)和3)的分析，确定每个阶段之间的转换条件，计算某时刻四个状态判断标志的取值，以此来判断真空断路器所处的阶段，更新真空断路器的四个阶段变量，然后根据阶段变量实时设定真空断路器的开合信号，并将该信号返回给自定义真空断路器电路仿真模型中控制真空断路器开合的理想断路器，实现自定义真空断路器的开合功能；

5)在PSCAD/EMTDC环境下自定义真空断路器分闸模型的时间逻辑控制模块，包括其外部输入、输出信号，内部输入、输出参数，设计内部参数设置界面；

6)在时间逻辑控制模块的脚本Script中，利用FORTRAN语言编写代码，实现上述自定义真空断路器的功能；

7)在上述6个步骤的基础上，搭建包括电源、线路、自定义真空断路器、负载的测试仿真电路，验证真空断路器模型是否可以复现真空断路器实际分闸过程中的电弧重燃现象，并与试验数据中的研究结果进行对比，验证所建模型的准确性和有效性。

在步骤1)中，为了避免真空断路器操作导致两侧电路中储能元件电压、电流的跳变，引发并无实际物理意义的数值计算振荡，对PSCAD/EMTDC自带断路器模型做了改进，在其两侧并联RLC支路，并根据需求选取参数值。

在步骤2)、3)和4)中，真空断路器的暂态子过程和四个阶段的划分主要是根据分闸后每个时刻真空断路器触头两端的电压和通过真空断路器的电流、介质强度恢复能力、高频熄弧能力、合闸时间、电弧时间和上一时刻真空断路器所处的状态，通过对状态判断标志、阶段变量和真空断路器开合信号的赋值，实现对真空断路器模型的控制，模拟实际的分闸操作及出现的重燃现象。

在步骤5)中，真空断路器分闸模型的时间逻辑控制模块的输入量为真空断路器两端的电压和流过真空断路器的电流，输出量为真空断路器开关状态，均为一维固定电气端口类型，内部输入参数主要包括分闸时间、工频和高频截断电流、介质强度恢复能力、高频熄弧能力、真空断路器初始状态、介质强度最大耐击穿值,，内部输出参数包括介质强度恢复能力曲线、重燃次数。

在步骤5)中，为充分研究真空断路器实际分闸操作的重燃暂态过程，将工频和高频截断电流、介质强度恢复能力、高频熄弧能力、触头分离时间、电弧时间、电弧状态这些参数引入真空断路器分闸模型的时间逻辑控制模块，对于不同型号的真空断路器，上述参数的具体取值也不同，因此根据研究需要，选取某型号的真空断路器现场试验数据、实验室模拟数据或其他研究人员的经验数据这些结果统计与分析得出该选定真空断路器的上述参数，其中主要参数计算公式如下：

a.截断电流：工频截断电流I_ch1，高频截断电流I_ch2，平均截断电流计算公式：

其中ω是电流角频率，是50Hz或高频时电流的幅值；α，β是由触头材料决定的参数，q＝(1-β)^-1；

b.介质强度恢复能力计算公式：

U_dw＝A*(t-t_open)+B

其中U_dw为触头介质绝缘强度，U_Dw为反向触头介质绝缘强度，等于-U_dw。t为时间，t_open为触头开始分离的时刻，A为绝缘恢复强度的上升率，B为电流过零前真空断路器瞬态恢复电压；

c.高频熄弧能力计算公式：

I_quch＝di/dt＝C*(t-t_open)+D

其中I_quch是高频熄弧能力，C是高频熄弧能力的上升率，D是触头分离前的高频熄弧能力。

在步骤6)中，在利用PSCAD/EMTDC平台进行真空断路器重燃建模时，利用FORTRAN语言编程构造自定义控制模块，从而实现真空断路器分闸过程中出现的实际暂态现象。

在步骤7)中，所述测试仿真电路为单相电路，其供电电源为带内阻和分布电容的结构，其线路为RL串联电路，其负载为RLC并联电路。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、本发明构建的仿真模型是在电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC搭建真空断路器电路模型和时序逻辑控制模块，利用FORTRAN语言自编程序实现复杂的时序逻辑控制算法，更好地模拟真空断路器实际分闸操作的多次重燃现象，弥补了PSCAD/EMTDC自带模型库中断路器模型仅适用于理想开断仿真和工频仿真的不足，且该方法适用于在其他任何电磁暂态仿真软件中搭建真空断路器分闸模型，具有较强的通用性。

2、本发明构建的仿真模型考虑实际分闸过程中，真空断路器会出现的多次重燃现象，将分闸暂态过程分为第一次电流截断之前、暂态电压恢复、高频燃弧和成功开闸四个阶段。真空断路器分闸过程中第一次电流截断之前是工频燃弧，其后多次击穿导致的重燃均为高频击穿，这个过程是暂态电压恢复和高频燃弧交替进行，直到介电强度达到最大值，触头完全分离，真空断路器成功开闸。自定义模块中根据真空断路器两端的电压、流过的电流、触头相关材料和结构参数、相关的线性多项式和经验数据等计算出工频、高频截断电流、介质强度恢复能力和高频电流熄弧能力、高频燃弧时间、开闸时间等参数，确定真空断路器所处的状态，控制理想断路器模型的开合来模拟重燃现象。因此，本发明构建的仿真模型能够更加精确地仿真模拟真空断路器实际分闸操作中的重燃现象，更好地复现分闸的暂态过程，对研究真空断路器分闸操作引起的各类暂态过程或故障工况的产生机理均具有重要意义。

附图说明

图1为本发明的自定义真空断路器电路仿真模型。

图2为本发明的真空断路器暂态过程时序逻辑控制流程图。

图3为本发明真空断路器的时间逻辑控制模块。

图4a为本发明的真空断路器内部参数设置界面之一。

图4b为本发明的真空断路器内部参数设置界面之二。

图5为本发明验证电路中真空断路器两端电压和触头介质击穿强度波形图。

图6为本发明验证电路中真空断路器两端电压和触头介质击穿强度在0.017s—0.029s之间的放大波形。

图7为本发明验证电路中流过真空断路器的电流波形。

图8为本发明验证电路中流过真空断路器的电流在0.0175s—0.0185s之间的放大波形。

图9为本发明验证电路中真空断路器分闸过程重燃次数。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

本实施例所述的真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，其具体情况如下：

1)在PSCAD/EMTDC环境下搭建自定义真空断路器电路仿真模型，采用在理想断路器模型两端并联由寄生电阻、电感、电容(RLC)串联组成的支路来模拟真空断路器分闸时触头间隙电弧的暂态特性，如附图1所示。

2)分析真空断路器实际分闸操作时触头之间的重燃暂态过程，确定七个主要暂态子过程：触头开始分离、工频燃弧、工频电流截断、暂态电压恢复、高频燃弧、高频电流截断、成功开闸。根据每个子过程的电压和电流特征，将其分为四个阶段：第一次电流截断之前、暂态电压恢复、高频燃弧和成功开闸。

3)根据步骤2)中得到的四个阶段，设置真空断路器分闸过程的四个状态判断标志：第一次断开、再次断开、重燃和完全断开。

4)根据步骤2)和3)的分析，确定每个阶段之间的转换条件，计算某时刻四个状态判断标志的取值，以此来判断真空断路器所处的阶段，更新真空断路器的四个阶段变量，然后根据阶段变量实时设定真空断路器的开合信号，并将该信号返回给自定义真空断路器电路模型中控制真空断路器开合的理想断路器，实现自定义真空断路器的开合功能。据此得到真空断路器分闸操作暂态过程的时序逻辑控制算法，将其绘制为简单的流程图，如附图2所示。

5)在PSCAD/EMTDC环境下自定义真空断路器分闸仿真模型控制模块，如图3所示，包括其外部输入、输出信号，内部输入、输出参数，设计内部参数设置界面，如图4a、图4b所示。

6)在时间逻辑控制模块的脚本Script中，利用FORTRAN语言编写代码，实现上述自定义真空断路器的功能。

7)在上述6个步骤的基础上，搭建包括电源、线路、自定义真空断路器、负载的测试仿真电路，验证真空断路器模型是否可以复现真空断路器实际分闸过程中的电弧重燃现象，并与试验数据中的研究结果进行对比，验证所建模型的准确性和有效性。所述测试仿真电路为单相电路，其供电电源为带内阻和分布电容的结构，其线路为RL串联电路，其负载为RLC并联电路。

在步骤1)中，因为PSCAD/EMTDC是一种应用较为广泛的电磁暂态仿真软件，因此采用PSCAD/EMTDC来搭建所提出的模型。

在步骤2)、3)和4)中，真空断路器的暂态子过程和四个阶段的划分主要是根据分闸后每个时刻真空断路器触头两端的电压和流过真空断路器的电流、介质强度恢复能力、高频熄弧能力、合闸时间、电弧时间和上一时刻真空断路器所处的状态，通过对状态判断标志、阶段变量和真空断路器开合信号的赋值，实现对真空断路器模型的控制，模拟实际的分闸操作及出现的重燃现象。

在步骤5)中，自定义真空断路器时间逻辑控制模块的输入量为真空断路器两端的电压和流过真空断路器的电流，输出量为真空断路器开关状态，均为一维固定电气端口类型。内部输入参数主要包括分闸时间、工频和高频截断电流、介质强度恢复能力、高频熄弧能力、断路器初始状态、介质强度最大耐击穿值等，内部输出参数包括介质强度恢复能力曲线、重燃次数等。

在步骤5)中，为充分研究真空断路器实际分闸操作的重燃暂态过程，将工频和高频截断电流、介质强度恢复能力、高频熄弧能力、触头分离时间、电弧时间、电弧状态等参数引入真空断路器时间逻辑控制器。对于不同型号的真空断路器，上述参数的具体取值也不同，因此根据研究需要，选取某型号的真空断路器现场试验数据、实验室模拟数据或其他研究人员的经验数据等结果统计与分析得出该选定真空断路器的上述参数。主要参数计算公式如下：

a.截断电流：工频截断电流I_ch1，高频截断电流I_ch2，平均截断电流计算公式：

其中ω是电流角频率，是50Hz或高频时电流的幅值，α，β是由触头材料决定的参数，q＝(1-β)^-1。

b.介质强度恢复能力计算公式：

U_dw＝A*(t-t_open)+B

其中U_dw为触头介质绝缘强度，U_Dw为反向触头介质绝缘强度，等于-U_dw。t为时间，to_pen为触头开始分离的时刻，A为绝缘恢复强度的上升率，B为电流过零前真空断路器瞬态恢复电压。

C.高频熄弧能力计算公式：

I_quch＝di/dt＝C*(t-t_open)+D

其中I_quch是高频熄弧能力，C是高频熄弧能力的上升率，D是触头分离前的高频熄弧能力。

模型验证

以35kV真空断路器的单相模型为例，搭建测试电路，分析分闸时真空断路器两端的电压、电流信号，验证所提出模型的有效性和准确性。

该测试电路中真空断路器两端电压、介质击穿强度、流过真空断路器的电流和重燃次数如图5至图9所示。该真空断路器模型设定的分闸时间为0.015s，当真空断路器接收到分闸信号时，其触头开始分离，触头间的距离逐渐增大，触头间隙之间的介电强度随之增大。本测试电路电源为50Hz正弦电压源，因此电路中真空断路器两端的电压和电流也是正弦变化，当流过真空断路器的电流被首次截断时，真空断路器两端的暂态恢复电压开始逐渐增大，当其大于该时刻的介电强度时，绝缘间隙将被电弧击穿，导致重燃现象的发生。如图5‐图9所示，本示例首次重燃的时间为0.017305s，此后随着真空断路器两端暂态恢复电压和触头间隙之间的介电强度的变化，真空断路器内部发生了6次预击穿，直到0.01813s真空断路器触头间隙已足够大，不能再被击穿，然后触头继续分离，直到分开到最大位置，分闸成功。经对本测试电路仿真结果的上述分析可得结论：考虑真空断路器分闸时多次重燃现象的真空断路器分闸暂态仿真模型能够很好地模拟真空断路器分闸操作暂态过程中出现的重燃现象，输出相关参数，具有良好的准确性；并且可以通过调整相关参数仿真不同类型真空断路器的暂态特性，通用性较好。

此外，该方法搭建的真空断路器模型可以用于模拟真空断路器开断小电流感性负载/容性负载时，因截流、重燃等现象在系统中引起的复杂电磁振荡导致的高频过电压形成过程，研究不同工况下过电压的产生机理及其相应保护设备的参数整定，弥补因现场试验条件比较苛刻和试验成本较高等问题而受到的限制，给相关系统设计人员和运维人员提供一定的工程参考价值，值得推广。

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在PSCAD/EMTDC环境下搭建自定义真空断路器电路仿真模型，采用在理想断路器模型两端并联由寄生电阻、电感、电容串联组成的支路来模拟真空断路器分闸时触头间隙电弧的暂态特性；

2)分析真空断路器实际分闸操作时触头之间的重燃暂态过程，确定七个主要暂态子过程：触头开始分离、工频燃弧、工频电流截断、暂态电压恢复、高频燃弧、高频电流截断、成功开闸，根据每个子过程的电压和电流特征，将其分为四个阶段：第一次电流截断之前、暂态电压恢复、高频燃弧和成功开闸；

3)根据步骤3)中得到的四个阶段，设置真空断路器分闸过程的四个状态判断标志：第一次断开、再次断开、重燃和完全断开；

4)根据步骤2)和3)的分析，确定每个阶段之间的转换条件，计算某时刻四个状态判断标志的取值，以此来判断真空断路器所处的阶段，更新真空断路器的四个阶段变量，然后根据阶段变量实时设定真空断路器的开合信号，并将该信号返回给自定义真空断路器电路仿真模型中控制真空断路器开合的理想断路器，实现自定义真空断路器的开合功能；

5)在PSCAD/EMTDC环境下自定义真空断路器分闸模型的时间逻辑控制模块，包括其外部输入、输出信号，内部输入、输出参数，设计内部参数设置界面；

6)在时间逻辑控制模块的脚本Script中，利用FORTRAN语言编写代码，实现上述自定义真空断路器的功能；

7)在上述6个步骤的基础上，搭建包括电源、线路、自定义真空断路器、负载的测试仿真电路，验证真空断路器模型是否可以复现真空断路器实际分闸过程中的电弧重燃现象，并与试验数据中的研究结果进行对比，验证所建模型的准确性和有效性。

2.根据权利要求1所述的一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，其特征在于：在步骤1)中，为了避免真空断路器操作导致两侧电路中储能元件电压、电流的跳变，引发并无实际物理意义的数值计算振荡，对PSCAD/EMTDC理想断路器模型做了改进，在其两侧并联RLC支路，并根据需求选取参数值。

3.根据权利要求1所述的一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，其特征在于：在步骤2)、3)和4)中，真空断路器的暂态子过程和四个阶段的划分主要是根据分闸后每个时刻真空断路器触头两端的电压和流过真空断路器的电流、介质强度恢复能力、高频熄弧能力、合闸时间、电弧时间和上一时刻真空断路器所处的状态，通过对状态判断标志、阶段变量和真空断路器开合信号的赋值，实现对真空断路器模型的控制，模拟实际的分闸操作及出现的重燃现象。

4.根据权利要求1所述的一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，其特征在于：在步骤5)中，真空断路器分闸模型的时间逻辑控制模块的输入量为真空断路器两端的电压和流过真空断路器的电流，输出量为真空断路器开关状态，均为一维固定电气端口类型，内部输入参数主要包括分闸时间、工频和高频截断电流、介质强度恢复能力、高频熄弧能力、真空断路器初始状态、介质强度最大耐击穿值，内部输出参数包括介质强度恢复能力曲线、重燃次数。

5.根据权利要求1所述的一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，其特征在于：在步骤5)中，为充分研究真空断路器实际分闸操作的重燃暂态过程，将工频和高频截断电流、介质强度恢复能力、高频熄弧能力、触头分离时间、电弧时间、电弧状态这些参数引入真空断路器分闸模型的时间逻辑控制模块，对于不同型号的真空断路器，上述参数的具体取值也不同，因此根据研究需要，选取某型号的真空断路器现场试验数据、实验室模拟数据或其他研究人员的经验数据这些结果统计与分析得出该选定真空断路器的上述参数，其中主要参数计算公式如下：

a.截断电流：工频截断电流I_ch1，高频截断电流I_ch2，平均截断电流计算公式：

$I_{ch1/ch2}={(\mathrm{\ω}\·\hat{I}\·\mathrm{\α}\·\mathrm{\β})}^q$

其中ω是电流角频率，是50Hz或高频时电流的幅值；α，β是由触头材料决定的参数，q＝(1-β)^-1；

b.介质强度恢复能力计算公式：

U_dw＝A*(t-t_open)+B

其中U_dw为触头介质绝缘强度，U_Dw为反向触头介质绝缘强度，等于-U_dw。t为时间，to_pen为触头开始分离的时刻，A为绝缘恢复强度的上升率，B为电流过零前真空断路器瞬态恢复电压；

c.高频熄弧能力计算公式：

I_quch＝di/dt＝C*(t-t_open)+D

其中I_quch是高频熄弧能力，C是高频熄弧能力的上升率，D是触头分离前的高频熄弧能力。

6.根据权利要求1所述的一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，其特征在于：在步骤6)中，在利用PSCAD/EMTDC平台进行真空断路器重燃建模时，利用FORTRAN语言编程构造自定义控制模块，从而实现真空断路器分闸过程中出现的实际暂态现象。

7.根据权利要求1所述的一种真空断路器分闸暂态仿真模型的构建方法，其特征在于：在步骤7)中，所述测试仿真电路为单相电路，其供电电源为带内阻和分布电容的结构，其线路为RL串联电路，其负载为RLC并联电路。