CN107194043A - 一种断路器高频电弧建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种断路器高频电弧建模方法，属于电力系统保护和故障监测技术领域，该方法根据不同时刻电弧电流的变化，建立了三段式电弧全过程模型。在预燃弧阶段，用传统时变电阻模型表示，稳态燃弧阶段用可整定固定电阻值表示，熄弧阶段用Mayr电弧模型表示。本发明提出的电弧建模方法能够为断路器燃弧故障预警与识别提供理论基础。

Description

一种断路器高频电弧建模方法

技术领域

本发明属于电力系统保护和故障监测技术领域，具体涉及一种断路器高频电弧建模方法。

背景技术

随着配电网供电质量要求的提高，特别是对电压质量的要求，交流滤波器支路中断路器需要频繁动作投切电容器组。断路器投切高压容性电路，工作环境恶劣，容易诱发暂态过电压问题；目前已有多起报道，断路器开断高压容性电路后再次击穿导致了断路器爆炸恶性事故。

若能够实现对断路器击穿导致的高频电弧进行实时监测，则可以实现对该类故障或隐患的早期故障预警，要实现上述目标，其核心问题是如何准确地建模断路器高频电弧燃弧、熄弧全过程，分析掌握其动态特征。

高频燃弧建模最常用的方法为基于传统可变电阻的三段式高频电弧模型，其能够较好地模拟断路器的高频燃弧故障的燃弧阶段，但是仅用经验指数公式无法反应断路器熄弧阶段的暂态恢复电压特征。另外，现有常用的电弧模型以Cassie模型和Mayr模型为代表，其中Cassie模型建模机理是动态比较瞬态电弧电压与电弧稳态电压的大小，适合用于大电流情况下的电弧建模，而交流滤波器支路的阻抗较大，电流较小，无法直接应用；对于Mayr模型而言，其能够较好地反应工频条件下的电弧燃弧、熄弧全过程，而交流滤波器用断路器的燃弧故障属于高频电弧故障，在高频电弧电流每一次过零时刻，Mayr模型均会产生一个明显的电弧电阻局部极大值，导致了电弧电流的衰减速度加速，与实际不符。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种断路器高频电弧建模方法，本发明结合传统时变电阻模型和Mayr模型的高频电弧故障建模，为实现断路器电弧故障的检测提供了理论基础。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种断路器高频电弧建模方法，结合传统时变电阻模型和Mayr电弧模型，将建模过程分预燃弧阶段、稳态燃弧阶段和熄弧三个阶段，在预燃弧阶段，用传统时变电阻模型表示，稳态燃弧阶段用可整定固定电阻值表示，熄弧阶段用Mayr电弧模型表示，实现断路器高频电弧故障全动态过程建模。

具体的，根据汤逊理论，结合不同时刻电弧电流的变化，建立三段式电弧模型。

进一步的，从电弧初始击穿开始直至电弧电阻降至最低点的阶称为预燃弧阶段；当断路器完全击穿时，电弧充分燃烧，此时的电弧电阻保持最小稳态值不变，此阶段为稳态燃弧阶段；当弧隙的输入能力小于弧隙的散出能量时，电弧能量降低，此时电弧电阻迅速增大，直至电弧熄灭，这个过程为熄弧阶段。

进一步的，当电弧处于预燃弧阶段时，利用传统时变电阻模型来构建预燃弧阶段的动态电弧电阻R_y(t)，具体计算式如下：

上式中，τ为衰减系数。

当电弧处于稳态燃弧阶段时，稳态电弧电阻r₀取值为整定固定值。

优选的，稳态电弧电阻取0.2-0.7欧姆。

当电弧处于全熄弧阶段时，基于Mayr电弧模型的高频特性，得到全熄弧阶段的电弧电阻R_q(t)。

进一步的，全熄弧阶段的电弧电阻R_q(t)为：

上式中，g_p为电弧瞬时电导，G_p为电弧稳态电导，T_p为电弧时间常数，i为电弧电流，v_p为单位电弧电压，l_p为电弧长度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明是结合传统时变电阻模型和Mayr电弧模型，提出了一种断路器高频电弧故障全动态过程建模方法。本发明中利用Mayr模型表示熄弧阶段的特性，能够克服传统时变电阻熄弧模型参数不精确、仿真结果精度不高等问题，能够更真实地反应熄弧阶段的特性，建模精度高。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为应用本发明的三段式电弧示意图；

图2为应用本发明的仿真电弧模型示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在仅用经验指数公式无法反应断路器熄弧阶段的暂态恢复电压特征的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种断路器高频电弧建模方法，属于电力系统保护和故障监测技术领域，该方法结合传统时变电阻模型和Mayr电弧模型，根据不同时刻电弧电流的变化，建立了三段式电弧模型。在预燃弧阶段，用传统时变电阻模型表示，稳态燃弧阶段用可整定固定电阻值表示，熄弧阶段用Mayr电弧模型表示。

本申请的一种典型的实施方式中，结合传统时变电阻模型和Mayr电弧模型，将建模过程分为三个阶段，包括预燃弧阶段、稳态燃弧阶段和熄弧阶段。

根据汤逊理论，在电弧故障发生之前，断路器动静触头之间的自由电子很少，在电弧故障发生时，自由电子在较强的电场作用迅速的碰撞电离，不断形成新的电子和正离子，在断路器动静触头之间游离的粒子数量按指数曲线不断增加，单位时间内通过电弧横截面的电子数增加，流过隔离开关的电流迅速增加。同时电弧直径变大，内部热能增加，这两方面的原因使得电弧电阻迅速减小。因此，从电弧初始击穿开始直至电弧电阻降至最低点，这个阶段称为预燃弧阶段。当断路器完全击穿时，电弧充分燃烧，此时的电弧电阻保持最小稳态值不变，此阶段称之为稳态燃弧阶段。当弧隙的输入能力小于弧隙的散出能量时，电弧能量降低，此时电弧电阻迅速增大，直至电弧熄灭，这个过程成为熄弧阶段。

具体包括以下步骤：

1)当电弧处于预燃弧阶段时，利用传统时变电阻模型来构建预燃弧阶段的动态电弧电阻R_y(t)，具体计算式如下：

上式中，τ为衰减系数，取值τ＝10⁹；

2)当电弧处于稳态燃弧阶段时，稳态电弧电阻r₀取值为可整定固定值，建议取值为0.5欧姆；

3)当电弧处于全熄弧阶段时，基于Mayr电弧模型的高频特性，得到全熄弧阶段的电弧电阻R_q(t)，计算式如下：

上式中，g_p为电弧瞬时电导，G_p为电弧稳态电导，T_p为电弧时间常数，i为电弧电流，v_p为单位电弧电压，l_p为电弧长度。

基于电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC(Power Systems Computer Aided Design)搭建交流滤波器支路用断路器高频电弧模型。在建立的交流滤波器用断路器动态电弧模型中，故障滤波器支路的三相被分开且支路的无关设备被简化处理，着重突出燃弧的滤波器支路，假设该支路的断路器C相发生燃弧故障。根据图1所示的三段式电弧模型，建立了交流滤波器燃弧控制模型示意图如图2所示。

设定仿真总时长0.5s，故障发生于0.2484s，燃弧时长3ms，其中，预燃弧阶段为0.5ms，稳态燃弧阶段为2ms，熄弧阶段0.5ms，模型的采样频率f＝10⁴Hz。

第一次燃弧故障时，利用构建的电弧仿真模型，得到的第一次电弧电压和电弧电流如下表1和表2所示：

表1交流滤波器用断路器燃弧过程电弧电流值

表2交流滤波器用断路器燃弧过程的电弧电压值

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种断路器高频电弧建模方法，其特征是：结合传统时变电阻模型和Mayr电弧模型，将建模过程分预燃弧阶段、稳态燃弧阶段和熄弧三个阶段，在预燃弧阶段，用传统时变电阻模型表示，稳态燃弧阶段用可整定固定电阻值表示，熄弧阶段用Mayr电弧模型表示，实现断路器高频电弧故障全动态过程建模。

2.如权利要求1所述的一种断路器高频电弧建模方法，其特征是：根据汤逊理论，结合不同时刻电弧电流的变化，建立三段式电弧模型。

3.如权利要求2所述的一种断路器高频电弧建模方法，其特征是：从电弧初始击穿开始直至电弧电阻降至最低点的阶称为预燃弧阶段；当断路器完全击穿时，电弧充分燃烧，此时的电弧电阻保持最小稳态值不变，此阶段为稳态燃弧阶段；当弧隙的输入能力小于弧隙的散出能量时，电弧能量降低，此时电弧电阻迅速增大，直至电弧熄灭，这个过程为熄弧阶段。

4.如权利要求1所述的一种断路器高频电弧建模方法，其特征是：当电弧处于预燃弧阶段时，利用传统时变电阻模型来构建预燃弧阶段的动态电弧电阻R_y(t)，具体计算式如下：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>y</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msup> <mn>10</mn> <mn>12</mn> </msup> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>t</mi> <mi>&amp;tau;</mi> </mfrac> </mrow> </msup> </mrow>

上式中，τ为衰减系数。

5.如权利要求1所述的一种断路器高频电弧建模方法，其特征是：当电弧处于稳态燃弧阶段时，稳态电弧电阻r₀取值为整定固定值。

6.如权利要求5所述的一种断路器高频电弧建模方法，其特征是：稳态电弧电阻取0.2-0.7欧姆。

7.如权利要求1所述的一种断路器高频电弧建模方法，其特征是：当电弧处于全熄弧阶段时，基于Mayr电弧模型的高频特性，得到全熄弧阶段的电弧电阻R_q(t)。

8.如权利要求7所述的一种断路器高频电弧建模方法，其特征是：全熄弧阶段的电弧电阻R_q(t)为：

<mrow> <msub> <mi>R</mi> <mi>q</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msub> <mi>g</mi> <mi>p</mi> </msub> </mfrac> </mrow>

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上式中，g_p为电弧瞬时电导，G_p为电弧稳态电导，T_p为电弧时间常数，i为电弧电流，v_p为单位电弧电压，l_p为电弧长度。