CN107423474A - 考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，该方法将真空断路器等效为带有并联杂散参数支路的可控电阻，建模时考虑真空断路器合闸过程中触头间介质绝缘强度、高频电流熄灭能力和触头间电弧电压等因素，并在合闸过程中将断路器触头间电压差与介质绝缘强度、通过断路器电流与高频电流熄灭能力进行比较，将整个合闸过程分为4个状态，对每个状态下的可控电阻阻值进行编程实时控制，从而实现对真空断路器合闸过程中的预击穿现象的仿真。使用本发明提供的建模与仿真方法，可以较准确建立真空断路器的等效模型，能尽可能反映真空断路器合闸过程中可能出现的预击穿暂态特性，并且使用常规电力系统电磁暂态仿真软件即可实现。

Description

考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真技术领域，具体涉及一种考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法。

背景技术

真空断路器由于具有体积小、质量轻、环保和适合频繁操作等特点，在中压领域具有得天独厚的优势，具有广泛的应用前景。然而，真空断路器在常见的投切并联电抗器等感性负载时常伴随着过电压的产生，威胁设备和系统的运行安全。相关研究认为，这与断路器合闸过程中的预击穿现象有关。

对真空断路器预击穿的研究常见的有实验和仿真两种方法。然而，实验成本较高，而且，由于不同工作条件下电路参数差异较大和实验条件等原因，实验研究具有很大的局限性。而仿真研究可以任意设定电路参数，在一定的简化条件下，通过计算机程序既可以对该种情况下的过电压及其影响因素进行计算研究，也可以对过电压保护装置及其效果进行仿真研究，具有一定经济性。但是现有的仿真软件中真空断路器建模方式较为简单，未考虑真空断路器所具有的预击穿特性，因此，对真空断路器的预击穿特性进行准确建模与仿真就显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，所述建模与仿真方法包括下列步骤：

S1、将真空断路器等效为带并联支路的可控电阻，其并联支路为电阻、电感、电容或这三者的任意组合、任意连接方式；

S2、建立真空断路器触头间介质绝缘强度模型，确定断路器合闸过程中的触头间介质绝缘强度与时间之间的函数关系；

S3、建立真空断路器的高频电流熄灭能力模型，确定描述高频电流熄灭的要素为高频电流持续时间和高频电流过零时的电流导数，及其需要满足的条件；

S4、将真空断路器可能具有的状态划分为4个：合闸前、暂态恢复电压过程、高频电流持续过程和完全合闸，并确定各状态间的相互转换关系，其中，合闸前记为状态1，暂态恢复电压过程记为状态2，高频电流持续过程记为状态3，完全合闸记为状态4；

S5、通过建模实现对可控电阻阻值的控制，进行仿真。

进一步地，所述可控电阻的阻值可以通过编程与仿真软件交互，可以在仿真过程中随仿真时间而改变，具体大小由程序输出所控制。

进一步地，所述并联支路上的电阻、电感、电容值均为固定值。

进一步地，所述断路器合闸过程中的触头间介质绝缘强度与时间之间的函数关系应满足介质绝缘强度随着时间的增加而单调递减，最后等于0。

进一步地，所述高频电流熄灭需要满足的条件为：高频电流需持续一定时间以上，高频电流过零时的电流导数小于某常数，且该常数的取值范围为1×10⁵kA/s～10×10⁵kA/s。

进一步地，所述各状态间的相互转换关系包括：

在真空断路器没有收到合闸命令前的状态一直保持为状态1，收到合闸命令后的第一次电压V_brk大于介质绝缘强度时状态由状态1转换为状态3，其中，V_brk指可控电阻两端的电压差。

进一步地，所述各状态间的相互转换关系包括：

状态3转换为状态2的条件为：通过可控电阻的电流满足高频电流熄灭条件。

进一步地，所述各状态间的相互转换关系包括：

状态2转换为状态3的条件为：可控电阻两端的电压差V_brk大于或等于介质绝缘强度。

进一步地，所述可控电阻在各状态中的表达式如下：

状态1:R＝1MΩ；

状态2:R＝1MΩ；

状态3:

状态4:R＝0。

进一步地，合闸开始后，所述介质绝缘强度按如下方程计算：

U＝TRV_lim-A(t-t_close)-B

其中，TRV_lim为真空断路器绝缘强度能承受的最大值，A、B为计算系数，t为仿真时间，t_close是合闸开始时的时间，TRV_lim的计算方式如下：

其中，k_af为振幅系数，k_pp为首开极系数，E_mag是断路器额定电压。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、传统仿真软件进行断路器合闸仿真时，一般是在合闸时刻前等效为一个阻值极大的电阻，合闸时刻后等效为一个阻值极小的电阻，无法对真空合闸过程可能出现的预击穿进行仿真。本发明综合考虑了介质绝缘强度、高频电流熄灭和电弧电压等因素，从而对真空断路器合闸过程的仿真较为准确。

2、将真空断路器合闸过程区分为4个状态，并明确了各状态之间的转换关系和条件，从而使得对真空断路器合闸过程区分明晰，易于理解和掌握，为建模和仿真提供了便利。

3、使用本发明公开的建模与仿真方法可以尽可能反映真空断路器合闸过程中的暂态特性，利用常规电力系统仿真软件即可实现对该过程进行仿真，可以节省仿真系统的投资，充分发挥常规电力系统仿真软件在涉及真空断路器预击穿特性的电力系统暂态仿真中的作用。

附图说明

图1是考虑真空断路器预击穿特性的建模等效图；

图2是一种典型的考虑真空断路器预击穿特性的建模等效图；

图3是对等效可控电阻进行编程控制的流程图；

图4是实施例中使用的测试电路接线图；

图5是实施例中测得的真空断路器两端电压差的波形图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例公开了一种考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，将真空断路器等效为带有并联杂散参数支路的可控电阻，所述的建模和仿真方法包括以下步骤：

S1、将真空断路器等效为带并联支路的可控电阻，其并联支路为电阻、电感、电容或这三者的任意组合、任意连接方式。

具体实施方式中，可控电阻的阻值可以通过编程与仿真软件交互，可以在仿真过程中随仿真时间而改变，具体大小由程序输出所控制。

具体实施方式中，并联支路上的电阻、电感、电容值均为固定值。

S2、建立真空断路器触头间介质绝缘强度模型，确定断路器合闸过程中的触头间介质绝缘强度与时间之间的函数关系。

具体实施方式中，断路器收到合闸命令后的介质绝缘强度与时间之间的函数关系应满足介质绝缘强度随着时间的增加而单调递减，最后等于0。

S3、建立真空断路器的高频电流熄灭能力模型，确定描述高频电流熄灭的要素为高频电流持续时间和高频电流过零时的电流导数，及其需要满足的条件。

具体实施方式中，高频电流熄灭需要满足的条件为：高频电流需持续一定时间以上，高频电流过零时的电流导数小于某常数，且该常数的取值范围为1×10⁵kA/s～10×10⁵kA/s。

S4、将真空断路器可能具有的状态划分为4个：合闸前、暂态恢复电压过程、高频电流持续过程和完全合闸，并确定各状态间的相互转换关系，其中，合闸前记为状态1，暂态恢复电压过程记为状态2，高频电流持续过程记为状态3，完全合闸记为状态4；

具体实施方式中，各状态的转换关系为：

在断路器没有收到合闸命令前的状态一直保持为状态1，收到合闸命令后的第一次电压V_brk(其中，V_brk是指可控电阻两端的电压差)大于介质绝缘强度时状态由状态1转换为状态3。

具体实施方式中，状态3转换为状态2的的转换关系为：

状态3转换为状态2的条件为：通过可控电阻的电流满足高频电流熄灭条件，状态2转换为状态3的条件为：可控电阻两端的电压差V_brk大于或等于介质绝缘强度。

其中，可控电阻在各状态中的表达式如下：

状态1:R＝1MΩ；

状态2:R＝1MΩ；

状态3:

状态4:R＝0。

S5、编写程序，实现对可控电阻阻值的控制，进行仿真。

实施例二

本实施例结合具体应用公开了一种考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，具体过程如下：

首先，将真空断路器等效为带有并联支路的可控电阻，电路结构图如附图1。比较典型的连接方式如附图2。其中R＝50Ω,L＝50nH,C＝200pF。

真空断路器开始合闸后，触头间介质绝缘强度开始减小，当两端的电压差V_brk大于或等于介质绝缘强度时，将发生击穿，产生高频电流通过断路器。编程时，状态由状态1转为状态3。高频电流将快速衰减，在衰减到一定程度后就将熄灭。状态由状态3转换为状态状态2。根据具体实践可知，真空断路器能够熄灭的高频电流需要满足两点：一是高频电流需要持续一定的阈值时间；二是高频电流在过零时，导数足够小。在实施例中，参考实验测定的结果，选定高频电流持续阈值时间若大于3us，且过零时导数需小于30000kV/s，则高频电流可被熄灭。

真空断路器收到合闸命令后，触头间介质绝缘强度开始减小，由于介质绝缘强度与触头间距离基本呈线性关系，故可按线性方程式计算介质绝缘强度。合闸开始后，介质绝缘强度按如下方程计算：

U＝TRV_lim-A(t-t_close)-B

其中，TRV_lim为真空断路器绝缘强度能承受的最大值，A、B为计算系数分别为5E7V/s和0，t为仿真时间，t_close是合闸开始时的时间。TRV_lim的计算方式如下：

其中，k_af为振幅系数，k_pp为首开极系数，k_af值为1.4，k_pp值为1.5，E_mag是断路器额定电压，E_mag值为40.5kV。

编程时按照如附图3所示的流程图进行编程，以实现各状态之间的转换。电弧电压选定为20V，各状态中可控电阻的阻值计算公式如下：

状态1:R＝1MΩ；

状态2:R＝1MΩ；

状态3:

状态4:R＝0。

基于以上实施例说明即可在专业电力系统暂态仿真软件中搭建简化电力系统，其中真空断路器用可控电阻等效。使用自定义元件编程调用C语言编写的外部文件，从而实现对可控电阻的实时控制。简化电力系统如附图4。仿真开始后系统逐渐稳定。在电流处于50°时向断路器发出合闸信号，使用软件提供的虚拟测量表计即可观察相应的电压、电流波形。从图5中可明显观察到真空断路器合闸过程中产生的预击穿现象。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，所述建模与仿真方法包括下列步骤：

S1、将真空断路器等效为带并联支路的可控电阻，其并联支路为电阻、电感、电容或这三者的任意组合、任意连接方式；

S2、建立真空断路器触头间介质绝缘强度模型，确定断路器合闸过程中的触头间介质绝缘强度与时间之间的函数关系；

S3、建立真空断路器的高频电流熄灭能力模型，确定描述高频电流熄灭的要素为高频电流持续时间和高频电流过零时的电流导数，及其需要满足的条件；

S4、将真空断路器可能具有的状态划分为4个：合闸前、暂态恢复电压过程、高频电流持续过程和完全合闸，并确定各状态间的相互转换关系，其中，合闸前记为状态1，暂态恢复电压过程记为状态2，高频电流持续过程记为状态3，完全合闸记为状态4；

S5、通过建模实现对可控电阻阻值的控制，进行仿真。

2.根据权利要求1所述的考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，所述可控电阻的阻值可以通过编程与仿真软件交互，可以在仿真过程中随仿真时间而改变，具体大小由程序输出所控制。

3.根据权利要求1所述的考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，所述并联支路上的电阻、电感、电容值均为固定值。

4.根据权利要求1所述的考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，所述断路器合闸过程中的触头间介质绝缘强度与时间之间的函数关系应满足介质绝缘强度随着时间的增加而单调递减，最后等于0。

5.根据权利要求1所述的考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，所述高频电流熄灭需要满足的条件为：高频电流需持续一定时间以上，高频电流过零时的电流导数小于某常数，且该常数的取值范围为1×10⁵kA/s～10×10⁵kA/s。

6.根据权利要求1所述的考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，所述各状态间的相互转换关系包括：

在真空断路器没有收到合闸命令前的状态一直保持为状态1，收到合闸命令后的第一次电压V_brk大于介质绝缘强度时状态由状态1转换为状态3，其中，V_brk指可控电阻两端的电压差。

7.根据权利要求1所述的考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，所述各状态间的相互转换关系包括：

状态3转换为状态2的条件为：通过可控电阻的电流满足高频电流熄灭条件。

8.根据权利要求1所述的考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，所述各状态间的相互转换关系包括：

状态2转换为状态3的条件为：可控电阻两端的电压差V_brk大于或等于介质绝缘强度。

9.根据权利要求1所述的考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，所述可控电阻在各状态中的表达式如下：

状态1:R＝1MΩ；

状态2:R＝1MΩ；

状态3:

状态4:R＝0。

10.根据权利要求8所述的考虑真空断路器预击穿特性的建模与仿真方法，其特征在于，合闸开始后，所述介质绝缘强度按如下方程计算：

U＝TRV_lim-A(t-t_close)-B

其中，TRV_lim为真空断路器绝缘强度能承受的最大值，A、B为计算系数，t为仿真时间，t_close是合闸开始时的时间，TRV_lim的计算方式如下：

<mrow> <msub> <mi>TRV</mi> <mi>lim</mi> </msub> <mo>=</mo> <msqrt> <mfrac> <mn>2</mn> <mn>3</mn> </mfrac> </msqrt> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mi>f</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mi>p</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>E</mi> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>g</mi> </mrow> </msub> </mrow>

其中，k_af为振幅系数，k_pp为首开极系数，E_mag是断路器额定电压。