CN109061393A - 一种适用于输电线路弧光接地故障电弧精确建模方法 - Google Patents

Abstract

一种适用于输电线路弧光接地故障电弧精确建模方法，属于电力系统故障检测和保护领域；根据外电离引起的空气饱和电流I_s、气体电离常数c₁、c₂及燃弧温度T均为已知常数，根据仿真需要设定电弧间隙长度值d，采集故障支路电弧电流I_F，根据公式计算得到电弧电压u_a，本发明给出了故障电弧电压和电弧电流的函数关系，克服了传统微分形式电弧模型计算复杂、难以直接应用于继电保护领域的问题；摒弃以往电弧建模过程的简化、拟合等手段，模型自身所包含的参量都具有明确的物理意义，建模精度高。

Description

一种适用于输电线路弧光接地故障电弧精确建模方法

技术领域

本发明涉及电力系统保护和控制技术领域，特别涉及一种适用于输电线路弧光接地故障电弧精确建模方法。

技术背景

源荷分布的不平衡性决定了我国对远距离高压输电的需求。高压输电线路走廊通道长、覆盖面积广，易发生由雷击、山火、绝缘子闪络所引起的单相弧光接地故障。此类故障的故障支路是由电弧电阻以及接地介质串联组合而成，电弧电阻较大的非线性特征给故障点电压的估算带来一定的挑战，使得传统单端阻抗测距算法精度受到影响。

为了精确、快速的定位输电线路弧光接地故障，研究学者大多将目光集中在如何改进故障测距算法上。但对于此类故障，故障支路中电弧模型中的间隙长度决定了故障点电压的波形特征，进一步决定了能否准确估算或拟合出故障点电压，从而实现精确测距。

国内学者在开展弧光接地故障保护研究时，多将故障支路用固定电阻替代，但这种简化方式导致了测距性能不佳。针对该问题，ABB等公司将接地电阻划分为塔基电阻和电弧电阻，并用方波来表示电弧电压，但此种方式忽略了电弧本身极具研究价值的电弧动态特性，致使故障电阻非线性过强，测距精度较差。

提高输电线路弧光接地故障测距精度的关键在于对故障电弧动态特征的分析和掌握，其核心在于电弧的动态建模。最为著名的动态电弧模型为Cassie模型(1939年提出)和Mayr模型(1943年提出)。后续科研人员在此基础上也做了进一步的模型简化推导，比如Zeller模型、Browne T E模型，Urbanek J模型等。但上述电弧模型均为微分方程表达式，数值求解中每一时刻电弧电压都是前一时刻电弧电压与未知参数电弧时间常数τ_m、电弧热耗散功率P_m等迭代计算实时得到的，导致了计算过程十分复杂，难以直接应用于解析方程中来。

为解决上述问题，有关学者提出了描述电弧V-I特性的电弧对数模型，该模型可直接应用于目前主流的基于时域或频域解析方程的故障检测和保护算法。但该模型假定电弧间隙长度恒定，忽略了间隙长度对故障点电压波形估算的重要影响，面对复杂多变的实际故障工况模型精度浮动性较大。

发明内容

为了克服现有电弧模型不能量化分析电弧燃弧长度对电弧燃弧特性影响的不足，本发明的目的是提出了涉及间隙长度的一种适用于输电线路弧光接地故障电弧精确建模方法，该方法基于描述气体放电物理本质的汤逊原理，结合理想气体状态方程构建了包含参量电弧间隙长度d的电弧电压与电流解析表达式，适用于分析不同击穿间隙长度条件下的燃弧特性。

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的技术方案为：

一种适用于输电线路弧光接地故障电弧精确建模方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)、实时采集故障支路电弧电流I_F；

步骤(2)、依次设定饱和电流I_s＝10^-10A、气体电离常数c₁＝2.86×10⁶K·cm^-1，c₂＝7.47×10⁴K·kV·cm^-1；根据实际需求设定电弧间隙长度值d，理论取值范围为0-100cm，根据如下公式计算电弧电压u_a：

步骤(3)、改变电弧间隙d的大小，根据步骤(2)公式，计算分析不同电弧间隙长度条件下电弧燃弧特性。

本发明根据外电离引起的空气饱和电流I_s、气体电离常数c₁、c₂及燃弧温度T均为已知常数，根据仿真需要设定电弧间隙长度值d，采集故障支路电弧电流I_F，根据公式计算得到电弧电压u_a，与现有技术相比具有以下优势：

(1)本发明给出了故障电弧电压和电弧电流的函数关系，克服了传统微分形式电弧模型计算复杂、难以直接应用于继电保护领域的问题。

(2)摒弃以往电弧建模过程的简化、拟合等手段，模型自身所包含的参量都具有明确的物理意义，建模精度高。

(3)区别于现有的电弧模型，本发明首次明确了电弧间隙长度d对燃弧特性的影响，可表征不同故障间隙长度条件下的燃弧特性。

附图说明

图1为应用本发明的输电线路弧光接地故障示意图。

图2为本发明提供的电弧电流波形图。

图3为本发明提供的电弧电压波形图。

图4为应用本发明的不同间隙长度条件下故障支路电弧电流对比图。

图5为应用本发明的不同间隙长度条件下故障支路电弧电压对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细叙述。

图1为应用本发明的输电线路弧光接地故障拓扑图。

参照图1，搭建长度为80km的220KV交流输电线路，线路在0.6s发生弧光单相接地故障。在0.1Mpa空气条件下电离常数c₁＝2.86×10⁶K·cm^-1，c₂＝7.47×10⁴K·kV·cm^-1。假定电弧温度4000K，饱和电流I_s＝10^-10A，电弧间隙长20cm，塔基电阻R_F＝80Ω，电网仿真参数见表1，线路仿真参数见表2，电弧电流、电弧电压仿真波形如图2、图3所示，图4为对应的电弧燃弧V-I特性。

表1电网M和N的参数

表2线路参数

步骤1)实时采集故障支路的电流信号i_F，如表3所示；

表3电弧电流i_F信号采样值

步骤2)计算电弧电压u_a，例如取时间t＝0.604s时，i_F＝1.33kA，计算可得：

步骤3)依次设定电弧间隙长度d为10cm、20cm、30cm、40cm，仿真分析电弧燃弧特性，得到电弧电流与电弧电压在不同工况下的波形，如图5所示。

电弧电压计算全部结果如表4所示：

表4电弧电压计算值

Claims (1)

1.一种适用于输电线路弧光接地故障电弧精确建模方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤(1)、实时采集故障支路电弧电流I_F；

步骤(2)、依次设定饱和电流I_s＝10^-10A、气体电离常数c₁＝2.86×10⁶K·cm^-1，c₂＝7.47×10⁴K·kV·cm^-1；根据实际需求设定电弧间隙长度值d，理论取值范围为0-100cm，根据如下公式计算电弧电压u_a：

步骤(3)、改变电弧间隙d的大小，根据步骤(2)公式，计算分析不同电弧间隙长度条件下电弧燃弧特性。