CN109815593B - 一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法，包括步骤一、选定发生多馈线相继故障的高压输电线路，收集高压输电线路的相关参数；步骤二、建立高压侧仿真模型，根据高压输电线路的相关参数建立高压侧仿真模型馈线；步骤三、在馈线上接入电弧模型，记录电弧模型的仿真结果，并将仿真结果与实际录波波形及顺序记录进行对照。通过ATP‑EMTP仿真软件搭建的仿真模型，并通过对电弧模型的选择与改进，方便将仿真结果与实际录波波形及事件顺序记录进行对照，据此对搭建的仿真模型及参数设置进行反馈改进，从而分析系统非稳定性接地故障的发展历程，能够给出故障耦合传播机理的一般性规律。

Description

一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法

技术领域

本发明属于配电网技术领域，特别涉及一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法。

背景技术

配网相继故障耦合传播机理的分析一直是配电网领域重要技术问题，通过建立配网相继故障耦合传播机理的分析方法是目前较为有效的分析方法，但是仿真模型的建立和分析，能够分析系统非稳定性接地故障的发展历程，能够给出故障耦合传播机理的一般性规律。

针对变电所遭受雷击时接地网中地电位分布不均的问题，运用ATP-EMTP软件仿真分析地网上雷电暂态电位分布情况，根据实际接地网搭建的接地体的数学模型，增加垂直接地体对于接地网的设计和铺设上能解决地电位均衡问题，改善冲击电位分布，改善工频大电流入地时的地电位分布，防止局部电位升高，通过改变土壤电阻率和接地网孔大小，分析地电位的变化规律，总结两种防护措施的情况，为改进地电位防护措施提供一定参考。

但是，目前在利用暂态仿真软件PSCAD以及ATP-EMTP等仿真软件搭建典型案例的仿真模型的过程中，其构建仿真模型分析结果与实际情况偏差较大，特别是其仿真建立的电弧模型难以模拟实际的电弧情况，导致仿真分析结构不准确，为此需要提出一种新的配网相继故障耦合传播机理的分析方法，以分析给出故障耦合传播机理的一般性规律。

发明内容

针对上述问题，本发明一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，包括

步骤一、选定发生多馈线相继故障的高压输电线路，收集高压输电线路的相关参数；

步骤二、建立高压侧仿真模型，根据高压输电线路的相关参数建立高压侧仿真模型馈线；

步骤三、在馈线上接入电弧模型，记录电弧模型的仿真结果，并将仿真结果与实际录波波形及顺序记录进行对照。

进一步地，所述高压侧仿真模型的建立以及馈线的建立均采用ATP-EMTP软件进行电磁暂态仿真。

进一步地，所述馈线包括架空线路、电缆线路以及架空线与电缆线混合线路。

进一步地，架空线路、电缆线路以及架空线与电缆线混合线路均通过ATP-EMTP的输电线路模块LCC模型进行构建。

进一步地，架空线路采用输电线路模块LCC模型的架空线缆模块，电缆线路采用输电线路模块LCC模型的电缆线路模块，架空线与电缆线混合线路同时采用输电线路模块LCC模型的架空线缆模块和输电线路模块LCC模型的电缆线路模块。

进一步地，高压输电线路的相关参数包括接线形式、设备特点、故障顺序、以及故障电气量的一种或多种。

进一步地，所述馈线构建参数还包括沿线土壤电阻率、输电线路架设方式、输电线路相序、以及运行线路与感应线路的并行间距中的一个或多个。

进一步地，电弧模型的仿真结果包括电弧电压及仿真波形、电弧电流仿真波形以及电弧电阻仿真波形中的一种或多种。

进一步地，电弧模型的采用星形连接的RLC模块模拟。

进一步地，电弧模型采用弧隙能量平衡理论计算得到数学模型：

为单位长电弧弧柱中所储存能量的变化；q为电弧弧柱中存储的能量，t为时间，e×i为单位弧长输入的功率；i为电弧电流；e为弧柱中电场强度；P_loss为单位弧长的功率损失。

本发明的通过ATP-EMTP仿真软件搭建的仿真模型，并通过对电弧模型的选择与改进，方便将仿真结果与实际录波波形及事件顺序记录进行对照，据此对搭建的仿真模型及参数设置进行反馈改进，从而分析系统非稳定性接地故障的发展历程，能够给出故障耦合传播机理的一般性规律。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法；

图2示出了本发明的电弧模型仿真图；

图3示出了本发明的仿真结果1的电弧电压仿真波形图；

图4示出了本发明的仿真结果1的电弧电流仿真波形图；

图5示出了本发明的仿真结果1的电弧电阻仿真波形图。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述示例实施例；然而，示例实施例可以以不同的形式被实现并且不应该被解释为限于在这里阐述的实施例。相反，这些实施例被提供以使本公开是全面的和完整的，并且将向本领域技术人员完全地传达示例性实施方式，相同的标号始终表示相同的元件。

还将理解，当一个元件被称为在另一元件“之间”、“连接到”或“结合到”另一元件时，该元件可以直接在另一元件之间、直接连接或结合到另一元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接”在另一元件“之间”、直接“连接到”或“结合到”另一元件时，不存在中间元件。

现以南昌地区多馈线路相继故障的典型案例为例，分析说明本发明的一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法，需要指出的是，本发明的一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法同样适应于其他地区的多馈线路相继故障情况。

以南昌地区多馈线路相继故障的典型案例，对案例的共性及特点进行梳理总结。对典型案例中的接线形式、设备特点、故障顺序以及故障电气量(重点是故障点稳定程度、间歇性过电压)进行分析。

本发明提供一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法，

步骤一、选定发生多馈线相继故障的高压输电线路，收集高压输电线路的相关参数，包括接线形式、设备特点、故障顺序以及故障电气量。示例性的，现选定南昌地区多馈线路相继故障的典型案例，分析南昌地区多馈线路相继故障中的辐射状接线形式，以及配电网输电设备主要有输电线、杆塔、绝缘子串、架空线路的设备特点以及故障顺序和故障电气量，并且对故障点稳定、发生间歇性过电压的情况进行分析。

步骤二、建立高压侧仿真模型，示例性的，根据南昌地区多馈线路相继故障的典型案例的接线形式、设备特点、故障顺序以及故障电气量建立10kV配电网模型，10kV配电网模型的建立采用ATP-EMTP软件进行电磁暂态仿真，建立10kV配电网模型，通过设置高压侧无限大电源，主变变比110/10kV，构建10kV配电网系统。根据高压输电线路的相关参数建立高压侧仿真模型馈线，示例性的，通过高压侧仿真模型引出三条馈线模型，三条馈线模型包括架空线路L1、电缆线路L2以及架空线与电缆线混合线路L3；所述架空线路L1、电缆线路L2以及架空线与电缆线混合线路L3均通过两组输电线路模块LCC模型建立。其中，架空线路的两组输电线路模块LCC模型均采用架空线缆(overhead line)模块，电缆线路的两组输电线路模块LCC模型均采用输电线路模块LCC模型的电缆线路模块，架空线与电缆线混合线路同时采用一组输电线路模块LCC模型的架空线缆模块和一组输电线路模块LCC模型的电缆线路(cable line)模块构建，其中采用架空线缆模块的输电线路模块LCC模型连接在高压侧模型和采用电缆线路模块的输电线路模块LCC模型之间。

根据输电线路沿线土壤电阻率、输电线路架设方式、输电线路相序、运行线路与感应线路的并行间距等因素确定馈线相关参数，示例性的，根据测量获取输电线路相关参数，采用架空线路，并且架空线路采用钢芯铝绞线LGJ240/30、采用螺栓角钢塔，输电线相序呈三角形方式布置，塔顶呼高13m，两边距地11m，中线距地11.7m，两边线相互距离2m，与中线距离1.5m，档距250m，土壤电阻率选定为2000Ω·m。在架空线路的输电线路模块LCC模型的架空线缆模块中输入土壤电阻率选定为2000Ω·m，输电线相序呈三角形方式布置，输电线路架设方式为架空线路，并且架空线路采用钢芯铝绞线LGJ240/30，采用螺栓角钢塔，塔顶呼高13m，运行线路与感应线路的并行间距为两边距地11m，中线距地11.7m，两边线相互距离2m，与中线距离1.5m，档距250m，运行线路与感应线路的并行间距完成架空线路仿真模拟。在电缆线路的输电线路模块LCC模型的电缆线路模块中输入土壤电阻率、输电线路相序、运行线路与感应线路的并行间距完成电缆线路仿真模拟；在架空线与电缆线混合线路的输电线路模块LCC模型的电缆线路模块中输入土壤电阻率、输电线路相序、运行线路与感应线路的并行间距，且在架空线与电缆线混合线路的输电线路模块LCC模型的架空线缆模块中输入土壤电阻率、输电线路相序、运行线路与感应线路的并行间距，完成电缆线路仿真模拟；

步骤三、在馈线上接入电弧模型，示例性的，通过向架空线路、电缆线路以及架空线与电缆线混合线路导入相关参数，示例性的，在架空线路模型中，导入架空线路采用钢芯铝绞线LGJ240/30、采用螺栓角钢塔，输电线相序呈三角形方式布置，塔顶呼高13m，两边距地11m，中线距地11.7m，两边线相互距离2m，与中线距离1.5m，档距250m，土壤电阻率选定为2000Ω·m等信息，完成架空线路的仿真模拟故障；完成架空线路、电缆线路以及架空线与电缆线混合线路的仿真模拟工作后，投入一种基于弧长控制的电弧模型进行单相接地故障仿真，研究不同线路条件下的故障类型；电弧模型采用一种基于弧长控制的电弧模型进行单相接地故障仿真工作，记录电弧模型的仿真结果，并将仿真结果与实际录波波形及顺序记录进行对照，如图2所示。

如图1所示，示例性的，在架空线与电缆线混合线路的电弧模型接入工作中，将电弧模型接入架空线和电缆线混合线路之间的引出线。

关于电弧模型的建立，首先建立电弧数学模型：

基于呼吸能量平衡理论，可以得到：

式中，q表示单位长度电弧中积累的能量，能量q是热量的数值，为单位长度电弧弧柱中所存储能量的变化；e×i为单位弧长输入功率；i为电弧弧柱的电流；e为弧柱中电场强度；p_loss为单位弧长的功率损失。

将公式(1)转化

式中，g为单位长电弧的电导。

令

则得

考虑导弧长为l的电弧，则式(4)转化为：

式中，u为电弧电压，u＝l×e；P₀为电弧弧柱功率损失P₀＝l×P_loss。

当电弧弧柱的电导由g转变为稳态电导G时，则电弧稳定燃烧，且电弧输入的能量与散出的能量相等，即

将式(6)代入式(5)，得到：

转化后得到

由于得到

式中，G为电弧稳态电导，g为电弧电导，T为电弧时间常数。

关于接地电弧模型分析：

接地电弧模型分为一次电弧和二次电弧，一次电弧由于系统短路接地故障引起，发生就在断路器断开前，而二次电弧则发生在断路器跳开止口，由于非故障相和故障相相间的电磁耦合与静电耦合作用引起。现以一次电弧为例进行说明，用下标p(primary)表示，则式(7)可写为：

通过以上推到得到关于动态电弧电导g_p的非显现微分方程，他基于弧隙能连平衡理论，并且可以很好的体现电弧的物理特性，确定参数T_P和G_p即可进行计算。

T_p为电弧时间常数，其物理意义为弧隙中能量变化式弧隙电阻改变2.73倍是所需的时间，电弧时间常数T_p反应了电弧伏安特性曲线中电压的上升速度，表示为：

式中，I_p为电弧伏安特性曲线中电导峰值电流，可近似的采用直接接地时的短路电流；a为常数，一般取2.85×10^-5；L_P为电弧长度。

G_P为一次电弧稳态电导常量，其物理意义为恒定的外界条件时，维持电弧燃烧的电弧电倒值，表示为：

式中，|i|为一次电弧电流绝对值；V_P为单位长度的静态电弧压降，V_P×L_P为最大燃弧电压。大量实验研究表明当电弧电流峰值在1.4～24kA范围内时，电弧压降为15V/cm。从数据中可发现电弧压降几乎不发生数值时的变化，因此可将其进行线性化定值处理，同时电弧长度L_p也可近似为常数。

如图2，为本发明的电弧模型的仿真电路图，

其中电源电压为10kv，频率f＝50Hz(中文，全文检查)，L＝0.9337mH/km，C＝0.07074pF/km，线路长度为10km，电弧长度L_p＝140cm，则I_p＝1861A，最大燃弧电压V_P×L_P＝2100V，电弧时间常数T_P＝3.79×10^-4s，仿真时间为0.1s，结果如图3-5所示。

由图3示出仿真结果的电弧电压仿真波形图，由图3可见，电弧电压波形畸变严重，近似方波，符合“马鞍”型，燃弧后，电压一直降低，直到弧电流过零。

由图4示出仿真结果的电弧电压仿真波形图，由图4可见，电弧电流近似为正弦波，但在电流自然过零点后一小段时间内近似就为零，整个这段时间被称为电流“零休”时间，在这段时间内，电弧电流按另外一个规律变化，即电流近似等于电弧电压与电弧电阻的比值，这样，电流就被电弧电阻限制的很小，实际上近似等同于零，电弧“零休”与很多因素相关，一是取决与弧隙的内部过程，二是取决于外部电路条件，包含电压、电流以及电路常数，电路常数包括电容、电阻、电感。

由图5可见，电弧电阻是时变的，电弧电阻在电流“零休”期间呈现较高阻值，产生尖峰凸起。

由上述分析可知，电弧的主要参数：电弧时间常数T_p和一次电弧稳态电导常量G_P对电弧的特性起着至关重要的作用。由式(9)、式(10)可以看出电弧时间常数T_p和一次电弧稳态电导常量G_p都由电弧长度L_p决定，一旦电弧长度L_p给定，就可以确定电弧时间常数T_P和一次电弧稳态电导常量G_p的分母即最大燃弧电压V_P×L_P，之后研究电弧时间常数T_P和最大燃弧电压V_P×L_P的改变对电弧电压、电流、电阻的影响，通过对多组电弧长度L_p进行仿真，研究电弧特性的变化规律，选取电弧长度L_p＝60cm，则最大燃弧电压V_P×L_P＝900V，电弧时间常数T_p＝8.84×10^-4s。

在减小电弧长度L_p的值时，对应对电弧时间常数T_p的值增大，最大燃弧电压V_P×L_P的值减小：

(1)最大燃弧电压降低，由之前的2842.3V降低至1367.9V，且燃弧后的电压一直再下降；

(2)电流值略由增加，峰值由1058.4A增大至1306.6A，零休时间明显变短；

(3)电弧电阻的平均值25.84Ω下降至3.72Ω。

在增大电弧长度L_p的值时，对应于电弧时间常数T_p的减小，最大燃弧电压V_P×L_P的增大：

(4)最大燃弧电压增加，由2842.3V增加至3691.8V，切燃弧后的电压一直在下降；

(5)电流值略有下降，峰值由1058.4A下降至859.61A，零休时间明显变长；

(6)电弧电阻由平均值25.84Ω增大至89.997Ω。

对比不同电弧长度时的仿真结果分析表如下：

通过仿真分析可知，电弧长度L_P的减小，参数T_P增大，对应于电弧电压下降，电弧零休时间减弱，电弧电阻平均阻值减小，这是因为T_P增大后，对应的功率损失降低，表示电弧向外散出的热量减少，从而弧柱中存储的能量争夺，使得电弧过零点时变得不易熄弧。

随着电弧长度L_P的增大，一次电弧稳态电导常量G_p减小(最大燃弧电压V_P×L_P增大)，对应与电弧电压增加，电弧零休时间增强，平均阻值增大，这是因为对应的功率损失增加，表示电弧向外散出的热量增大，从而弧柱中存储的能量减小，使得电弧过零点时变得容易熄弧。

因实际系统负荷差异较大，但是对单相接地故障电流影响不大，因此对负荷进行简化处理，负荷阻抗可以统一采用ZL＝400+j20Ω，即400Ω电阻和20Ω感性负载构成的负荷阻抗，在模型中采用星形连接的RLC模块模拟。

接地故障模型根据弧隙能量平衡理论，参考几种电弧模型的比较，对一种基于控制论的电弧模型进行改进，根据电弧长度参数变化对不同情况的接地故障电弧进行描述，灵活适用谐振接地系统与小电阻接地系统。

需要说明的是，在搭建南昌地区多馈线路相继故障的典型案例的输电线路模型过程中，其中存在长距离输电线路和短距离输电线路，示例性的，在高压线路中，城镇采用40m～50m、郊区60m～100m，低压线路中城镇采用40m～50m、郊区40m～60m，35kV架空线路耐张段的长度不大于3～5km，10kV及以下的不大于2km。由于短距离输电线路模型的相关参数与长距离输电模型的相关参数差别较大，需要建立不同的参数模型。

示例性的，对短距离输电线路可选择ATP-EMTP中的集中参数模型，对长距离输电线路需选择ATP-EMTP中的分布参数模型，将设计好的各段输电线路，在ATP-EMTP中用选择的输电线路模型模拟，并根据输电线路相序将各段输电线路连接起来。

在输电线路参数设置中，需设置的参数有ATP-EMTP中的输电线路模块LCC中的Model、data模块。此部分参数的设置根据南昌地区多馈线路相继故障的典型案例收集的参数得到。具体为Model模块中设置输电线路类型及对应的特征，设置输电线路模型，设置土壤电阻率，输电线路输送频率，输电线路长度，示例性的，在Model模块中输入土壤电阻率选定为2000Ω·m，输电线路输送频率50Hz，线路长度5km；data模块设置输电线路相号、内径、外径、直流电阻、水平距离、导线高度、档距中央导线高度、分裂间距、地线保护角、分裂数。

对运行线路施加源，此施加源为电压源和电流源；电压源与电流源的数据来源根据带电线路运行电压和输送功率，电压源为线电压有效值，电流源为相电流有效值，示例性的，1000kV输电线路，输送功率5600MW，功率因数0.95时，ATP-EMTP建模时电压源设置为1000000V，根据公式计算的电流源设置为3403.3A；三相输电线路则需要定义相序角度，在建立导体时根据实际线路相序选择激励源；具体为选择ATP-EMTP中的Sources模块中的ACsource 1&3模块，启用AC source 1&3模块，进行Component:ACsource设置，左端施加源采用电压源的方式，则选择Type of source为电压源，并设置电压源的幅值(峰值或有效值)、频率、相角；频率为50HZ，相角不变；然后将电压源一端接在运行线路首端；另一端施加源采用电流源的方式，则选择Type of source为电流源，并设置电流源的幅值(峰值或有效值)，频率，相角；频率为50HZ，相角不变；将电流源一端接在运行线路末端；并设置电压源或电流源的开始时间≤0，停止时间>仿真时间T max。

仿真时间步长设置。打开ATP-EMTP中的ATP模块下的ATP-Settings，设置仿真步长delta T＜1×10，仿真时间T max>delta T。

步骤3、感应电压和感应电流计算：

在计算感应电压和电流时，需要：

(1)将施工线路首、末端均短路接地，可得到不同运行线路潮流下的电磁感应电流。

(2)将每条线路首、末端均开路，可得到不同运行线路潮流下的静电感应电压。

(3)将每条线路一端短路接地，另一端开路，可得到不同运行线路潮流下的电磁感应电压、静电感应电流。

最后，进行ATP-EMTP模型调试，之后即可进行具体的仿真计算。

1)运行ATP-EMTP程序，查看各段换位及相序是否准确，即通过检测输出相序是否与设计相序是否一致，若不一致，即判断为错误，逐段核对输电线路模块LCC相序，并修正，直到相序全部与设计相序一致为止。

2)设计计算方式：计算输电线路静电感应电压时，感应的输电线路需两端开路；计算输电线路电磁感应电压时，感应的输电线路需一端接地，一端开路；计算静电感应电流时，感应的输电线路需一端接地，一端开路。计算电磁感应电流时，感应的输电线路两端均需接地。

3)由于感应线路每相导线高度、每相与运行线路间距均不同，感应线路的感应电压及电流需分相探测。

4)将探测电流源串联接在每个单相输电线路中，将探测电压源并联接在感应的每个单相输电线路两端，在ATP-EMTP程序中设定探测电流源显示的内容，选择Steady-state的Curr/Power，选择Onscreen中的Curr.Ampl，则调试计算结束后该探测电流源显示通过的电流幅值。在ATP-EMTP程序中设定探测电压源显示的内容，选择Steady-state的Voltage，选择Onscreen中的U，则调试计算结束后该探测电压源显示并接线路点的电压幅值与角度。

通过以上步骤可以精确地计算出在不同运行线路潮流下的感应电压、电流。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，包括

步骤一、选定发生多馈线相继故障的高压输电线路，收集高压输电线路的相关参数；

步骤二、建立高压侧仿真模型，通过高压侧仿真模型引出三条馈线模型，根据输电线路沿线土壤电阻率、输电线路架设方式、输电线路相序、运行线路与感应线路的并行间距确定馈线相关参数，根据高压输电线路的相关参数建立高压侧仿真模型馈线；其中，所述馈线包括架空线路、电缆线路以及架空线与电缆线混合线路；

步骤三、在馈线上接入电弧模型，记录电弧模型的仿真结果，并将仿真结果与实际录波波形及顺序记录进行对照。

2.根据权利要求1所述的配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，所述高压侧仿真模型的建立以及馈线的建立均采用ATP-EMTP软件进行电磁暂态仿真。

3.根据权利要求1所述的配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，架空线路、电缆线路以及架空线与电缆线混合线路均通过ATP-EMTP的输电线路模块LCC模型进行构建。

4.根据权利要求3所述的配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，架空线路采用输电线路模块LCC模型的架空线缆模块，电缆线路采用输电线路模块LCC模型的电缆线路模块，架空线与电缆线混合线路同时采用输电线路模块LCC模型的架空线缆模块和输电线路模块LCC模型的电缆线路模块。

5.根据权利要求1所述的配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，高压输电线路的相关参数包括接线形式、设备特点、故障顺序、以及故障电气量的一种或多种。

6.根据权利要求5所述的配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，所述馈线构建参数还包括沿线土壤电阻率、输电线路架设方式、输电线路相序、以及运行线路与感应线路的并行间距中的一个或多个。

7.根据权利要求1所述的配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，电弧模型的仿真结果包括电弧电压及仿真波形、电弧电流仿真波形以及电弧电阻仿真波形中的一种或多种。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，电弧模型的采用星形连接的RLC模块模拟。

9.根据权利要求1～7任意一项所述的配网相继故障耦合传播机理的分析方法，其特征在于，电弧模型采用弧隙能量平衡理论计算得到数学模型：

为单位长电弧弧柱中所储存能量的变化；q为电弧弧柱中存储的能量，t为时间，e×i为单位弧长输入的功率；i为电弧电流；e为弧柱中电场强度；p_loss为单位弧长的功率损失。