CN110556806A - 一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，包括以下步骤：步骤1：构建由地铁换流站、直流馈线和回流线构成的地铁整流系统的模型；步骤2：构建串联接在直流馈线首端的地铁牵引供电系统中的直流断路器模型；步骤3：沿牵引供电系统中直流电流的方向在直流断路器模型的末端串联接入地铁接触网模型，并在接触网模型与回流线间设置地铁机车模型；步骤4：根据构建的模型通过仿真实验选取旁路电容C的取值；本发明能够选取有效抑制地铁直流短路器开断过程中产生的直流电弧，减轻直流电弧对地铁直流断路器的烧蚀，同时也能够在直流电弧熄灭后成功开断电路的旁路电容数值。

Description

一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法

技术领域

本发明涉及一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法。

背景技术

在地铁直流侧供电线路中使用的机械式直流断路器两端增设一条附加支路，能够有效抑制其开断过程中产生的直流电弧，减少直流电弧对其的烧蚀，提高地铁直流断路器的使用寿命。目前有一种由交流断路器、旁路电容、耗能电阻构成的附加支路，这种支路利用电容阻抗较小的特性以及并联电路的分流作用，在地铁直流断路器分断时快速减小电弧电流，实现对断路器中直流电弧的抑制。这种附加支路是一种换流支路，相较于由大功率电子元件构成的换流支路，这种支路结构简单、控制方便且价格低廉。

但是目前缺少对该支路中旁路电容取值的研究。其数值通常都是随机选取的，未经过分析与研究，缺少理论依据。同时，直流电弧熄灭后支路中的交流断路器与旁路电容会串联接入供电线路，使线路行程一个RLC二阶电路。此时，旁路电容的数值会决定该二阶电路的状态，并对线路后续的开断过程产生影响。此外，旁路电容的数值会改变直流电弧熄弧过程的时间，影响对直流电弧的抑制效果。

发明内容

本发明能够选取有效抑制地铁直流短路器开断过程中产生的直流电弧，减轻直流电弧对地铁直流断路器的烧蚀，同时也能够在直流电弧熄灭后成功开断电路的旁路电容数值选取方法。

本发明采用的技术方案是：一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，包括以下步骤：

步骤1：构建由地铁换流站、直流馈线和回流线构成的地铁整流系统的模型；

步骤2：构建串联接在直流馈线首端的地铁牵引供电系统中的直流断路器模型；

步骤3：沿牵引供电系统中直流电流的方向在直流断路器模型的末端串联接入地铁接触网模型，并在接触网模型与回流线间设置地铁机车模型；

直流断路器模型包括Mayr电弧模型和与其并联的附加支路；附加支路包括换流支路和耗能支路；换流支路包括串联的旁路电容和交流断路器CB1；耗能支路并联于旁路电容C的两端，包括串联的交流断路器CB2和电阻R；

步骤4：根据构建的模型通过仿真实验选取旁路电容C的取值。

进一步的，所述步骤4中旁路电容C的取值过程如下：

S11：根据抑制直流电弧的要求确定旁路电容C取值的下限C₁；

S12：根据电弧熄灭后电路的开断条件确定旁路电容C取值的上限C₂；

S13：根据最小熄弧时间在下限和上限之间确定旁路电容的取值。

进一步的，所述步骤S11确定旁路电容C取值下限C₁的过程如下：

在直流断路器模型和回流线之间设置金属性短路故障，通过短路实验，确定电弧电流能够下降并保持到0时电容的数值为旁路电容C的取值下限C₁。

进一步的，所述步骤S12中旁路电容C取值上限确定过程如下：

设置n倍的额定机车负载，模拟地铁牵引供电系统正常运行情况；从旁路电容C下限值C₁开始，通过多次仿真实验，逐渐增大旁路电容C的电容值，直至电弧熄灭后在换流支路中不再有振荡电流流过旁路电容C；此时旁路电容C的电容值为其取值上限C₂。

进一步的，所述步骤S13中确定旁路电容C取值方法如下：

在直流断路器模型和回流线之间设置金属性短路故障，从旁路电容C下限值C₁开始，通过多次仿真实验，逐渐增大旁路电容C的电容值，直至电弧电流下降到0的时间不大于设定最小熄弧时间；此时旁路电容C的电容值为旁路电容C的取值。

进一步的，所述Mayr电弧模型为：

其中：g为电弧的电导，u为电弧的电压，i为电弧的电流，τ为电弧的时间常数，P_loss为为耗散功率。

进一步的，所述模型和仿真实验在MATLAB/Simulink中进行。

进一步的，所述旁路电容C的取值C₃若大于步骤S12中确定的上限值C₂，则取C₃＝0.9·C₂。

本发明的有益效果是：

(1)本发明选取的旁路电容取值合理，可提高电弧抑制的效率；

(2)本发明通过选取合适的旁路电容取值，可进一步抑制地铁直流断路器开断过程中产生的电弧，保证直流电弧熄灭后地铁的供电线路能够成功开断。

附图说明

图1为本发明中地铁直流侧供电线路模型。

图中：1-地铁换流站，2-直流馈线，3-直流断路器模型，4-Mayr电弧模型，5-换流支路，6-耗能支路，7-接触网模型，8-地铁机车模型，9-回流线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，包括以下步骤：

首先建立地铁直流侧供电线路的模型，如图1所示。建模过程在MATLAB/Simulink中进行。

步骤1：构建由地铁换流站1、直流馈线2和回流线9构成的地铁整流系统的模型；其中模型中地铁换流站1能够提供电压等级为1500V的直流电压。

步骤2：构建串联接在直流馈线2首端的地铁牵引供电系统中的直流断路器模型3；

步骤3：沿牵引供电系统中直流电流的方向在直流断路器模型的末端串联接入地铁接触网模型7，并在接触网模型7与回流线9间设置地铁机车模型8；

直流断路器模型包括Mayr电弧模型4和与其并联的附加支路；附加支路包括换流支路5和耗能支路6；换流支路5包括串联的旁路电容和交流断路器CB1；耗能支路6并联于旁路电容C的两端，包括串联的交流断路器CB2和电阻R。

Mayr电弧模型为已经封装为机械开关DCCB；Mayr电弧模型表示为：

其中：g为电弧的电导，u为电弧的电压，i为电弧的电流，τ为电弧的时间常数，表示电弧具有的热惯性，P_loss为耗散功率表示电弧单位时间内向外耗散热量。其中电弧时间常数τ和耗散功率P_loss为数值恒定的常量，需根据实际情况设定。

步骤4：建立好模型之后，根据构建的模型通过仿真实验选取旁路电容C的取值。

旁路电容C的取值过程如下：

S11：根据抑制直流电弧的要求确定旁路电容C取值的下限C₁；

地铁直流侧供电线路的所有工况中，当接触网与回流线间发生近端短路故障时，线路中的故障电流最大，直流断路器开断过程中产生的直流电弧最难熄灭。

将附加支路中的旁路电容C首先设置一个较小的数值，在直流断路器模型3的末端与牵引供电系统的回流线9之间设置金属性短路故障。观察模型中的电弧电流是否能够下降到0；若否则增大模型中的旁路电容C的电容值，重新进行短路实验；若电弧电流仍不能下降到0，则继续增大模型中的旁路电容C的电容值进行短路实验。如此循环进行短路实验，直至电弧电流能够下降并保持到0，则记录此时的电容数值，将其作为旁路电容C的取值下限C₁，即确定旁路电容数值Cz≥C₁。

旁路电容C的内阻小于等于0.02Ω，直流断路器在故障发生后的第12ms开始分断。Mayr电弧模型中时间常数τ取值为50μs，耗散功率P_loss取值为15MW。经过多次仿真实验，从0.001F开始逐渐增大旁路电容的电容值，当旁路电容的电容值Cz增大为0.009F。此时地铁牵引供电系统中的电弧电流成功下降并保持到0。直流断路器在最恶劣工况下的直流电弧成功熄灭。据此结果，旁路电容C的电容值取值下限C₁＝0.009F。

S12：根据电弧熄灭后电路的开断条件确定旁路电容C取值的上限C₂；

在地铁牵引供电系统模型中，设置一个n倍(n取1.5)的额定机车负载8，模拟地铁牵引供电系统在较大负载下正常运行的情况。从上述确定的旁路电容C下限值C₁开始，通过多次仿真实验，逐渐增大旁路电容的电容值，直至电弧熄灭后在Mayr电弧模型4两端增设的换流支路5中不再有振荡电流流过旁路电容C。记录此时旁路电容C的电容值，将其作为旁路电容C取值的上限C₂，即确定旁路电容C的取值Cz≤C₂。

直流电弧熄灭后，地铁牵引供电系统的模型形成一个串联的RLC二阶电路。负载较大时，该二阶电路的欠阻尼条件不易满足，将导致此时控制系统开断的交流断路器CB1无法动作。

在地铁牵引供电系统模型中，使用恒功率源负载表示地铁机车。其中，机车的总功率为3000kV·A，功率因数为0.95，且距地铁换流站的距离为2km。这种情况下，Mayr电弧模型4的耗散功率P_loss等于0.7MW，时间常数τ等于10μs。

经过多次仿真实验，将旁路电容C的电容值从0.009F开始逐渐增大，当旁路电容C的数值等于0.05F时，流过旁路电容的电流不再产生过零点，换流支路5中交流断路器开断的条件下不再满足。根据此结果，这种情况下，旁路电容C的取值上限C₂＝0.05F。

S13：根据最小熄弧时间在下限和上限之间确定旁路电容的取值。

根据上述确定的旁路电容的取值范围，即C₁≤C_Z<C₂；根据步骤S11中地铁牵引供电系统发生近端短路故障的模型，从确定的旁路电容取值下限C₁开始，通过多次仿真实验，逐渐增大旁路电容的电容值。直至电弧电流下降到0的时间小于等于规定的最小熄弧时间，随后，根据此时的结果满足最小熄弧时间的旁路电容数值C₃，即确定旁路电容的数值Cz＝C₃。如果得到的电容值C₃大于步骤S12中得到的上限值C₂，则将C₃设置为一个小于C₂的数值。保留一定的余量。一般C₃＝0.9·C₂。

增大旁路电容的数值能够增强换流支路5对直流电弧的并联分流作用，减小直流电弧的电流，加快直流电弧的熄灭。规定地铁直流断路器模型2中直流电弧的最小熄弧时间为2ms。根据步骤S11和S12旁路电容的取值范围为：0.009F≤Cz＜0.05F。利用步骤S11中发生近端短路故障的牵引供电系统模型，经过多次仿真实验，当旁路电容的数值Cz由C₁＝0.009F增大到0.01F时，直流电弧的熄弧时间可以控制在规定的2ms内。根据换流支路5中振荡电流过零点出现的时刻，地铁牵引供电系统能够控制在5ms内开断。将该数值的旁路电容带入步骤S12中负载较大的正常系统中进行仿真实验。模型中的直流电弧同样能够快速熄灭，且相比于发生近端短路故障的牵引供电系统，该情况下的熄弧时间更短。同时，电弧熄灭后供电系统能够控制在25ms内开断。根据上述结果，旁路电容的取值Cz＝C₃＝0.01F。

本发明选取的旁路电容C的取值，可以迅速熄灭断路器中的直流电弧，并保证电弧熄灭后线路能够成功开断。同时又尽可能减小旁路电容选取的难度，而选择出一个相对合适的旁路电容值。能够为该电弧抑制方案中旁路电容的取值提供一个较为合理的参考，并在原电弧抑制方案的基础上提高对断路器中直流电弧的抑制能力。

Claims (8)

1.一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：构建由地铁换流站(1)、直流馈线(2)和回流线(9)构成的地铁整流系统的模型；

步骤2：构建串联接在直流馈线(2)首端的地铁牵引供电系统中的直流断路器模型(3)；

步骤3：沿牵引供电系统中直流电流的方向在直流断路器模型的末端串联接入地铁接触网模型(7)，并在接触网模型(7)与回流线(9)间设置地铁机车模型(8)；

直流断路器模型包括Mayr电弧模型(4)和与其并联的附加支路；附加支路包括换流支路(5)和耗能支路(6)；换流支路(5)包括串联的旁路电容和交流断路器CB1；耗能支路(6)并联于旁路电容C的两端，包括串联的交流断路器CB2和电阻R；

步骤4：根据构建的模型通过仿真实验选取旁路电容C的取值。

2.根据权利要求1所述的一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，其特征在于，所述步骤4中旁路电容C的取值过程如下：

S11：根据抑制直流电弧的要求确定旁路电容C取值的下限C₁；

S12：根据电弧熄灭后电路的开断条件确定旁路电容C取值的上限C₂；

S13：根据最小熄弧时间在下限和上限之间确定旁路电容的取值。

3.根据权利要求2所述的一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，其特征在于，所述步骤S11确定旁路电容C取值下限C₁的过程如下：

在直流断路器模型(3)和回流线(9)之间设置金属性短路故障，通过多次短路实验，确定电弧电流能够下降并保持到0时电容的数值为旁路电容C的取值下限C₁。

4.根据权利要求2所述的一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，其特征在于，所述步骤S12中旁路电容C取值上限确定过程如下：

设置n倍的额定机车负载，模拟地铁牵引供电系统正常运行情况；从旁路电容C下限值C₁开始，通过多次仿真实验，逐渐增大旁路电容C的电容值，直至电弧熄灭后在换流支路(5)中不再有振荡电流流过旁路电容C；此时旁路电容C的电容值为其取值上限C₂。

5.根据权利要求2所述的一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，其特征在于，所述步骤S13中确定旁路电容C取值方法如下：

在直流断路器模型(3)和回流线(9)之间设置金属性短路故障，从旁路电容C下限值C₁开始，通过多次仿真实验，逐渐增大旁路电容C的电容值，直至电弧电流下降到0的时间不大于设定最小熄弧时间；此时旁路电容C的电容值为旁路电容C的取值。

6.根据权利要求1所述的一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，其特征在于，所述Mayr电弧模型(4)为：

其中：g为电弧的电导，u为电弧的电压，i为电弧的电流，τ为电弧的时间常数，P_loss为为耗散功率。

7.根据权利要求1所述的一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，其特征在于，所述模型和仿真实验在MATLAB/Simulink中进行。

8.根据权利要求5所述的一种抑制开关电弧的旁路电容数值选取方法，其特征在于，所述旁路电容C的取值C₃若大于步骤S12中确定的上限值C₂，则取C₃＝0.9·C₂。