CN111123040B - 一种模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备及方法，所述设备包括滑轨、第一支撑架、第二支撑架、绝缘电极圆盘、电极盘电机，第一支撑架设于滑轨一侧，第二支撑架固定于滑轨，第二支撑架上设有用于驱动绝缘电极圆盘转动的电极盘电机，第一支撑架上安装有上导电棒、下导电棒，上导电棒、下导电棒相靠近的一端分别设有上弧形导体片、下弧形导体片，绝缘电极圆盘位于上弧形导体片和下弧形导体片之间，绝缘电极圆盘上嵌入两圈导电柱，上弧形导体片和下弧形导体片分别安装在上导电棒、下导电棒靠近导电柱的一侧。本发明中弧形导体片的使用，可在实现工频熄弧并有效模拟电弧接地故障的同时大幅降低成本，有广泛的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及配电网电力试验技术领域，具体是一种模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备及方法。
背景技术
受绝缘击穿、线路老化以及暴风、暴雨等恶劣天气影响，中压配电网常因导线破损、坠地，绝缘子闪络等发生单相电弧接地故障。单相电弧接地故障作为中压配电网最常见的故障类型之一，具有故障过程复杂、非线性特征明显、谐波含量丰富等特点。在现场实际运行条件下，受实际故障环境中温度、湿度、风速等条件影响，电弧接地故障(特别是高阻接地且电弧电流偏小时)的接地过程往往伴随着间歇性，即产生的电弧为非稳定性电弧。该类电弧难以自行熄灭，但又不足以稳定燃烧，往往在工频电流过零时熄灭，形成半个或几个周波的时燃时灭的放电现象。对于持续时间较长、影响面较广的间歇性弧光接地，易诱发电弧接地过电压，进而损坏设备，破坏系统安全运行。
为验证单相电弧接地故障的电气量特征，获取故障录波数据，同时验证各保护装置以及配电自动化相关设备的动作行为，电网公司及各高校等研究团队往往需开展多次可重复实现的人工接地实验。在人工接地实验中，现有常用的电弧接地模拟方法是将铜制球隙直接接入配电线路，通过调整球隙间距实现电弧放电，但该种方法存在可控性较差、不易控制放电初相角、球隙易碎坏等缺点。另外，发明专利“一种配电网间歇性弧光接地故障模拟试验设备和方法”(专利申请号：201610543564.9)提出一种间歇性接地故障模拟设备，通过旋转的电极与固定的导电柱放电，但该设备存在价格昂贵、不易实现工频熄弧等缺点，在人工接地实验中普及较为困难。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明结合电弧熄弧原理，提出一种可实现工频熄弧的模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备及方法，在有效模拟电弧接地故障的同时可大幅降低成本，有着广泛的实际应用价值。
本发明的技术方案为：
一种模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备，包括滑轨、第一支撑架、第二支撑架、绝缘电极圆盘、电极盘电机，第一支撑架设于滑轨一侧，第二支撑架固定于滑轨，第二支撑架上设有用于驱动绝缘电极圆盘转动的电极盘电机，第一支撑架上安装有呈竖直状态且间隔一定距离设置的上导电棒、下导电棒，上导电棒、下导电棒相靠近的一端分别设有上弧形导体片、下弧形导体片，绝缘电极圆盘位于上弧形导体片和下弧形导体片之间，绝缘电极圆盘上嵌入两圈导电柱，外圈均匀分布多个外圈导电柱，内圈不均匀分布多个内圈导电柱，上弧形导体片和下弧形导体片分别安装在上导电棒、下导电棒靠近导电柱的一侧。
进一步的，所述电极盘电机的电机轴与联轴器连接，绝缘电极圆盘的中心与联轴器固定。
进一步的，上弧形导体片和下弧形导体片与上导电棒、下导电棒之间通过焊接连接。
进一步的，上弧形导体片和下弧形导体片的弧心与绝缘电极圆盘的圆心的垂直投影点重叠。
进一步的，上弧形导体片和下弧形导体片的半径与外圈导电柱所在圆的半径相同。
进一步的，第一支撑架上部间隔安装有上支撑杆和下支撑杆，上导电棒、下导电棒分别对应可上下移动地安装在上支撑杆和下支撑杆上。
进一步的，上导电棒、下导电棒经螺纹旋入并固定到对应的上支撑杆和下支撑杆中。
进一步的，两圈导电柱间隔10cm，内圈导电柱距绝缘电极圆盘圆心处10cm，外圈导电柱距绝缘电极圆盘边缘5cm。
进一步的，上导电棒在人工接地实验中接架空相线，下导电棒接地。
一种模拟配电网间歇性电弧接地故障的方法，基于上述设备进行，所述方法包括：
a)模拟稳定电弧接地故障：完成线路连接后，通过水平拉动滑轨，转动绝缘电极圆盘选择某一外圈导电柱或内圈导电柱后固定，不开启电极盘电机，仅调整外圈导电柱或内圈导电柱与上、下导电棒之间的相对位置后，即可直接引发电弧接地故障；
b)模拟不完全熄弧下的间歇性电弧接地故障：完成线路连接后，使用外圈导电柱，在实验线路频率为f Hz的条件下，转动绝缘电极圆盘转速控制目标为12f，单位为r/min，控制转动绝缘电极圆盘上的外圈导电柱在电压峰值时转至上、下导电棒中间，引发系统在电压峰值时刻发生电弧接地故障，通过动态调整电极盘的转速为9f～12f，可减弱电弧的熄弧能力；
c)模拟实际工况下绝缘子、避雷器击穿等多通道放电特殊情况：完成线路连接后，调整滑轨使内圈导电柱移动到上、下导电棒中间，在实验线路频率为f Hz的条件下，绝缘电极圆盘转速控制目标为12f，单位为r/min，绝缘电极圆盘上的内圈导电柱在电压峰值时转至高压电极和接地电极中间，引发系统在电压峰值时刻发生电弧接地故障。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)无需动态调整导电棒位置。现有装置的设计思路是由支撑架上的位置传感器检测导电柱与上下导电棒之间的相对位置，并与实时电网电压波形进行对比，通过对上下导电棒的位置进行平移调整，保证导电柱在电网电压正负半周峰值附近时转到上下导电棒构成的间隙中间。使用弧形导体片后，加大了可放电区域，则无需实时监测电网电压与调整上下导电棒的位置，也可实现导电柱对弧形导体片放电，更节约设计制造成本。
2)可实现工频过零熄弧。现有装置实现间歇性电弧放电时，由于绝缘电极盘转速快、电弧放电时间较短，多依赖电流高频过零熄弧，使用弧形导体片后，加大了可放电区域，可通过实验同时获得电弧工频、高频熄弧的电气量特征，实用性更强。
3)稳定电弧。现有装置实现间歇性电弧放电时，由于绝缘电极盘转速快，存在不同程度的拉弧现象，弧长变化速度过快，电弧往往不够稳定。使用弧形导体片后，在放电过程中弧长基本可保持不变，有稳定电弧的作用，更为安全。
4)可模拟多通道放电等复杂情况。在选用内圈不均匀分布的导电柱进行人工接地实验时，由于弧形导体片加大了可放电区域，则存在多个导电柱在电压峰值时转至两弧形导体片中间的可能，该情况下多个导电柱将同时击穿，实现多条放电通道放电，可模拟实际工况下绝缘子、避雷器击穿等多通道放电特殊情况。
附图说明
图1为本发明模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备的结构示意图；
图2为本发明绝缘电极圆盘与导电柱分布示意图；
图3为本发明弧形导体片的结构和尺寸示意图。
图中：1—滑轨，2—第一支撑架，3—上支撑杆，4—下支撑杆，5—上导电棒，6—下导电棒，7—上弧形导体片，8—下弧形导体片，9—第二支撑架，10—绝缘电极圆盘，11—内圈导电柱，12—外圈导电柱，13—联轴器、14—电极盘电机。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1，本发明实施例提供一种模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备，包括滑轨1、第一支撑架2、上支撑杆3、下支撑杆4、上导电棒5、下导电棒6、上弧形导体片7、下弧形导体片8、第二支撑架9、绝缘电极圆盘10、内圈导电柱11、外圈导电柱12、联轴器13、电极盘电机14。
第一支撑架2设于滑轨1一侧，第一支撑架2上部间隔安装有上支撑杆3和下支撑杆4，其中上支撑杆3和下支撑杆4上分别对应安装有上导电棒5、下导电棒6。第二支撑架9固定于滑轨1，第二支撑架9上设有电极盘电机14，电极盘电机14的电机轴与联轴器13连接，绝缘电极圆盘10的中心与联轴器13固定，绝缘电极圆盘10为直径为55cm的圆盘。
上导电棒5、下导电棒6呈竖直状态且间隔一定距离设置，上导电棒5的下端设有上弧形导体片7，下导电棒6的上端设有下弧形导体片8，绝缘电极圆盘10位于上弧形导体片7和下弧形导体片8之间。上弧形导体片7和下弧形导体片8与上导电棒5、下导电棒6之间可通过焊接连接，且焊接点位于圆弧中点，上弧形导体片7和下弧形导体片8的形状可设计为相同，弧心角为18°，半径为20～25cm(如图3所示)。
绝缘电极圆盘9上嵌入两圈导电柱，外圈均匀分布若干个外圈导电柱12(例如10个)，内圈不均匀分布若干个内圈导电柱11(例如10个)，两圈导电柱间隔10cm，内圈导电柱11距圆心间隔10cm，外圈导电柱12距绝缘电极圆盘9边缘5cm。可通过水平拉动调整绝缘电极圆盘9下方滑轨1，并经金属卡扣固定后，选择实验导电柱圈。
内圈采用不均匀分布若干个内圈导电柱11的形式，可以模拟多通道放电，因为按照现有参数设定与设备构造，外圈均匀分布的外圈导电柱12在旋转后正好对应每个电压峰值时刻，即一个电压峰值时刻有一个导电柱在放电，而由于弧顶导体片(7、8)的存在，当使用内圈采用不均匀分布的内圈导电柱11时，也就存在一个电压峰值时刻下有两个导电柱同时在两弧形导体片(7、8)间的可能(当然也有可能一个电压峰值时刻下没有导电柱)，这两个导电柱将同时放电，形成两条放电通道，这样做可以更好的模拟电弧放电的随机性，而且实际中也存在多通道放电的情况。
上弧形导体片7和下弧形导体片8与绝缘电极圆盘10平行设置，上弧形导体片7和下弧形导体片8分别安装在上导电棒5、下导电棒6靠近导电柱的一侧，上弧形导体片7和下弧形导体片8的弧心与绝缘电极圆盘10的圆心的垂直投影点重叠。上弧形导体片7和下弧形导体片8的半径与外圈导电柱12所在圆的半径相同。
上导电棒5、下导电棒6可由黄铜制成，长约为30cm，经螺纹旋入并固定到对应的上支撑杆3和下支撑杆4中，在实验准备阶段，可通过旋转导电棒(5、6)以调节其竖直探出长度，以此调节弧形导体片(7、8)与导电棒(5、6)的放电间隙。
沿绝缘电极圆盘9嵌入两圈导电柱，外圈均匀分布10个外圈导电柱12，内圈不均匀分布10个内圈导电柱11，两圈导电柱间隔10cm，内圈导电柱11距绝缘电极圆盘9圆心处10cm，外圈导电柱12距绝缘电极圆盘9边缘5cm，可通过水平拉动调整绝缘电极圆盘9下方滑轨1，并经金属卡扣固定后，选择外圈导电柱或内圈导电柱作为实验导电柱圈。上导电棒5在人工接地实验中接架空相线，下导电棒6接地。在实验过程中，电流流经路径为架空相线、上导电棒5、上弧形导体片7、导电柱、下弧形导体片8、下导电棒6、大地。
所述绝缘电极圆盘9由电极盘电机14带动转动，绝缘电极圆盘9上的任一导电柱通过上导电棒5、下导电棒6之间的间隙时燃弧，导电柱转离间隙时熄弧。
绝缘电极圆盘9由电极盘电机14带动转动，绝缘电极圆盘9的任一导电柱通过上、下导电棒(5、6)之间的间隙时燃弧，导电柱转离间隙时熄弧。借助弧形导体片(7、8)，实验线路的电压频率为50Hz，电机带动绝缘电极圆盘9的转速为n，则控制器通过脉冲信号控制电极盘电机14的转速n＝600r/min，通过控制导电柱在相电压正负半周峰值附近转入上、下导电棒(5、6)之间的间隙引发弧光放电来实验模拟其相位特性，通过控制绝缘电极圆盘9的转速来决定导电柱转入上、下导电棒(5、6)之间的时间间隔，从而实现对弧光放电频率的控制，通过对绝缘电极圆盘9转速的控制也可以改变电弧被拉升的速度以改变电弧熄灭的时间，也可通过内圈导电柱模拟研究单次故障中不同击穿相位、弧长快速变化等对故障电气量特征的影响。
本发明借助弧形导体片(7、8)，通过控制导电柱在相电压正负半周峰值附近转入上导电棒5、下导电棒6之间的间隙引发弧光放电来实验模拟其相位特性，通过控制绝缘电极圆盘9的转速来决定导电柱转入上导电棒5、下导电棒6之间的时间间隔，从而实现对弧光放电频率的控制，通过对绝缘电极圆盘9转速的控制也可以改变电弧被拉升的速度以改变电弧熄灭的时间，也可通过内圈导电柱11模拟研究单次故障中不同击穿相位、弧长快速变化等对故障电气量特征的影响。
本发明实施例还提供一种模拟配电网间歇性电弧接地故障的方法，其基于上述模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备进行，由于弧形导体片(7、8)通过导电棒(5、6)与试验线路间接相连，故在绝缘电极圆盘9带动导电柱(11、12)转动至弧形导体片(7、8)区域时，即可发生放电。由于电弧放电区域放大至弧形导体片(7、8)区域，可显著延长电弧放电时间，实现工频熄弧，所述方法具体包括以下内容：
a)模拟稳定电弧接地故障：完成线路连接后，通过水平拉动滑轨1，转动绝缘电极圆盘9选择某一外圈导电柱12或内圈导电柱11后固定，不开启电极盘电机14，仅调整外圈导电柱12或内圈导电柱11与上、下导电棒(5、6)之间的相对位置后，即可直接引发电弧接地故障；
b)模拟不完全熄弧下的间歇性电弧接地故障：完成线路连接后，使用外圈导电柱12，在实验线路频率为f Hz的条件下，转动绝缘电极圆盘9转速控制目标为12f，单位为r/min，控制转动绝缘电极圆盘9上的外圈导电柱12在电压峰值时转至上、下导电棒(5、6)中间，引发系统在电压峰值时刻发生电弧接地故障；通过动态调整电极盘的转速为9f～12f，可减弱电弧的熄弧能力。
其中控制转动绝缘电极圆盘9上的外圈导电柱12在电压峰值时转至上、下导电棒(5、6)中间，可通过如下方式实现：工频50Hz(0.02s)，也就是转速为600r/min，一转对应0.1s，一转又有10个导电柱，因此一个导电柱对应0.01s，也就是半个工频周期，每半个工频周期都有一次电压峰值时刻。
由于弧形导体片的存在(其弧心角等也经过类似计算，依旧对应半个工频周期)，则相当于放大了上下导电棒的面积，在弧形导体片范围内均可放电，因此也就不存在导电棒必须与导电柱对齐才可放电的限制。
c)模拟实际工况下绝缘子、避雷器击穿等多通道放电特殊情况：完成线路连接后，调整滑轨1使内圈导电柱11移动到上、下导电棒(5、6)中间，在实验线路频率为f Hz的条件下，绝缘电极圆盘9转速控制目标为12f，单位为r/min，绝缘电极圆盘9上的内圈导电柱11在电压峰值时转至高压电极和接地电极中间，引发系统在电压峰值时刻发生电弧接地故障。
配电网间歇性接地故障模拟设备的工作模式及实现模拟配电网间歇性电弧接地故障的方法主要有以下五种：
1)稳定放电。完成线路连接后，选择某一外圈导电柱12或内圈导电柱11后固定，不开启电极盘电机14，仅调整导电柱与上、下导电棒(5、6)之间的相对位置，可模拟常见的非间歇稳定电弧接地故障。
2)双极放电。使用外圈导电柱12，在相电压正负半周峰值附近时，均发生电弧放电，这是一种最为典型的间歇性弧光接地，实现方法为：
步骤1：电弧真型模拟装置根据设定的双极放电模式，计算电极盘的转速控制目标。在工频50Hz条件下，为保证电网电压峰值附近时都有导电柱转到上、下导电棒(5、6)之间，绝缘电极圆盘10转速控制目标为600r/min。
步骤2：启动电极盘电机14，上、下导电棒(5、6)先不带电，待绝缘电极圆盘10转速稳定在600r/min后，保证导电柱在电网电压正负半周峰值附近时转到上、下导电棒(5、6)构成的间隙中间。
步骤3：待完成导电柱与上、下导电棒(5、6)之间相对位置的稳定一段时间之后，通电，试验正式开始。
双极放电模式下，绝缘电极圆盘10转速较快，但由于弧形导体片的存在，在一些实验环境中，每次电弧放电之后可同时获得电弧工频、高频熄弧的电气量特征。
3)单极放电。使用外圈导电柱12，在相电压正半周峰值或负半周峰值附近时，引发电弧放电，具体操作步骤与双极放电类似，只需将绝缘电极圆盘10转速调整为双极放电模式的一半，即300r/min。单极放电模式下，每次电弧放电之后通常也是在1个高频或工频电流过零点之后熄弧。
4)不完全熄弧下的弧光放电。使用外圈导电柱12，绝缘电极圆盘10上的导电柱在电压峰值时转至高压电极和接地电极中间，引发系统在电压峰值时刻发生电弧接地故障。通过动态调整绝缘电极圆盘10的转速，减弱电弧的熄弧能力，以产生不完全熄弧下的电弧接地现象。该现象不同于稳定的工频续流电弧，其特点是电弧电流在发生放电时到达最大值，而后振荡衰减并不完全熄灭。
5)受弧长、击穿相位等复杂条件影响的弧光放电。调整滑轨1使内圈导电柱11移动到上下导电棒中间，其操作步骤与双极放电类似，此时应电极盘转速控制目标为600r/min，可模拟实际工况下绝缘子、避雷器击穿等多通道放电特殊情况。
上述模拟方式中，稳定放电对应为模拟稳定电弧接地故障，双极放电/单极放电对应模拟简单间歇性电弧接地故障，不完全熄弧下的弧光放电对应模拟不完全熄弧下的间歇性电弧接地故障；受弧长、击穿相位等复杂条件影响的弧光放电对应模拟实际工况下绝缘子、避雷器击穿等多通道放电特殊情况。
本发明上导电棒5在人工接地实验中接相线，下导电棒6接地，通过控制绝缘电极圆盘9上的导电柱(11、12)在相电压正负半周峰值附近转入上、下导电棒(5、6)之间的间隙引发弧光放电来实验模拟其相位特性，通过控制绝缘电极圆盘9的转速来决定导电柱(11、12)转入上、下导电棒(5、6)之间的时间间隔，实现对弧光放电频率的控制，也可通过内圈导电柱11模拟研究单次故障中不同击穿相位、弧长快速变化等对故障电气量特征的影响。本发明中弧形导体片(7、8)的使用，可在实现工频熄弧并有效模拟电弧接地故障的同时大幅降低成本，有广泛的实际应用价值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备，其特征在于：包括滑轨(1)、第一支撑架(2)、第二支撑架(9)、绝缘电极圆盘(10)、电极盘电机(14)，第一支撑架(2)设于滑轨(1)一侧，第二支撑架(9)固定于滑轨(1)，第二支撑架(9)上设有用于驱动绝缘电极圆盘(10)转动的电极盘电机(14)，第一支撑架(2)上安装有呈竖直状态且间隔一定距离设置的上导电棒(5)、下导电棒(6)，上导电棒(5)、下导电棒(6)相靠近的一端分别设有上弧形导体片(7)、下弧形导体片(8)，绝缘电极圆盘(10)位于上弧形导体片(7)和下弧形导体片(8)之间，绝缘电极圆盘(9)上嵌入两圈导电柱，外圈均匀分布多个外圈导电柱(12)，内圈不均匀分布多个内圈导电柱(11)，上弧形导体片(7)和下弧形导体片(8)分别安装在上导电棒(5)、下导电棒(6)靠近导电柱的一侧；上弧形导体片(7)和下弧形导体片(8)的弧心与绝缘电极圆盘(10)的圆心的垂直投影点重叠，上弧形导体片(7)和下弧形导体片(8)的半径与外圈导电柱(12)所在圆的半径相同。
2.如权利要求1所述的模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备，其特征在于：所述电极盘电机(14)的电机轴与联轴器(13)连接，绝缘电极圆盘(10)的中心与联轴器(13)固定。
3.如权利要求1所述的模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备，其特征在于：上弧形导体片(7)和下弧形导体片(8)与上导电棒(5)、下导电棒(6)之间通过焊接连接。
4.如权利要求1所述的模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备，其特征在于：第一支撑架(2)上部间隔安装有上支撑杆(3)和下支撑杆(4)，上导电棒(5)、下导电棒(6)分别对应可上下移动地安装在上支撑杆(3)和下支撑杆(4)上。
5.如权利要求4所述的模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备，其特征在于：上导电棒(5)、下导电棒(6)经螺纹旋入并固定到对应的上支撑杆(3)和下支撑杆(4)中。
6.如权利要求1所述的模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备，其特征在于：两圈导电柱间隔10cm，内圈导电柱(11)距绝缘电极圆盘(9)圆心处10cm，外圈导电柱(12)距绝缘电极圆盘(9)边缘5cm。
7.如权利要求1所述的模拟配电网间歇性电弧接地故障的设备，其特征在于：上导电棒(5)在人工接地实验中接架空相线，下导电棒(6)接地。
8.一种模拟配电网间歇性电弧接地故障的方法，其特征在于：基于权利要求1-7中任一项所述设备进行，所述方法包括：
a)模拟稳定电弧接地故障：完成线路连接后，通过水平拉动滑轨(1)，转动绝缘电极圆盘(9)选择某一外圈导电柱(12)或内圈导电柱(11)后固定，不开启电极盘电机(14)，仅调整外圈导电柱(12)或内圈导电柱(11)与上、下导电棒(5、6)之间的相对位置后，即可直接引发电弧接地故障；
b)模拟不完全熄弧下的间歇性电弧接地故障：完成线路连接后，使用外圈导电柱(12)，在实验线路频率为f Hz的条件下，转动绝缘电极圆盘(9)转速控制目标为12f，单位为r/min，控制转动绝缘电极圆盘(9)上的外圈导电柱(12)在电压峰值时转至上、下导电棒(5、6)中间，引发系统在电压峰值时刻发生电弧接地故障，通过动态调整电极盘的转速为9f～12f，可减弱电弧的熄弧能力；
c)模拟实际工况下绝缘子、避雷器击穿多通道放电特殊情况：完成线路连接后，调整滑轨(1)使内圈导电柱(11)移动到上、下导电棒(5、6)中间，在实验线路频率为f Hz的条件下，绝缘电极圆盘(9)转速控制目标为12f，单位为r/min，绝缘电极圆盘(9)上的内圈导电柱(11)在电压峰值时转至高压电极和接地电极中间，引发系统在电压峰值时刻发生电弧接地故障。
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