CN114264942B - 一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，其特征在于，应用电网络等值计算方法获取断路器所在节点的正序电抗、正序电阻、零序电抗。在节点处建立三相等效电路模型，且在等效电路的中性点与地之间引入中性点接地电抗，基于此计算断路器选相关合过程中断口间的电压、合闸电流的全电流、合闸电流交流分量和合闸电流直流分量，进一步获得电压及电流波形及参数。本发明方法所获得的高压交流断路器选相关合电压及电流波形及参数可以为断路器的智能选相关合提供参考和理论依据。

Description

一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计 算方法

技术领域

本发明属于高压交流断路器选相关合技术领域，特别涉及一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法。

背景技术

高压交流断路器在电力系统中起着切除系统短路故障和负载的重要作用，当短路故障发生在电力系统电源电压零值对应时刻的附近时，或者高压交流断路器短路关合在电力系统电源电压零值对应时刻的附近时，将产生较大非对称的短路故障电流，即短路电流由交流电流和直流电流组成，称这类型的短路故障为非对称短路故障。

近些年随着电网的短路电流增大，高阻抗变压器、串联电抗器等元件导致电力系统的直流时间常数超过额定时间常数。直流时间常数的增大使得高压交流断路器开断非对称短路故障电流时超出其额定的开断能力范围，高压交流断路器的非对称开断需要引起高度的重视。

选相关合是一种可行的解决方法，通过选相合闸控制器使得断路器各相在合适的时间窗口内进行短路关合，从而降低短路电流中出现的直流分量，保证断路器的开断能力。当前的电力系统暂态计算仿真软件只能进行关合电流的全电流波形及参数计算，无法得到任意时刻的直流分量和交流分量，导致选相合闸控制算法无法进行精确的计算。因此，需要开发断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，获得任意时刻的直流分量和交流分量，为选相合闸控制算法提供基础数据和应用依据。

发明内容

本发明的目的是提供高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，解决了断路器选相关合时断口电压、电流交流分量和电流直流分量的波形生成和参数计算的技术问题。

为达到以上目的，本发明采取如下技术方案予以实现的：

一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，包括以下步骤：

1)由电网络等值计算方法，计算断路器所在节点发生三相短路时的正序电抗X₁、正序电阻R₁、零序电抗X₀，节点的开路电压取U_S＝1.05U_N，U_N节点的标称电压。节点处通过三相等效电路模型进行电压及电流参数及波形计算，在等效电路的中性点与地之间引入中性点接地电抗X_e，即：

式中，k_pp为首开极系数。

2)设定A、B、C相的选相关合时间分别为t_A、t_B、t_C，假设第一合闸相为 R相、第二合闸相为S相、第三合闸相为T相，合闸时间分别为t_R、t_S、t_T。R、 S、T相和A、B、C相的映射向量为n＝[n₁ n₂ n₃]，n的元素取值为1、2、3 (1映射A相，2映射B相，3映射C相)，且互不相等。则，R、S、T相的初始电源电压方程为：

式中，ω＝2πf，f为频率。

3)根据电路原理，R相合闸后，R相电路导通，电压和电流的电路方程为：

式中，R＝R₁。求解式(3)，可以得出R相合闸后的电流为 i_R(t)。中性点的电压为/>R相合闸后，R相断口电压为零， R、S、T相断口的电压方程为：

4)根据电路原理，S相合闸后，R、S相电路导通，电路方程为：

求解式(5)，可以得出R、S相合闸后的电流为i_R(t)、i_S(t)。中性点的电压为S相合闸后，R、S相断口电压为零，R、S、 T相断口的电压方程为：

5)根据电路原理，T相合闸后，R、S、T相电路导通，电路方程为：

求解式(7)，可以得出R、S、T相合闸后的电流为i_R(t)、i_S(t)。中性点的电压为U_e(t)＝0，T相合闸后，R、S、T相断口电压均为零。

本发明进一步的改进在于：步骤1)中，首开极系数k_pp和正序电抗X₁、零序电抗X₀的关系为：

本发明进一步的改进在于：步骤3)中，R相合闸后，电流的交、直流分量为:

式中，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)分别为R相电流的交流分量、直流分量。

本发明进一步的改进在于：步骤4)中，S相合闸后，R、S相电流的交、直流分量为:

式中，z₁＝R+jω(L+L_e)，z₂＝jωL_e，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)的定义同上，i_{S_ac}(t)、 i_{S_dc}(t)分别为S相电流的交流分量、直流分量。

本发明进一步的改进在于：步骤5)中，T相合闸后，R、S、T相电流的交、直流分量为:

式中，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)、i_{S_ac}(t)、i_{S_dc}(t)的定义同上，i_{T_ac}(t)、i_{T_dc}(t)分别为T相电流的交流分量、直流分量。

与现有技术相比，本发明至少具有以下技术效果：

本发明公开了一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，其特征在于，应用电网络等值计算方法获取断路器所在节点的正序电抗X₁、正序电阻R₁、零序电抗X₀。在节点处建立三相等效电路模型，且在等效电路的中性点与地之间引入中性点接地电抗X_e，基于此计算断路器选相关合过程中断口间的电压、合闸电流的全电流、合闸电流交流分量和合闸电流直流分量，进一步获得电压及电流波形及参数。本发明方法所获得的高压交流断路器选相关合电压及电流波形及参数可以为断路器的智能选相关合提供参考和理论依据。

附图说明

图1是中性点有效接地系统断路器选相关合电压及电流计算波形图—首开极系数1.3。

图2是中性点非有效接地系统断路器选相关合电压及电流计算波形图—首开极系数1.5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1，一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，应用于中性点有效接地系统，包括以下步骤：

1)由电网络等值计算，得到断路器所在节点的正序电抗X₁＝4.1439Ω、正序电阻R₁＝0.2198Ω、零序电抗X₀＝12.4317Ω，等值电压源U_S＝230kV。则，首开极系数k_pp＝1.3，中性点与地之间引入中性点接地电抗X_e＝3.1079Ω为：

2)设定A、B、C相的选相关合时间分别为t_A＝0.012s、t_B＝0.015s、t_C＝0.010s，假设第一合闸相为R相、第二合闸相为S相、第三合闸相为T相，合闸时间分别为t_R＝0.010s、t_S＝0.012s、t_T＝0.015s。R、S、T相和A、B、C相的映射向量为[3 1 2]，表示R相映射C相、S相映射A相、T相映射B相，R、S、T相的初始断口电压方程为：

式中，ω＝2πf，f＝50Hz。

3)R相合闸后，R相电路导通，电压和电流的电路方程为：

求解式(2)，可以得出R相合闸后的电流为i_R(t)。中性点的电压为 U_e(t)＝0.4286U_R(t)，R相合闸后，R相断口电压为零，R、S、T相断口的电压方程为：

R相合闸后，电流的交、直流分量为:

式中，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)分别为R相电流的交流分量、直流分量。

4)S相合闸后，R、S相电路导通，电路方程为：

求解式(5)，可以得出R、S相合闸后的电流为i_R(t)、i_S(t)。中性点的电压为U_e(t)＝0.3(U_R(t)+U_S(t))，S相合闸后，R、S相断口电压为零，R、S、T相断口的电压方程为：

S相合闸后，R、S相电流的交、直流分量为:

式中，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)的定义同上，i_{S_ac}(t)、i_{S_dc}(t)分别为S相电流的交流分量、直流分量。

5)T相合闸后，R、S、T相电路导通，电路方程为：

求解式(8)，可以得出R、S、T相合闸后的电流为i_R(t)、i_S(t)。中性点的电压为U_e(t)＝0，T相合闸后，R、S、T相断口电压均为零。

T相合闸后，R、S、T相电流的交、直流分量为:

式中，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)、i_{S_ac}(t)、i_{S_dc}(t)的定义同上，i_{T_ac}(t)、i_{T_dc}(t)分别为T相电流的交流分量、直流分量。

6)选取电压的基准值为电流的基准值为/>对计算结果进行标幺化处理，得到图1的结果。

实施例2

如图2，一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，应用于中性点非有效接地系统，包括以下步骤：

1)由电网络等值计算，得到断路器所在节点的正序电抗X₁＝3.6322Ω、正序电阻R₁＝0.1927Ω、零序电抗X₀＝9999Ω(趋于无穷大)，等值电压源U_S＝126kV。则，首开极系数k_pp＝1.5，中性点与地之间引入中性点接地电抗X_e＝9999Ω(趋于无穷大)。

2)设定A、B、C相的选相关合时间分别为t_A＝0.012s、t_B＝0.015s、t_C＝0.010s，假设第一合闸相为R相、第二合闸相为S相、第三合闸相为T相，合闸时间分别为t_R＝0.010s、t_S＝0.012s、t_T＝0.015s。R、S、T相和A、B、C相的映射向量为[3 1 2]，表示R相映射C相、S相映射A相、T相映射B相，R、S、T相的初始断口电压方程为：

式中，ω＝2πf，f＝50Hz。

3)R相合闸后，由于是中性点非有效接地系统，电路无法导通。中性点的电压为U_e(t)＝U_R(t)，R相合闸后，R相断口电压为零，R、S、T相断口的电压方程为：

4)S相合闸后，R、S相电路导通，电路方程为：

求解式(12)，可以得出R、S相合闸后的电流为i_R(t)、i_S(t)。中性点的电压为U_e(t)＝0.5(U_R(t)+U_S(t))，S相合闸后，R、S相断口电压为零，R、S、T 相断口的电压方程为：

S相合闸后，R、S相电流的交、直流分量为:

式中，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)的定义同上，i_{S_ac}(t)、i_{S_dc}(t)分别为S相电流的交流分量、直流分量。

5)T相合闸后，R、S、T相电路导通，电路方程为：

求解式(15)，可以得出R、S、T相合闸后的电流为i_R(t)、i_S(t)。中性点的电压为U_e(t)＝0，T相合闸后，R、S、T相断口电压均为零。

T相合闸后，R、S、T相电流的交、直流分量为:

式中，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)、i_{S_ac}(t)、i_{S_dc}(t)的定义同上，i_{T_ac}(t)、i_{T_dc}(t)分别为T相电流的交流分量、直流分量。

6)选取电压的基准值为电流的基准值为/>对计算结果进行标幺化处理，得到图2的结果。

Claims (5)

1.一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)由电网络等值计算方法，计算断路器所在节点发生三相短路时的正序电抗X₁、正序电阻R₁、零序电抗X₀，节点的开路电压取U_S＝1.05U_N，U_N节点的标称电压，节点处通过三相等效电路模型进行电压及电流参数及波形计算，在等效电路的中性点与地之间引入中性点接地电抗X_e，即：

式中，k_pp为首开极系数；

2)设定A、B、C相的选相关合时间分别为t_A、t_B、t_C，假设第一合闸相为R相、第二合闸相为S相、第三合闸相为T相，合闸时间分别为t_R、t_S、t_T，R、S、T相和A、B、C相的映射向量为n＝[n₁n₂ n₃]，n的元素取值为1、2、3，1映射A相，2映射B相，3映射C相，且互不相等，则，R、S、T相的初始电源电压方程为：

式中，ω＝2πf，f为频率；

3)根据电路原理，R相合闸后，R相电路导通，电压和电流的电路方程为：

式中，R＝R_1,求解式(3)，可以得出R相合闸后的电流为i_R(t)，中性点的电压为/>R相合闸后，R相断口电压为零，R、S、T相断口的电压方程为：

4)根据电路原理，S相合闸后，R、S相电路导通，电路方程为：

求解式(5)，可以得出R、S相合闸后的电流为i_R(t)、i_S(t)，中性点的电压为S相合闸后，R、S相断口电压为零，R、S、T相断口的电压方程为：

5)根据电路原理，T相合闸后，R、S、T相电路导通，电路方程为：

求解式(7)，可以得出R、S、T相合闸后的电流为i_R(t)、i_S(t)，中性点的电压为U_e(t)＝0，T相合闸后，R、S、T相断口电压均为零。

2.根据权利要求1所述的一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，其特征在于：步骤1)中，首开极系数k_pp和正序电抗X₁、零序电抗X₀的关系为：

3.根据权利要求1所述的一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，其特征在于：步骤3)中，R相合闸后，电流的交、直流分量为:

式中，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)分别为R相电流的交流分量、直流分量。

4.根据权利要求1所述的一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，其特征在于：步骤4)中，S相合闸后，R、S相电流的交、直流分量为:

式中，z₁＝R+jω(L+L_e)，z₂＝jωL_e，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)的定义同上，i_{S_ac}(t)、i_{S_dc}(t)分别为S相电流的交流分量、直流分量。

5.根据权利要求1所述的一种用于高压交流断路器选相关合电压及电流波形生成的计算方法，其特征在于：步骤5)中，T相合闸后，R、S、T相电流的交、直流分量为:

式中，i_{R_ac}(t)、i_{R_dc}(t)、i_{S_ac}(t)、i_{S_dc}(t)的定义同上，i_{T_ac}(t)、i_{T_dc}(t)分别为T相电流的交流分量、直流分量。