CN114896935A - 一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法，该方法步骤为燃弧能量计算，灭弧室结构分析，能量密度计算和临界能量密度判断结果；燃弧能量计算是对开断非对称短路电流时电弧所累积能量的计算；灭弧室结构分析是依据灭弧室结构对电弧燃弧时间内灭弧室里的空间进行划分，分析电弧能量耗散的主要区域，得到主要灭弧距离；能量密度计算是根据电弧累积能量和主要灭弧距离计算电弧能量密度；临界能量密度判断结果是依据开断结果获取临界电弧能量密度，以临界值作为判断断路器开断结果的依据。本发明通过对电弧能量和灭弧室结构分析，能预测气体高压断路器开断非对称短路电流的结果，给高压断路器选型提供建议。
Description
技术领域
本发明涉及开关电器技术及大电流开断技术领域，具体涉及一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法。
背景技术
近年来直流输配电技术和新能源发电技术迅速发展，电力系统的互联互通使得规模不断扩大，各种新能源和直流系统的集中接入以及负荷中心的增加，系统短路阻抗降低导致短路电流交流分量超过断路器额定短路开断能力，为了限制交流分量，目前采用的方法主要是电磁环网解环运行、母线分段运行、加装限流电抗器和采用高阻抗变压器等。这些手段尽管降低了短路电流交流分量有效值，使其限制在断路器额定开断能力之下，但同时也使得系统等效X/R迅速上升，致使短路电流中直流分量的衰减时间常数增大甚至超过相应断路器的标准时间常数，从而导致因分断故障而造成严重的经济损失。一些研究表明，直流分量的增加会导致断路器分断能力的下降。
目前研究对于非对称短路电流直流分量的产生原理、计算方法以及对断路器开断能力的影响已经有一些判断，基本都是基于数学公式计算或者电路仿真，并未考虑断路器具体构型，并且断路器实际开断能力与额定开断能力也并不一定完全相同，根据额定开断能力通过公式计算出来的影响的准确性有限。文章“电力系统短路电流直流分量及其对断路器开断能力的影响”将短路电流的有效值作为等效电气量，并将断路器的额定短路电流和分闸时刻dc％等于20％时的直流分量作为其最大开断能力，由此可计算得到断路器在短路电流直流分量超过20％时的最大开断能力如式(1)所示。文章“计及短路电流直流分量的断路器实际开断能力分析”提出使用实际的标准时间常数代替20％的直流分量进行折算，即式(2)，与(1)相比，基准值即分子是与断路器相关的而非恒定值，并将该方法用于江西电网内断路器的开断能力评估，确定了500kV和220kV系统内开断能力不足的断路器。
此外，若对每一种断路器都进行非对称短路电流开断实验成本过高，对126/252kV的SF6断路器进行改变时间常数的燃弧实验的平均成本就要百万及以上。
发明内容
为了克服上述部分现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法，本发明提出的评估方法考虑能量密度与断路器灭弧室构型综合分析，以临界能量密度作为判据判断开断结果，与基于经验公式的评估方法相比考虑了断路器灭弧室的具体结构，与基于磁流体动力学的评估方法相比能够更简要直接的反映结果。本发明的优势和创新之处在于同时考虑能量密度与断路器灭弧室构型，在尽可能降低成本的基础上保证准确率。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法，由燃弧能量计算，灭弧室结构分析，能量密度计算和临界能量密度判断结果四个步骤组成；所述燃弧能量计算是对所获取的非对称短路电流波形中电流在电弧燃弧期间或短路电流开断半波期间对电流瞬时值的平方进行积分计算，以及对电荷量、短路峰值电流或电流瞬时值和电压瞬时值的乘积进行积分计算，计算结果作为电弧累积能量Q；所述灭弧室结构分析是依据灭弧室结构对电弧燃弧时间内灭弧室里的空间，包括静触头、喷口和动触头进行划分，通过实验测得触头间距或者根据燃弧时间和分闸速度计算触头间距，分析动静触头之间电弧累积能量耗散的主要区域，得到主要灭弧距离L；所述能量密度计算是根据计算得到的电弧累计能量Q和主要灭弧距离L，按照公式E＝Q/L3计算电弧能量耗散主要区域的能量密度E，即单位体积内电弧耗散能量；所述临界能量密度判断结果是依据开断结果将高压气体断路器正好开断情况下计算出来的能量密度作为临界能量密度Emax，以临界能量密度作为判断高压气体断路器开断结果的依据，电弧能量耗散主要区域的能量密度E高于临界能量密度Emax，则超出高压气体断路器能够承受的极限，高压气体断路器无法开断，反之高压气体断路器能够开断。
所述非对称短路电流波形包括型式实验获取的电流波形和电弧黑盒模型仿真计算的电流波形。
所述高压气体断路器中气体介质采用六氟化硫或四氟化碳或含有二氧化碳的混合气体。
和现有技术相比较，本发明具备如下优点：
本发明方法所采用的短路电流波形可以通过电弧黑盒模型或者磁流体动力学模型仿真获得，触头开距可以根据触头分闸速度和燃弧时间计算得到，极大的降低了通过实验评估断路器开断结果的成本；对断路器的灭弧室结构进行分析，对电弧存在时间内灭弧室里的空间进行划分，包括对灭弧室里静触头、喷口和动触头等存在的空间划分，确定电弧能量耗散的主要区域，得到主要灭弧距离，几乎对所有的高压气体断路器都适用。引入能量密度的概念，以临界体积电弧耗散能量作为判据下断路器开断结果进行评估，能量计算和灭弧室空间划分均具有一定的物理意义，等于同时考虑电弧和断路器的自身因素。同时适用性广泛，实验测得或者仿真计算获得的电流均可作为对象，断路器气体介质也不仅局限于六氟化硫。评估体系更加全面，评估结果更加直观，在准确性方面较单纯公式计算及仿真准确性更高。
附图说明
图1为本发明一种基于能量密度评估高压断路器开断非对称短路结果的方法的流程图。
图2a和图2b分别为本发明实施例的126kV SF6气体断路器合闸状态和分闸状态的灭弧室结构。
图3为本发明实施例的126kV SF6气体断路器的灭弧室结构区域以及距离划分。
图4为本发明实施例的126kV SF6气体断路器燃弧实验计算得到的能量密度。
具体实施方法
以下结合附图及具体126kV断路器实施例，对本发明作进一步的详细描述。
如图1流程图所示，一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法，由燃弧能量计算，灭弧室结构分析，能量密度计算和临界能量密度判断结果四个步骤组成；所述燃弧能量计算是对所获取的非对称短路电流波形中电流在电弧燃弧期间或短路电流开断半波期间对电流瞬时值的平方进行积分计算，以及对电荷量、短路峰值电流或电流瞬时值和电压瞬时值的乘积进行积分计算，计算结果作为电弧累积能量Q；所述灭弧室结构分析是依据灭弧室结构对电弧燃弧时间内灭弧室里的空间，包括静触头、喷口和动触头进行划分，通过实验测得触头间距或者根据燃弧时间和分闸速度计算触头间距，分析动静触头之间电弧累积能量耗散的主要区域，得到主要灭弧距离L；所述能量密度计算是根据计算得到的电弧累计能量Q和主要灭弧距离L，按照公式E＝Q/L3计算电弧能量耗散主要区域的能量密度E，即单位体积内电弧耗散能量；所述临界能量密度判断结果是依据开断结果将高压气体断路器正好开断情况下计算出来的能量密度作为临界能量密度Emax，以临界能量密度作为判断高压气体断路器开断结果的依据，电弧能量耗散主要区域的能量密度E高于临界能量密度Emax，则超出高压气体断路器能够承受的极限，高压气体断路器无法开断，反之高压气体断路器能够开断。
结合实施例和图1、2、3、4说明方法如下：
高压断路器开断波形和行程曲线获取，搭建实验电路，通过型式试验，或者采用电弧黑盒模型，磁流体动力学模型等电弧模型进行仿真，获得非对称短路电流波形和燃弧时间，并根据测得的触头行程曲线或者由触头分闸速度计算触头开距。本发明实施例通过T100a型式试验测得非对称电流波形，燃弧时间和触头行程曲线。
电弧累积能量计算，根据实验所得到的燃弧时间按公式(1)计算整个燃弧期间电弧累积能量Q，其中t2为电弧熄灭时刻，t1为触头分离时刻，tarc为燃弧时间。
如图2a、图2b和图3所示，高压断路器灭弧室结构分析，计算主要灭弧距离，可以看到发明实施例中的断路器灭弧室主要由动、静触头和喷口构成；本发明实施例中该断路器的HV CB建模中主要将电弧产生区域划分为三个区域，区域一为静触头到喷口喉部前端区域，区域二为喷口喉部覆盖的区域，区域三为喷口后端到动触头的区域。本发明认为区域三为电弧主要活动区域，电弧的大部分能量会在该区域耗散掉，定义该区域为电弧能量主要耗散区域，触头间总开距为lg，静触头端到喷口喉部的距离为la，则喷口喉部到动触头端的距离lb＝lg-la，将lb定义为主要灭弧距离。
电弧能量主要耗散区域能量密度计算，计算不同非对称短路电流下能量主要耗散区域能量密度，将积分得到的电荷量看作燃弧期间电弧累积能量，计算的lb作为主要灭弧距离，按公式(2)计算单位体积内电弧耗散能量E，比较不同非对称短路电流下能量密度E获取其规律性，图4为计算得到的能量密度，可以发现能量密度E基本与时间常数成反比关系。
E＝Q/lb 3 (2)
根据图4中计算出来的结果，在横虚线以上的都是开断失败的实验组，横虚线以下为开断成功实验组，将横虚线所在位置的能量密度，即单位体积电弧耗散能量，作为临界能量密度Emax＝26C/mm3，即认为对于此126kV断路器来说，计算得到的能量密度大于26C/mm3时，则认为超出断路器承受极限，开断失败，以此作为判据对该种类断路器开断结果进行判断。
本发明通过上述工作过程，实现大幅降低高压断路器开断非对称短路电流结果评估成本。
Claims (3)
1.一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法，其特征在于：由燃弧能量计算，灭弧室结构分析，能量密度计算和临界能量密度判断结果四个步骤组成；所述燃弧能量计算是对所获取的非对称短路电流波形中电流在电弧燃弧期间或短路电流开断半波期间对电流瞬时值的平方进行积分计算，以及对电荷量、短路峰值电流或电流瞬时值和电压瞬时值的乘积进行积分计算，计算结果作为电弧累积能量Q；所述灭弧室结构分析是依据灭弧室结构对电弧燃弧时间内灭弧室里的空间，包括静触头、喷口和动触头进行划分，通过实验测得触头间距或者根据燃弧时间和分闸速度计算触头间距，分析动静触头之间电弧累积能量耗散的主要区域，得到主要灭弧距离L；所述能量密度计算是根据计算得到的电弧累计能量Q和主要灭弧距离L，按照公式E＝Q/L3计算电弧能量主要耗散区域的能量密度E，即单位体积内电弧耗散能量；所述临界能量密度判断结果是依据开断结果将高压气体断路器正好开断情况下计算出来的能量密度作为临界能量密度Emax，以临界能量密度作为判断高压气体断路器开断结果的依据，电弧能量耗散主要区域的能量密度E高于临界能量密度Emax，则超出高压气体断路器能够承受的极限，高压气体断路器无法开断，反之高压气体断路器能够开断。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法，其特征在于：所述非对称短路电流波形包括型式实验获取的电流波形或者电弧黑盒模型或磁流体动力学模型仿真计算的电流波形。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量密度评估高压气体断路器开断非对称短路电流结果的方法，其特征在于：所述高压气体断路器中气体介质采用六氟化硫或四氟化碳或含有二氧化碳的混合气体。
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