基于可变间隙电弧模型单相弧光接地故障仿真研究

*王俊乔 段文智 王万章 吴伟丽 刘勇

(1.中国石油天然气股份有限公司乌鲁木齐石化分公司 新疆 830000 2.安徽正广电电力技术有限公司 安徽 230088)

基于可变间隙电弧模型单相弧光接地故障仿真研究

*王俊乔1段文智1王万章1吴伟丽2刘勇2

(1.中国石油天然气股份有限公司乌鲁木齐石化分公司 新疆 830000 2.安徽正广电电力技术有限公司 安徽 230088)

间歇性弧光接地会使非故障相产生过电压,对电网的绝缘性能有严重威胁,影响电网运行的稳定性,建立准确的电弧模型搭建单相弧光接地过电压是全过程仿真模型的基础与关键,为此,在Mayer和Cassie电弧模型及气体击穿理论基础上,提出了能够更为如实描述实际单相弧光过电压仿真的电弧模型.结合Mayer和Cassie电弧模型在描述电放电过程中不同的侧重点,建立了Mayer-Cassie联合电弧模型,再利用某35kV变电站数据进行PSASP和ETSDAC软件联合仿真,结果表明,可变间隙电弧模型能够适用于单相不接地系统的间歇性弧光接地故障模拟,可为处理单相弧光接地故障提供理论参考.

可变间隙模型;Mayer和Cassie电弧模型;PSASP amp; ETSDAC仿真

1.引言

准确的电弧模型是分析弧光接地过电压发生机理及仿真的基础与关键.对此,国内外已取得研究成果可归纳如下:

其中有文献经过研究利用电弧能量平衡机理制定相应的电弧接地故障仿真模型,结合理论与实践对电弧仿真模型自身的准确性与精准性进行探究.另外还有学者在文献中主要是应用经过简化处理的电弧模型,并通过相应的平台,实现对电弧模型的对比,从而得出相应电弧电流以及相关数值.除此之外,为从根本上探究在更小时间持续下对电弧接地故障影响性,有文献主要构建仿真平台,并针对实际的发展情况构建完善的接地电弧模型.与此同时,在这一基础上,为进一步探究电弧直径与电弧仿真精度之间的关系,有文献研究中主要采取非线性函数的研究表述,将电弧的直径作为研究对象,并根据结论与结果提出了经过改良之后的电弧仿真模式.当然,在诸多研究中,有诸多学者是从其它层面进行研究的,主要是将电弧模型进行整合,并且行政复合型的模型,这样一来能够依据所获得的电弧波形数据制定模型,但是从现实分析,因为经常受到不确定因素的影响,所以数据获取比较困难,所导致的模型也不具备普遍性.有文献还针对性的构建了电弧模型,但是却无法实现数字仿真.

通过对诸多文献资料的分析与了解,可以清楚的认识到众多学者在研究中多以制定模型的方式,且经过详细研究,可以得到其原理以及结论,虽然模型和方法各有利弊,不过,要在具体的工程实际中建立准确的电弧模型,还需要考虑不接地系统弧光接地过电压的多时间尺度和特殊电网背景下进行建模方法.

为此,在综合考虑操作的简易性与工程的可应用性等方面要求的基础上,提出一种基于Cassie和Mayer的可变间隙电弧模型,并将这种模型应用在单相弧光接地过电压的全过程仿真中,在虑及多时间尺度和特殊电网背景的前提下搭建了基于大型电力系统仿真软件ADPSS的单相弧光接地过电压的全过程仿真模型,以此模拟弧光接地过电压的产生与消失过程.

2.弧光接地过电压相关理论

(1)弧光接地和过电压

不接地系统发生单相电弧金属性接地时的等值接线图如图1所示.

忽略振荡电压衰减和相间电容的影响,忽略弧道电阻,从某个角度分析,如果当工频电压数值比较大的时候发生绝缘穿击的现象,那么则需要进一步明确所设定的故障点需要在第一个零点的时候熄灭,并且还需要根据当前的实际情况实现故障相中电容的分布,这样才能真正形成位移电压.除此之外,在此发展基础上,需要当半个工频周波发生的时候,其自由电荷的数量不断增多,这个时候位移电压也会逐步上升,其暂态过电压也会越来越高.

图1 中性点不接地系统的等值线路图

除此之外,如果电流发生熄灭之后,其介质强度是无法在短时间内恢复的,这种情况下是无法实现暂态电压的相互递增.当然,需要进一步明确相间电容之间所具备的限压作用.只有真正做到这一点,才能在接地电弧重燃的时候,真正实现对地电容与相间电容的整合,才能真正降低暂态电压.

还有一点便是等到电流出现熄灭之后,介质强度是无法得到快速恢复的,这样一来暂态电压是无法实现相互递增的,笔者认为需要做的任务便是要从理论角度出发,利用相关的原理,真正明白电弧所引发故障的基本原理.

(2)基于工频熄弧理论的弧光接地故障数学建模

工频熄弧理论假定故障相在工频电压最大值时发生绝缘击穿,接地电弧随之产生,在工频电流过零时电弧熄灭.

假定系统三相电源对称,假设A相接地,且在幅值(-Uxg)时对地闪络,此时B、C相对地电容C0上的初始电压为0.5Uxg,非故障相B、C对地电压UB、UC将过度到新的稳态瞬时值1.5Uxg.则对地电容从初始电压U0过渡到另一稳定电压UW时,过渡过程中可能出现的最大电压Umax可由下式近似求得

经过对公式的分析与了解可以得知最高电圧表示为2X1.5Uxg-0.5Uxg=2.5Uxg.并且经过分析与计算可以了解到在整个过程中会出现衰减现象,与此同时,接地点还会利用工频接地电流进行运行,且利用计算得知,相位角呈90度左右.

一般而言,当其周期为半个工频后,可以了解到在过了零点后,电弧会自动熄灭,这样则会形成第一次工频现象.然而值得注意的一点是在断弧的某个瞬间内,因为电荷是无法泄漏的,所以电容之间是呈现出平衡分配的现象,这种情况下则会形成电网中直流电压分量.

正因为如此,在等到熄弧之后,相对于导线而言,需要实现电源与电压的结合,尤其是等到断弧之后的某个瞬间,可以计算出叠加的结果,经过计算得知叠加结果是0,所以这种情况下,电压的初始值与其是等同的.

电压振荡过程参见图2.

图2可见,熄弧后,A相对地电压逐渐恢复,再经半个工频周期后,B、C相电压为(-0.5Uxg),A相恢复电压则高达-2Uxg,这时可能引起重燃,其结果使B、C相电压从初始值(-0.5Uxg)趋于线电压的瞬时值1.5Uxg,过渡过程最高电压为2X1.5Uxg-(-0.5Uxg)=3.5Uxg.过渡过程衰减后,B、C相仍将稳定在线电压运行.电网中装有为改善功率因数而装有△(或Y)接线的电容器组时,一般不会产生严重的间歇性电弧过电压.因为在故障相(A相)闪络瞬间,非故障相(B、C相)对A相的相间互电容C12将与各自的导线对地自电容C0并接在一起,电荷重新分配使得初始电压更接近于稳态电压,从而降低了振荡过电压.

图2 基于工频熄弧理论间隙电弧接地过电压震荡过程

为综合分析中性点不接地系统配电网弧光接地过电压故障过程和特性,必须建立准确的电弧模型.

3.可变间隙电弧模型

(1)电弧产生机理

根据能量平衡理论,电弧中能量的变化可描述如下:

对公式(1)化简可得:

则有

式中e和i分别表示电弧电压与流过电弧的电流,ploss为考虑流散热效应与径向热传导效应的电弧能量损失,即耗散功率,g为电弧的电导,e.i为电弧的输入能量,电弧时间常数τ和ploss为待修正参数.

(2)Mayer-Cassie数学模型方程式

建立基于Cassie和Mayer的电弧分段模型思路如下:

首先,根据Cassie模型:

式中:τ0为Cassie模型中定义的电弧时间常数;eo为电弧电压常量;gc为Cassie电弧的电导.

接着,再根据Mayer模型:

式中,gM和τM分别为Mayer电弧模型的电弧电导和时间常数;PO为稳态下的功率损失.

最后,考虑到实际电弧在放电过程中呈现长燃弧和短燃弧的综合特性,两种燃弧的电弧电导具有明显差异,为此,结合Cassie模型和Mayer模型在描述电导方面的优点,构建Cassie-Mayer联合电导gMC模型如下:

联合电导gMC可以反映在大电流接地时,能量损失由对流引起,则电弧电压全部降落在Cassie模型的电导gC上;而在电流过零前后,能量损失由热传导引起,此时gM起主要作用.

构建联合电导模型后,再对式(7)和式(8)分别求解,根据电弧熄灭过程中的特性,选择用Cassie模型和Mayer模型逼近,则可描述较为真实的电弧放电过程.

4.算例分析

某石化系统电网系统一次接线图如图3所示:

图3 某石化电网系统一次接线图

分别在35千伏建南变和建北变的6千伏母线处模拟单相弧光接地故障,35千伏建南变弧光接地故障,故障模型如图4所示.

图4 35千伏建南变和建北变全电磁仿真模型

通过对时控开关的开断以模拟电弧的quot;燃弧-熄弧quot;过程,反复模拟3次弧光接地故障,故障支路的电压如图5所示.

图5 弧光接地故障情况下的35千伏建南变故障支路ABC三相电压

由图5可见3次quot;燃弧-熄弧quot;过程中出现的电压最大值:随着单相电弧接地故障的逐次增多过电压现象越来越严重,导致第三次燃弧光过电压已达4.285pu.

对35千伏建北变进行弧光接地故障仿真模拟,图6给出了3次弧光接地故障支路电压,可以看出第三次燃弧光过电压已达4.251pu.

图6 弧光接地故障情况下的35千伏建北变故障支路ABC三相电压

通过对35千伏建南变和建北变的弧光接地过程仿真,间歇性弧光接地故障可产生较高的弧光过电压.为有效限制中性点不接地系统单相弧光接地故障,适当控制回路电感与电流陡度所决定的熄弧峰值,或者增加弧道介质的恢复强度,使熄弧峰值小于弧道介质的恢复强度,便可使接地电弧不再重燃.因此,针对中性点不接地系统弧光接地故障的抑制策略可概括如下:

(1)在获得弧光接地故障发生的具体回路及相别之后,通过优化配置的断路器迅速将弧光接地故障转换为金属性接地故障,即通过断路器使故障相直接与地相连,并发出报警信息.

(2)经过预定的设置时长,待空气介质的强度得到恢复与加强后,断路器迅速断开,系统恢复正常.

(3)对于中性点不接地的电缆输配电线路,若断路器断开后弧光接地故障重复发生,则可判定电缆输配电线路某相的绝缘已遭到破坏,此时消弧装置将弧光接地故障转化为金属接地.

5.结语

本文主要论述了一种基于Mayer-Cassie可变间隙电弧模型的单相接地故障仿真方法.利用PSASP和ETSDAC软件联合仿真结果表明该模型能够精确反映电弧特性,能够有效模拟单相弧光接地故障的过程和特性.研究结果可为分析与处理单相弧光接地故障提供参考.

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王俊乔(1976-),女,中国石油天然气股份有限公司乌鲁木齐石化分公司;研究方向:电气设备管理.

Simulation Study of Single-phase Arc Fault Based on Variable Gap Arc Model

Wang Junqiao1, Duan Wenzhi1, Wang Wanzhang1, Wu Weili2, Liu Yong2

(1.Urumqi petrochemical branch of China petroleum and natural gas CO., LTD, Xinjiang, 830000 2. Anhui Zhengguang Power Technology CO., LTD, Anhui, 230088)

Intermittent arc grounding will lead the Fei fault phase causes overvoltage, which has seriously threat the insulation performance of the grid, affect the stability of the power grid operation, and establish an accurate single-phase arc grounding overvoltage is the foundation and key of the simulation model of building arc model. Therefore, on the basis of Mayer and Cassie arc model and gas breakdown theory, the arc model which can describe the actual single-phase arc overvoltage simulation is proposed. Mayer - Cassie combined arc model was established by combining Mayer and Cassie arc model in describing the electric discharge process, and a simulation of PSASP and ETSDAC software was carried out using the data of a 35kV substation. The results show that the variable gap arc model can be applied to the simulation of intermittent arc grounding fault of single-phase ungrounded system, which can provide theoretical reference for the treatment of single-phase arc grounding fault.

variable gap model;mayer and cassie arc models;simulation of PSASP - ets DAC

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