本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)故障檢測(cè)和保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種斷路器內(nèi)部擊穿電弧建模方法。

背景技術(shù)：

換流站正常運(yùn)行時(shí)，按照日調(diào)度計(jì)劃輸出有功功率，該功率一般在70％～100％范圍內(nèi)波動(dòng)。為了維持動(dòng)態(tài)無功平衡，需要頻繁動(dòng)作斷路器投切交流濾波支路電容器組。投切高壓容性電路易誘發(fā)暫態(tài)過電壓?jiǎn)栴}，目前已有多起報(bào)道，高壓直流換流站斷路器開斷高壓容性電路后再次擊穿，導(dǎo)致斷路器爆炸惡性事故。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警高壓直流輸電換流站交流濾波器用斷路器燃弧故障的關(guān)鍵在于對(duì)故障電弧動(dòng)態(tài)特征的分析和掌握，其核心在于交流濾波器用斷路器電弧的動(dòng)態(tài)建模。

最為著名的動(dòng)態(tài)電弧模型為cassie模型(1939年提出)和mayr模型(1943年提出)，cassie模型動(dòng)態(tài)比較的是瞬態(tài)電弧電壓與電弧穩(wěn)態(tài)電壓的大小，適合用于大電流情況下的電弧建模，而交流濾波器支路的阻抗較大，電流較??；mayr模型動(dòng)態(tài)比較的是電弧瞬時(shí)功率與熱傳導(dǎo)功率的大小，在工頻條件下做電弧仿真建模效果令人滿意，然而對(duì)于斷路器的燃弧來說，產(chǎn)生的電弧電流為高頻，在高頻電弧電流每一次過零時(shí)刻，均導(dǎo)致一個(gè)明顯的電弧電阻局部極大值，這勢(shì)必加大電弧電流的衰減速度，與實(shí)際錄波數(shù)據(jù)不符。另外，基于傳統(tǒng)非線性電弧電阻模型建立了三段式高頻電弧模型，諸多學(xué)者對(duì)隔離開關(guān)的電弧建模進(jìn)行了研究，其關(guān)注點(diǎn)在于提高隔離開關(guān)快暫態(tài)過電壓(vfto)的計(jì)算精度，然而該高頻電弧模型不能反應(yīng)斷路器的高頻熄弧特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有的電弧模型在模擬交流濾波器用斷路器燃弧過程中存在的精度不夠，同時(shí)也為了實(shí)現(xiàn)斷路器燃弧故障預(yù)警與識(shí)別，本發(fā)明的目的在于提供一種斷路器內(nèi)部擊穿電弧建模方法，該方法基于傳統(tǒng)時(shí)變電阻模型和mayr電弧模型，根據(jù)不同時(shí)刻電弧電流的變化，以及多次燃弧的特性，將預(yù)燃弧階段分為起弧階段和不完全燃弧階段，將全熄弧階段分為準(zhǔn)熄弧階段和熄弧階段，建立了改進(jìn)的三段式電弧模型，更好地實(shí)現(xiàn)電弧故障預(yù)警和電弧故障檢測(cè)的理論基礎(chǔ)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種斷路器內(nèi)部擊穿電弧建模方法，具體包括以下步驟：

步驟(1)當(dāng)電弧處于預(yù)燃弧階段時(shí)，利用mayr模型和傳統(tǒng)時(shí)變電阻模型的加權(quán)來構(gòu)建預(yù)燃弧階段的動(dòng)態(tài)電弧電阻ry(t)，具體計(jì)算式如下：

上式中，gp為電弧瞬時(shí)電導(dǎo)，gp為電弧穩(wěn)態(tài)電導(dǎo)，tp為電弧時(shí)間常數(shù)，i為電弧電流，w1、w2為權(quán)重系數(shù)，r0表示穩(wěn)態(tài)燃弧階段等效電阻，為一個(gè)可整定的常量，取值0.5ω，r0為起弧前等效電阻，為一個(gè)可整定的常量，取值10¹²ω，權(quán)重系數(shù)的取值為w2＝1-1/2^k-1，w1＝1/2^k-1，其中k為燃弧次數(shù)；

步驟(2)當(dāng)電弧處于穩(wěn)態(tài)燃弧階段時(shí)，穩(wěn)態(tài)電弧電阻r0始終為可整定的常量，取值0.5ω；

步驟(3)當(dāng)電弧處于全熄弧階段時(shí)，基于mayr電弧模型的高頻特性，得到全熄弧階段的電弧電阻rq(t)，計(jì)算式如下：

本發(fā)明的特點(diǎn)及效果：

本發(fā)明基于湯遜離子碰撞和高頻熄弧理論，將建模過程分為三個(gè)階段，包括預(yù)燃弧階段、穩(wěn)態(tài)燃弧階段和全熄弧階段，提出了一種斷路器內(nèi)部擊穿電弧建模方法，將預(yù)燃弧階段分為起弧階段和不完全燃弧階段，其中，起弧階段表征初始燃弧的動(dòng)態(tài)變化，不完全燃弧則反應(yīng)了初始高頻熄弧對(duì)電弧的阻礙作用，另外，以傳統(tǒng)時(shí)變電阻和改進(jìn)mayr電弧電阻的加權(quán)值作為預(yù)燃弧階段的電弧電阻。通過與實(shí)測(cè)波形對(duì)比，結(jié)果表明本發(fā)明提出的電弧模型更符合實(shí)際電弧重燃特性，建模精度高。

附圖說明

圖1為應(yīng)用本發(fā)明的改進(jìn)的三段式電弧模型示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出的高壓直流輸電換流站交流濾波器用斷路器電弧建模方法，結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如下。

本發(fā)明的實(shí)施例是基于pscad中國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議提出的高壓直流輸電標(biāo)準(zhǔn)模型，搭建交流濾波器用斷路器控制模塊模擬換流站2次燃弧故障。在建立的交流濾波器用斷路器動(dòng)態(tài)電弧模型中，故障濾波器支路的三相被分開且支路的無關(guān)設(shè)備被簡(jiǎn)化處理，著重突出燃弧的濾波器支路。假設(shè)該支路的斷路器c相發(fā)生燃弧故障，交流濾波器燃弧控制模型示意圖如圖1所示。

設(shè)定仿真模型的燃弧條件和時(shí)長(zhǎng)，其中，第1次燃弧歷時(shí)3ms(預(yù)燃弧階段為0.5ms，穩(wěn)態(tài)燃弧階段為2ms，全熄弧階段0.5ms)，距離第一次燃弧6ms后，電弧發(fā)生重燃，重燃時(shí)長(zhǎng)5.1ms(預(yù)燃弧階段為0.5ms，穩(wěn)態(tài)燃弧階段為4.1ms，全熄弧階段0.5ms)，仿真模型的采樣頻率f＝10⁴hz。仿真總時(shí)長(zhǎng)0.5s，第一次燃弧故障發(fā)生于0.2484s。

對(duì)于第一次燃弧故障，當(dāng)處于預(yù)燃弧階段時(shí)，根據(jù)步驟(1)，可得權(quán)重系數(shù)分別為w1＝1，w2＝0，可得該階段的電弧電阻表達(dá)式根據(jù)步驟(2)，穩(wěn)態(tài)燃弧階段的燃弧電阻為0.5ω；根據(jù)步驟(3)，全熄弧階段的電弧電阻將上述不同階段的電弧電阻模型按時(shí)間順序依次組合并串聯(lián)于濾波器支路中，根據(jù)第一次燃弧設(shè)定的燃弧條件和仿真時(shí)長(zhǎng)，得到的第一次電弧電壓和電弧電流如下表1和表2所示：

表1斷路器第一次燃弧過程的電弧電流

表1斷路器第一次燃弧過程的電弧電壓

對(duì)于第二次燃弧故障，當(dāng)處于預(yù)燃弧階段時(shí)，根據(jù)步驟(1)，可得權(quán)重系數(shù)分別為w1＝1/2，w2＝1/2，可得該階段的電弧電阻表達(dá)式根據(jù)步驟(2)，穩(wěn)態(tài)燃弧階段的燃弧電阻為0.5ω；根據(jù)步驟(3)，全熄弧階段的電弧電阻將上述不同階段的電弧電阻模型按時(shí)間順序依次組合并串聯(lián)于濾波器支路中，根據(jù)第一次燃弧設(shè)定的燃弧條件和仿真時(shí)長(zhǎng)，得到的第二次電弧電壓和電弧電流如下表3和表4所示：

表3斷路器第二次燃弧過程的電弧電流

表4斷路器第二次燃弧過程的電弧電流