多次重燃弧VFTO的仿真隔離開關(guān)模型研究

李良書 趙宏博 楊蘭均 張建革

（1. 西安交通大學(xué)電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049；2.中船重工第七一三研究所，鄭州450015）

1 引言

隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，GIS的應(yīng)用越來越廣泛。當隔離開關(guān)、接地開關(guān)和斷路器動作時，會產(chǎn)生幅值較高，陡度很大，頻率很高的 VFTO（特快速瞬態(tài)過電壓），對電力系統(tǒng)一次設(shè)備和二次設(shè)備造成危害。

關(guān)于隔離開關(guān)動作引起的 VFTO問題，已經(jīng)做了大量研究。不過當前采用的隔離開關(guān)仿真模型，多數(shù)未考慮隔離開關(guān)觸頭間擊穿電壓隨時間的變化特性和觸頭間高頻電弧的特性，只模擬了電源側(cè)電壓和負荷側(cè)殘余電壓反向，即開關(guān)觸頭間電壓最高情況下的一次重擊穿過程，不能很好的反映開關(guān)動作過程中的 VFTO實際全波形，以及斷口間波的折反射對后續(xù)重燃過電壓的幅值和頻率影響，可能導(dǎo)致更高過電壓的問題。鑒于此，在一些故障的研究中，慢慢引入了多次重燃的模型來研究故障對系統(tǒng)的影響[1]。

在本次研究中，首先采用GXV-I光纖式電壓測量系統(tǒng)對 1100kVGIS隔離開關(guān)進行了分合容性小電流實驗[2]，測量合閘過程中負載電容上的電壓波形，整個開關(guān)動作過程中VFTO的變化規(guī)律，并據(jù)此建立了反映多次重燃過程的仿真模型，對隔離開關(guān)間隙擊穿、電弧熄滅、弧道電阻等仿真因素進行了初步討論。

2 實驗簡介

如圖1所示為本次實驗的簡明接線圖，設(shè)備參數(shù)及選型如下。

圖1 實驗接線簡明示意圖

本次實驗主要研究開關(guān)K閉合動作過程中，負載測量點處的VFTO全波形。隔離開關(guān)每極分、合閘電阻值：500±50Ω；操動機構(gòu)為電動彈簧操動機構(gòu)（快速機構(gòu)）；分、合閘時間＜10s（含彈簧儲能時間）；SF6氣體額定壓力：0.5mPa（20℃表壓）。電壓測點在GIS負載側(cè)出線套管上，光纖式電壓測量系統(tǒng)GXV-I測量場強：10V～100kV/cm；測量帶寬：50Hz～250MHz；測量誤差：≤3%；響應(yīng)時間：≤4ns；波形數(shù)字采集率為125M/s，記錄時間為1000ms，數(shù)據(jù)存儲長度128M。本實驗按照IEC-62271-102《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》標準的相關(guān)要求，以標準中試驗方式3進行，即隔離開關(guān)電流能力開合試驗。

如圖2所示為100kV電源電壓下，隔離開關(guān)關(guān)合容性小電流時，負載電容器上電壓全波形，測量設(shè)備的測量衰減倍數(shù)為50k。

圖2 100kV隔離開關(guān)動作負載電容器上電壓波形

從圖中我們可以看出，由于隔離開關(guān)動作慢，且沒有專門的滅弧裝置，整個合閘過程大約持續(xù)約220ms，氣體放電次數(shù)以百次記，每次擊穿都伴有振蕩，且整個放電過程中，VFTO幅值的最高點，并不一定在首次擊穿發(fā)生的時刻。

3 多次重燃弧隔離開關(guān)模型

從實驗波形，可知在隔離開關(guān)閉合的動作過程中，間隙間發(fā)生多次擊穿與重燃，這就需要建立可以反映多次重燃的仿真模型，使得VFTO的仿真研究與實際更加接近。

3.1 多次重擊穿的實現(xiàn)

在隔離開關(guān)閉合過程中，隨著隔離開關(guān)觸頭的逐漸靠攏，觸頭間的電場強度逐漸增大。當觸頭間距離減小到一定程度時，觸頭間隙擊穿，形成電弧。由于隔離開關(guān)觸頭動作緩慢，間隙的第一次擊穿幾乎都發(fā)生在工頻電壓的峰值處。間隙擊穿后，電流通過電弧從電源側(cè)流到負載側(cè)，負載側(cè)電壓變化為電源電壓，觸頭間的電壓差近似為零，電路的工作狀態(tài)發(fā)生過度。由于電路中電感、電容等遵從能量守恒原理，能量將在有限的時間內(nèi)（幾個微妙）重新分配，出現(xiàn)上升時間為微秒級的暫態(tài)過程，引起電壓、電流的高頻震蕩。當高頻電流衰減完后，電弧熄滅，電源側(cè)與負載側(cè)斷開。負載側(cè)由于電容的儲能作用，衰減緩慢，在兩次擊穿的時間間隔內(nèi)，可以認為是不變的，電源側(cè)電壓仍按照弦電壓規(guī)律地變化著，當隔離開關(guān)觸頭間隙兩端的電壓差再次達到間隙擊穿電壓強度時，間隙再次被擊穿，形成電弧。同時由于電壓波的折反射，接下來的擊穿前觸頭間的電壓差可能高于第一次，過電壓也可能比第一次高。在開關(guān)不斷閉合的過程中，隔離開關(guān)觸頭間不斷的發(fā)生著擊穿重燃的過程，直到觸頭間距離足夠近，開關(guān)觸頭徹底閉合，完成閉合的全過程。但是隨著觸頭間距離漸漸縮短，總體來看，擊穿電壓將越來越低，過電壓也隨之漸漸降低。

當前 pscad、atp等電力系統(tǒng)常用仿真計算采用以時間步長△t為時間單位逐步求解的過程，即利用t-△t時刻的回路計算量，來求解t時刻的解，由上述分析可以達到如圖3所示的閉合動作簡易邏輯關(guān)系流程圖。

圖3 閉合動作的簡易邏輯流程圖

在隔離開關(guān)的仿真研究過程中，隨著仿真時間的增長，開關(guān)觸頭逐漸靠攏，間隙擊穿電壓逐漸下降，每一個△t時間，檢測一次間隙電壓與間隙擊穿電壓的關(guān)系，當間隙電壓小于間隙擊穿電壓時，間隙不能擊穿，躍至下一個△t。當間隙電壓大于間隙擊穿電壓時，間隙擊穿，生成高頻震蕩電弧。直至高頻電流震蕩衰減完全，電弧熄滅，檢測開關(guān)是否完全閉合，如果沒有完全閉合，電弧熄滅，電路斷開，跳到下一個△t，繼續(xù)進行計算，如果開關(guān)已經(jīng)完全閉合，隔離開關(guān)動作完成，運算結(jié)束，閉合動作完成。

隔離開關(guān)打開的物理過程類似于開關(guān)閉合的反過程，過電壓隨著觸頭間距離的增大而逐漸增加，不過由于負載容性的儲能性，負載側(cè)電壓變化緩慢，觸頭間擊穿電壓的強度可能達到2p.u.，甚至更高，造成更大的開斷過電壓。通常VFTO的最高過電壓發(fā)生在負載側(cè)的開口端，且最大值取決于重燃時刻開關(guān)觸頭間的電壓值[3]。

3.2 擊穿模型模塊

在隔離開關(guān)閉合的多次重擊穿仿真過程中，模型的擊穿判據(jù)極為重要，關(guān)系整個閉合的電壓波形，且在整個閉合的過程中，擊穿電壓是不一樣的。

電弧熄滅以后，間隙的再次重燃擊穿有兩種可能：熱復(fù)燃和重擊穿。熱復(fù)燃由弧后電流對間隙輸入的能量決定。重擊穿則決定于間隙介質(zhì)強度的恢復(fù)與間隙電壓的相互關(guān)系。當暫態(tài)電壓恢復(fù)的速度大于介質(zhì)強度恢復(fù)速度時，間隙擊穿，反之，間隙不擊穿。根據(jù)氣體放電的流柱擊穿理論可以得到臨界擊穿的判據(jù)[4]。

根據(jù)流柱擊穿理論，擊穿的判據(jù)表達式可以表示為[5]：

文獻[4]在前人的研究基礎(chǔ)上，采用基于流注理論的界面擊穿判據(jù)進行了相關(guān)研究。

可以得到臨界擊穿電壓Ub的表達式式中，E為計算點的電場強度，kV/mm；Ub為氣體擊穿的臨界電壓，間隙介質(zhì)所能承受的極限電壓，V；ρ為氣流場的計算密度，km/m3。

整個間隙的介質(zhì)強度值取為最薄弱點的計算值，根據(jù)上述公式的計算結(jié)果就可以判斷是否發(fā)生重擊穿。

3.3 熄弧模型

電弧重燃發(fā)生后，電弧燃燒的持續(xù)時間，需要弧的熄弧判據(jù)模型來決定，這影響熄弧后隔離開關(guān)觸頭間的氣體介質(zhì)條件、下次擊穿時觸頭間的間隙距離，觸頭間隙對應(yīng)的擊穿電壓，影響下一次間隙擊穿的電壓峰值。

在實際隔離開關(guān)開斷空載母線的過程中，由于負載為容性，當觸頭間隙重燃擊穿時，電壓波形峰值與電流波形峰值之間存在一個相位差。工頻電壓達到某一峰值擊穿時，電流值并不在峰值，而隔離開關(guān)操作的電流幅值本身很小，高頻震蕩電流與工頻電流疊加可能在第一個高頻震蕩就過零，此時 GIS中觸頭間的電弧并不會馬上熄滅，而是要一直維持到振蕩衰減完畢（約幾十us）[6]。在模型構(gòu)建中，需要區(qū)分清楚到底是工頻過零還是高頻振蕩過零。

圖4 電弧熄滅邏輯模塊簡易邏輯圖

如圖4所示為電弧熄滅邏輯模塊簡易邏輯圖。I為流過隔離開關(guān)的電流，電流I流過Delay延遲模塊延遲△t，相當于t-△t時刻的電流信號，對兩信號進行乘法操作，如果小于零說明在步長△t時間內(nèi)電流過零。如果等于零，說明兩信號中至少一個為零，電流信號恰好處于零點或者斷路器一直處于斷開狀態(tài)。由于當前電力系統(tǒng)仿真軟件的精確程度非常高（EMTP的計算精度可以達到4位有效數(shù)字），恰好為零的概率非常小，可以忽略不計。同時對t時刻的電流和i-△t時刻的電流做差計算，并與△t做除法運算，得到電流的導(dǎo)數(shù)值，與K作比較，判斷電流的變化速率，如果電流過零且電流變化較慢，則判定電弧熄滅，開關(guān)斷開。

3.4 弧道電阻模型

文獻[7]中對隔離開關(guān)的仿真模型進行了研究：分合閘電阻對降低VFTO幅值和陡度有明顯作用，加入分合閘電阻比不加分合閘電阻時的最大 VFTO幅值降低了50%。陡度降低為14%，電壓在1kV以上最高頻率降為10%。

文獻[8]中針對不同固定弧道電阻對 VFTO幅值的影響做了詳細的研究?；〉离娮鑼FTO仿真研究的影響非常大，圖5所示為以1100kV GIS為仿真模型得到的VFTO幅值與弧道電阻的關(guān)系圖。在弧道電阻較小的區(qū)間內(nèi)，隔離開關(guān)弧道電阻對 VFTO幅值的影響更為明顯。

圖5 過電壓幅值與弧道電阻的關(guān)系[8]

在考慮弧道電阻的過程中，通常只考慮了電阻的影響，采用靜態(tài)電阻與動態(tài)電阻，或僅僅考慮靜態(tài)電阻的方法[9]。但在實際隔離開關(guān)動作過程中，電弧從起弧到電弧逐漸變細、抖動，到熄滅，電弧是不穩(wěn)定的，電弧電阻并不是固定不變的，且在隔離開關(guān)動作過程中，觸頭間的距離是不一樣的，弧道電阻隨觸頭間距離的不同也不同。

由于VFTO的高頻特性，弧道電阻的電感特寫那個不應(yīng)被忽略，采用0.23uH的靜態(tài)電感，采用弧道電感以后，降低了過電壓的陡度，減小了過電壓震蕩過程中的過電壓幅值[10]。在實際測量中，在開關(guān)閉合首次擊穿前，由于存在斷口電容和其它雜散電容，負載側(cè)也具有一定的工頻電壓，如圖2最左側(cè)部分。因此在模型中需要在隔離開關(guān)斷口間添加一定的電容，本次仿真研究中采用300pF的電容。

圖6 隔離開關(guān)模型

鑒于此采用如圖6所示的開關(guān)模型，其中K為可控開關(guān)，R為與觸頭間距離相關(guān)的弧道電阻，L為電弧電感，C為觸頭間電容，C1，C2為開關(guān)兩端的對地電容。

4 仿真結(jié)果分析

綜合上述模型思想建立可以實現(xiàn)多次重燃的開關(guān)模型，以前述實驗參數(shù)為計算依據(jù)，得到 100kV電源等級下，反映整個隔離開關(guān)閉合過程的負載側(cè)電容上的電壓波形，如圖7所示。

由于隔離開關(guān)慢的多，整個開關(guān)動作過程中重擊穿大約持續(xù) 220ms。間隙放電擊穿以后，電路導(dǎo)通，負載側(cè)電壓發(fā)生跳變，回路高頻電弧電流持續(xù)約1.5us。負載側(cè)由于電容的儲能作用，衰減緩慢，在兩次擊穿的時間間隔內(nèi)，可以認為是不變的，電源側(cè)電壓仍按照正弦電壓規(guī)律變化，當隔離開關(guān)觸

圖7 100kV電壓等級仿真波形

頭間隙電壓差再次達到間隙擊穿電壓強度時，間隙再次被擊穿，形成電弧。由于負載電容上的電壓在電弧熄滅階段幾乎不發(fā)生改變，當間隙擊穿放電時跳變到電源側(cè)電壓，形成如圖所示獨特的“臺階”狀電壓波形。在整個波形區(qū)間內(nèi)，“臺階”的水平寬度并不是完全相同的，而是在電壓波峰處“臺階”寬，電壓過零處“臺階”窄，主要是由于電源側(cè)正弦電壓波在從一個峰值向另一個峰值變化的區(qū)間過程中，變化速率由小到大再到小。電容器上電壓波形在從一個區(qū)間向相反區(qū)間變化的轉(zhuǎn)折點處有一段長“平臺”，這是由于如果當電源電壓達到峰值時，間隙電壓仍沒有達到擊穿放電的要求，只有當電源電壓向另一峰值變化到間隙擊穿電壓，才能再次擊穿，同時由于峰值處電壓的變化率最小，擊穿需要一段更長的時間，表現(xiàn)在圖形上，即為波形上一段長的“平臺”。在開關(guān)觸頭完全閉合前的間隙的距離已經(jīng)非常小，斷口的擊穿電壓也非常?。ㄈ鐖D5波形縱軸電壓高度差），在一個周期內(nèi)將發(fā)生更多的擊穿。

5 結(jié)論

通過對隔離開關(guān)開斷空載母線的仿真研究，得到一些有益的結(jié)論，如下：

（1）在隔離開關(guān)動作過程中，會產(chǎn)生“臺階”狀波形，且“臺階”寬度的分布具有一定的規(guī)律。

（2）在隔離開關(guān)動作過程中，重擊穿可能發(fā)生在電壓波形的任何角度位置。

（3）在整個開關(guān)動作過程中，重擊穿造成的VFTO最大值并不一定發(fā)生在最初的擊穿時刻。

（4）在電壓峰值處，電壓變化慢，重擊穿發(fā)生概率小，工頻電壓過零的位置，電壓變化快，重擊穿發(fā)生的概率大。

[1] 尹曉芳,于力,劉廣維.封閉式組合電器隔離開關(guān)產(chǎn)生的過電壓[J].中國電機工程學(xué)報,2002,22(07):111-114.

[2] 盧江平. 一種新型光纖式電壓測量系統(tǒng)[J].陜西電力,2008(09):38-40.

[3] Povh D, Schmitt H, Valcker O, et al. modeling and analysis guidelines for very fast transients[J]. Power Delivery, IEEE Transactions on,1996,11(4):2028-2035.

[4] 周虹. 800kV SF_6斷路器開斷過程計算與分析[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2006.

[5] 徐建源, 王其平. 氣吹電弧介質(zhì)恢復(fù)強度的數(shù)值計算[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,1992,7(2):53-57.

[6] 孫彤. GIS中快速暫態(tài)過電壓的數(shù)值計算與分析[D].沈陽:沈陽工業(yè)大學(xué),2008.

[7] 余芳, 賈磊, 周春雨, et al. 750kVGIS中隔離開關(guān)的分合閘電阻對快速暫態(tài)過電壓的影響[J]. 電瓷避雷器,2008,4(224):20-22.

[8] Yamagata Y, Tanaka K, Nishiwaki S, et al. Suppression of VFT in 1100kV GIS by adoping resistor-fitted disconnector[J]. Power Delivery, IEEE Transactions on,1996,11(2):872-880.

[9] 黃冶. 500kV GIS中快速暫態(tài)過電壓的研究[D]. 西安:西安交通大學(xué),2007.

[10] 余芳. 750kV GIS中快速暫態(tài)過電壓的研究[D]. 西安:西安交通大學(xué),2009.