特高压交流输电线路单相接地潜供电弧仿真

高电压技术 第36卷第1期 2010年1月31日

HighVoltageEngineering,Vol.36,No.1,Jan.31,2010

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特高压交流输电线路单相接地潜供电弧仿真

陈维江1,颜湘莲2,贺子鸣2,李志兵2

(1.国家电网公司,北京100031;2.中国电力科学研究院,北京100192)

摘 要:输电线路发生单相接地故障引起的潜供电弧的随机性较强,为弥补模拟试验的不足,数字建模和仿真已成为研究潜供电弧的重要工具。鉴于此,提出了一种计算潜供电弧自熄特性的仿真模型,以特高压交流试验示范工程为例,计算了电弧的运动特性、电弧电流波形,得到了潜供电弧自熄时间,仿真结果与现场实测结果基本一致,表明所提出的潜供电弧仿真模型具有较大的工程实用价值。

关键词:特高压;输电线路;潜供电弧;仿真模型;弧道电阻;电弧长度中图分类号:TM726;TM864文献标志码:A文章编号:1003 6520(2010)01 0001 06

SimulationforSecondaryArcCausedbySingle phase

GroundinginUHVACTransmissionLine

CHENWei jiang,YANXiang lian,HEZi ming,LIZhi bing

1

2

2

2

(1.StateGridCorporationofChina,Beijing100031,China;2.ChinaElectricPowerResearchInstitute,Beijing100192,China)

Abstract:Tocompensatetheshortcomingsofarcingtests,thenumericalmodelingandsimulationmethodhasbe cometheimportantfeasibletooltoinvestigateandpredictthecharactersofsecondaryarc.Thesimulationmodelforsecondaryarcintransmissionlineswasestablished.Secondaryarccausedbysingle phasegroundingfaultinUHVACdemonstrationprojectwastakenasanexampletosimulatearcmovement,arccurrentwaveforms,andthedura tiontimeofsecondaryarc.Thesimulationresultsconformtothemeasureddatainartificialtest,whichvalidatesthesimulationmodelofsecondaryarcfittingfortheengineeringapplication.

Keywords:UHV;transmissionline;secondaryarc;simulationmodel;arcresistance;arclength

0 引言

输电线路发生单相接地故障引起的潜供电弧的随机性较强,电弧试验可为研究潜供电弧特性及其物理本质提供直接的方法和手段[1 3],但模拟试验受条件限制,投入较大、灵活性不足,近年来数字建模和电弧仿真已成为研究潜供电弧的重要工具。在电弧模型的研究初期,Cassie和Mayr提出了经典的黑盒模型[8,9],得到了普遍认可。在此基础上,相关学者对黑盒模型进行了演绎和推导,进而提出适于长间隙电弧的数学模型。V.V.Terzijia给出了长间隙电弧在空气中的电压表达式,英国巴斯大学的A.T.Johns等建立了潜供电弧的EMTP计算模型,俄罗斯的GeorgyEvdokunin由电弧发展的能量守恒原则和欧姆定律对潜供电弧进行了仿真计算。但这些研究未涉及电弧运动过程,忽略了电弧长度的变化,且潜供电弧自熄判据大多缺乏理论依据。

在我国特高压输电工程建设初期,仍采用电弧试验方法确定潜供电弧自熄时间及其对单相重合闸的影响,但随着特高压输电网的发展,结构趋于复杂,[10 17]

[4 7]

的要求。因此,有必要建立仿真模型,分析电弧的运动特性,从电弧熄灭与重燃的机理出发提出熄弧判据,并结合每个输电工程计算潜供电流限值,这对指导特高压输电系统单相重合闸实施具有重要意义。

本文拟提出潜供电弧仿真模型,建立弧道电阻动态方程,由电弧复杂的运动过程获得电弧实时长度,根据电弧能量守恒原则提出电弧自熄判据。结合输电线路发生单相接地故障的系统电路,提出计算潜供电弧自熄特性的等效电路及仿真流程。并以晋东南(长治)-南阳-荆门1000kV特高压交流试验示范工程(以下简称特高压交流试验示范工程)为例,利用仿真模型计算电弧的运动特性、电流波形、潜供电弧自熄时间,与试验结果进行比较分析。

1 潜供电弧仿真模型

基于潜供电弧的实验室测量数据,采用非线性时变电阻模拟弧道特性,推导出潜供电弧的弧道电阻动态微分方程。由链式电弧模型,分析电弧运动中受到的电动力、风载荷和空气阻力,获得潜供电弧实时长度,以迭代计算弧道电阻。结合潜供电流过零持续时间较长的特点,根据电弧发展所遵循的能,

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高电压技术2010,36(1)

输电线路发生单相接地故障引起的电弧过程,及短路电流对潜供电弧自熄的影响,提出一种计算潜供电弧自熄特性的仿真模型。1.1 建立潜供电弧仿真模型1.1.1 弧阻动态方程

输电线路发生单相接地故障,故障点流过数kA至几十kA的短路电流时,引起炽烈的短路电弧,弧道游离充分,粒子密度大,使得单位长度的电弧电压较低,即弧柱的电位梯度较小。当故障线路的故障相被断路器开断后,由于故障线路的正常相或正常线路与故障相之间的相间电容耦合和互感的感应,在故障点产生较小潜供电流( 100A)引起的潜供电弧,弧道的等效电阻率较大,弧柱电位梯度较高。考虑短路电弧和潜供电弧的特性差异,建立弧道电阻动态微分方程。

研究表明,Mayr电弧理论较好地描述了电流过零区域的电弧特性,适合长间隙电弧过程,假定电弧的散失功率保持为电弧稳定的散失功率,对其演绎得到输电线路交流电弧的弧阻方程,满足下式

aa

=(G-ga);dt(1)

[8]

图1 链式电弧示意图

Fig.1 Chainsarcmodel

潜供电弧的弧柱电位梯度Ea2可表示为

0.155

Ea2=3500I-a2。

(3)

电弧时间常数 2为

.32

I0a2

2= 1.5 10-4。

la2

(4)

a

Ga=。

Eala

式中,ga为电弧瞬态电导;Ga为稳态电弧电导;ia为

式中,Ea2的单位为V/m;Ia2为潜供电流有效值,A;la2为潜供电弧实时长度,m。1.1.2 电弧实时长度

1)链式电弧

基于分段化思想,假设整个电弧由许多圆柱形的电流元链接(串联)而成,这些电流元运动组合起来构成整个电弧的运动,从而获得不同时刻的电弧形状和电弧长度[19]。图1为链式电弧的示意图。

2)电弧运动

输电线路交流电弧处于交变磁场中,受电动力和风载荷的作用,电弧电流元沿电动力Fmi与风载荷Fwi的合力方向而运动,同时受到空气阻力Fri的

电流瞬时值; 为电弧时间常数;Ea为弧柱电位梯度;la为电弧长度。各物理量均采用国际标准单位。 和Ea的取值通过电弧试验确定,la取决于电弧运动过程,随电弧在空气中的运动实时改变。

1)短路电弧特性

现场实测和电弧试验表明,当短路电流为1~30kA时,弧柱电位梯度维持为常数。大量试验数据统计和拟合可得,空气中短路电弧的电位梯度Ea1取1500V/m

[10]

。

1表达式为短路电弧的时间常数 a1

1= 10-5。

la1

(2)

作用,其方向与电流元运动速度vai的方向相反。忽略电流元的质量及其加速过程时,根据牛顿第二定律,电流元进行匀速运动

[20]

式中,Ia1为短路电流有效值,A;la1为短路电弧的瞬时长度,m。

2)潜供电弧特性

潜供电流较小,引起的电弧处于开放大气中,受环境条件的影响较大,燃弧状况不稳定。为获得潜供电弧特性,文献

[3]进行了大量长间隙空气电弧试验,电弧电流为10~50A,选取的间隙长度为0 67~1 68m,恢复电压梯度为12~30kV/m,风速取1~3m/s,利用线性最小二乘法对电弧试验数据进行参数估计

[18]

,应满足下式

(5)(6)

Fmi+Fwi+Fri=0。

电流元受到的电动力Fmi由下式确定

Fmi=laiIai Bi。

式中,lai、Iai分别为第i个电弧电流 …… 此处隐藏：3262字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……