隔离开关熄弧模型对特快速暂态过电压的影响

刘教民，杜 巍，王震洲，李永刚

（1.华北电力大学 电力工程系，河北 保定 071003；2.河北科技大学 信息科学与工程学院，河北 石家庄 050018）

隔离开关熄弧模型对特快速暂态过电压的影响

刘教民1，杜 巍1，王震洲2，李永刚1

（1.华北电力大学 电力工程系，河北 保定 071003；2.河北科技大学 信息科学与工程学院，河北 石家庄 050018）

在特快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage,VFTO)的仿真计算中，隔离开关电弧模型的准确程度是影响 VFTO计算结果的重要因素．目前，在对隔离开关电弧模型的研究中，大多数研究都集中于电弧的击穿过程，对于隔离开关熄弧过程的研究较少．针对该问题，采用理论分析和仿真计算的方法探讨了隔离开关熄弧模型对特快速暂态过电压的影响．仿真结果表明，与只考虑击穿过程的电弧模型相比，熄弧模型及其相关参数的选取对 VFTO的仿真结果影响非常大，当熄弧过程在纳秒时间级内发生时，VFTO的波形和频谱都会受到影响，特高频分量增加；而当熄弧过程在微秒时间级内发生时，VFTO的衰减速度会受到影响，其最大幅值不受影响．本文的工作对于在实际情况下如何选取合理的电弧模型及参数，从而评估VFTO水平具有重要的意义．

隔离开关；熄弧模型；特快速暂态过电压；仿真计算

Abstract In thesimulationcalculationprocessofveryfasttransientovervoltage(VFTO),itis thecriticalfactorthatgives an accuratedescription to arc produced in theprocess of disconnector operation.At present,in the disconnector arc model research,most studies have focused on the breakdown process of the arc.Aiming at this issue,this paper discusses the influence of thequenching process ofarc on very fasttransient overvoltage based on the theoretical analysis andsimulation calculation.The simulation results show that the quenching process of arc has a great influence on VFTO.When the quenching process of arc is accomplished in nanoseconds,the amplitude and gradient of VFTO is all reduced.When the quenching process of arc is accomplished in nanoseconds microseconds,the amplitude and gradient of VFTO remains unchanged.This paperprovidesa referencetothe actual situation of the reasonableselection ofarc modeland its parameter for VFTO simulation.

Key words disconnector;quenching process of arc;very fast transient overvoltage VFTO);simulation calculation

随着我国特高压电网建设的逐步开展，SF6气体绝缘组合电器（gasinsulated switchgear，GIS）以其结构紧凑和运行可靠性高等优点得到了广泛的应用[1]．倒闸操作是电力系统投切负载一种常见操作方式，在倒闸操作过程中，GIS内隔离开关分合带电空载母线时会产生一种幅值高、陡度大、频率密集、波形复杂的特快速暂态过电压（very fast transient overvoltage，VFTO）．VFTO由于其特性复杂，严重威胁了GIS及相连设备的电气绝缘性能．运行经验表明，在330 kV及41以上电压等级系统中，VFTO引发的绝缘击穿事故率超过了雷电和操作过电压引起的绝缘击穿事故率[2]．

对VFTO进行仿真计算是获得VFTO水平的一个重要方法．隔离开关电弧模型是影响VFTO仿真结果的重要因素[3]．目前，在对隔离开关电弧模型的研究中，学者们大多把焦点关注在电弧的产生过程，对于电弧熄灭过程的研究关注较少，电弧熄灭过程会对VFTO的仿真结果产生怎样的影响，目前的研究成果还很少见．因此，本文首先对电弧的熄弧理论进行分析，对传统的电弧熄弧模型进行了探讨；然后对当前熄弧模型在VFTO仿真中的应用进行了仿真计算，并通过与只考虑击穿过程的模型进行对比，获得了电弧熄弧模型及熄弧参数对VFTO的影响规律．

1 隔离开关电弧的熄弧理论与数学模型

开关电弧是气体放电的一种形式．当在开关间隙的两端加上足够大的电场时，就会导致气体间隙发生击穿，气体从绝缘状态变为导电状态，并有电弧放电电流通过，即开关电弧，开关电弧在经过一定的时间后会熄灭，气体由导电状态再次恢复为绝缘状态．在隔离开关电孤的熄灭理论的研究方面，现有的电弧熄灭判据包括两种：弧隙介质恢复强度理论和能量守恒理论．弧隙介质恢复强度理论[4]认为电弧的产生和熄灭取决于介质恢复过程和电压恢复过程的“竞赛”，若介质恢复强度小于开关间隙断口电压，则间隙击穿，产生电弧，若介质恢复强度大于开关间隙断口电压的恢复过程，则电弧熄灭．能量守恒理论认为电弧是否熄灭取决于弧隙输入能量与散出能量的大小关系[5]，当弧隙输入能量小于散出能量时电弧会熄灭．根据介质强度恢复理论，电弧会在电弧电流每次过零时熄灭，不存在弧后电流，而能量守恒理论理论则认为电弧电流过零后存在弧后电流，因此弧隙仍然存在能量，一直到弧后电流趋于零时，电弧才会熄灭．为了研究隔离开关电弧的熄灭过程，国家电网公司开展的“特高压GIS/HGIS设备VFTO实测及仿真研究”项目中进行了多次试验[5]，并采集了大量电弧放电电流．从采集到的电流上看，隔离开关的电弧电流为高频震荡波形，在高频成分过零后，其震荡规律并未发生变化，而是一直持续下去，直至幅值趋于零．这说明隔离开关电弧是电弧电流趋于零熄灭而非过零熄灭，符合能量守恒理论中的电弧熄弧规律．

针对隔离开关的熄弧规律，学者们先后提出了不同的电弧熄灭模型．文献 [6]在国内首次将电弧的熄弧模型引入到隔离开关电弧模型中，提出了分段思想的电弧模型．文献 [7-8]在此基础上做了改进，提出了各自的电弧模型．总结目前隔离开关电弧的熄弧模型，可以发现其主要差别体现在熄弧时间上，对于熄弧过程中弧阻的变化规律一般都认为是电弧电阻从稳态燃弧电阻（在0.5～5 之间）近似成指数增加．为了比较电弧熄弧模型对VFTO的影响规律，本文对电弧的击穿模型采用相同的数学表达式

1）熄弧时间为纳秒级，熄弧过程大约在30 ns左右，数学模型为[7]

2）熄弧时间为微秒级，熄弧过程大约在30 s左右，其数学模型为[8]

2 GIS仿真试验回路及设备计算模型

以我国拉西瓦750 kVGIS系统为例[9]进行VFTO的仿真计算，该变电站接线方式灵活，运行方式较多，以往的研究经验表明，随着GIS装置的网络支路增多，过电压幅值会有所下降[10]．因此，本文以其中一种接线方式和运行方式为例进行计算，所选取的电气接线示意图如图1所示．

由于750kVGIS系统母线采用三相分体式的结构，因此它们之间的耦合可以忽略，仿真计算时只需考虑一相的情况．GIS母线采用分布参数模型，用无损传输线表示，波阻抗，波速，变压器采用等值入口电容表示，断路器合闸状态等效为无损传输线，分闸状态等效为断口电容，避雷器等效为对地电容，电流互感器用等值对地电容，隔离开关在断开状态时等效为对地电容，合闸状态等效为无损传输线．VFTO的仿真过程考虑行波的传播特性，根据该750 kV GIS变电站的运行特点，本文以隔离开关DST2A闭合操作为例进行仿真研究，仿真计算的初始条件是DST1、DST12和DST2B处于闭合状态，断路器CB2为断开状态，接地开关均处于断开状态．

图1 VFTO仿真电气接线示意图Fig.1 The electrical diagram of the 750kVGIS for VFTO simulation

3 隔离开关熄弧模型对特快速暂态过电压的影响分析

借助ATP/EMTP软件特快速暂态过电压进行仿真分析，为了便于分析，分3类情况进行对比：图2a）不考虑熄弧过程的击穿模型，表达式见式(1)；图2b）熄弧时间为纳秒级的熄弧模型，表达式见式(2)；图2c）熄弧时间为微秒级的熄弧模型，表达式见式(3)．利用MODELS语言对电弧弧阻模型进行编程，非线性电阻元件R(TACS)Type91对其计算结果进行输出，并利用matlab对VFTO进行频谱分析．隔离开关DST2A操作时，电源侧电压为+1.0p.u（653 kV），短母线上残余电压为-1.0p.u．3种电弧弧阻模型下，隔离开关DST2A电源侧VFTO的波形与频谱分析如图2所示

对比图2的3组仿真结果可以发现，与只考虑击穿过程的电弧模型相比（图2a），考虑熄弧过程的电弧模型下VFTO波形和频谱都发生了显著变化．熄弧时间为纳秒级电弧模型（图2b），由于其一次燃弧时间非常短，电弧电阻变化非常迅速．因此，VFTO波的折反射最为频繁，波形最复杂，频率分布也非常广泛，基本范围在0～20 MHz之间，但由于燃弧时间短，其基本频率（0.2 MHz）的幅值最小，而高频的VFTO幅值（2～20MHz）由行波的折反射叠加而变大．熄弧时间为微秒级的电弧模型（图2c）有一个明显的衰减时间，从7 s开始，VFTO进入了以相对稳定的幅值区间，与图2a）相比发现，两者的仿真结果在初期的时间段内（1～4 s）VFTO的波形相同，说明熄弧过程对VFTO的波头和陡度没有影响，进一步验证了VFTO的波头和陡度是由击穿过程决定的[11]．从VFTO的频谱分析上看，图2a）与图2c）电弧模型下VFTO的频率分布是一致的，这是因为2个电弧模型一次燃弧的时间都在微秒时间级内，行波的折反射不如图2b）电弧模型下行波的折反射剧烈，因此，图2a）与图2c）电弧模型下VFTO的基本频率高于图2b）电弧模型下VFTO的基本频率，但特高频率的幅值和分布都比图2b）电弧模型下VFTO的要小．图2a）与图2c）对比发现，尽管考虑熄弧过程后，两者的VFTO频率分布大体上一致，但图2b）（考虑熄弧过程）中VFTO的基本频率的幅值要比图2a）中（不考虑熄弧过程）VFTO的基本频率的幅值小很多，熄弧过程仍然抑制了VFTO的幅值．

4 结论

GIS中隔离开关的电弧变化是一个非常复杂的物理、化学过程，弧阻变化是高度非线性的．在特快速暂态过电压的研究上，以往的研究大多关注击穿过程上，对于电弧熄弧过程的研究关注不多，本文针对该问题，采用理论分析和数值仿真的方法探讨了隔离开关熄弧过程对VFTO的影响，初步得到了以下的结论．

1）熄弧过程会影响VFTO的衰减过程，熄弧时间越短，VFTO衰减越快，VFTO的折反射也就越剧烈，波形越复杂；

2）熄弧时间会影响VFTO频率分布，当熄弧时间在纳秒级的时间内时，VFTO的幅值变大、衰减速度变快，VFTO的折反射剧烈，行波的叠加严重，VFTO的频率分布广泛，特高频分量增加；

3）熄弧时间会影响VFTO的幅值，当熄弧时间在微秒级的时间内时，与只考虑击穿过程的电弧模型相比，VFTO基本频率的幅值会降低．

图2 隔离开关电弧模型对VFTO波形和频谱的影响Fig.2 The waveforms and frequency spectrograms of VFTO under three types of arc resistance

[1]陈维江，颜湘莲，王绍武，等．气体绝缘开关设备中特快速瞬态过电压研究的新进展 [J]．中国电机工程学报，2011，31（31）：1-11．

[2]Meppelink J，Diederich K J，Feser K，et al．Very fast transients in GIS[J].IEEE Transactions on Power Delivery，1989，4（1）：223-233．

[3]Riechert U，Krusi U，Sologuren D．Very fast transient overvoltages during switching of bus-charging currents by 1100kV disconnector[R]．Paris：CIGRE，2010．

[4]王其平．电器电弧理论 [M]．北京：机械工业出版社，1991．

[5]刘振亚．特高压交流输电技术研究成果专辑（2010年）[M]．北京：中国电力出版社，2011．

[6]孟涛，林莘，徐建源．分段电弧模型下VFTO的计算与分析 [J]．电工技术学报，2010，25（9）：69-73．

[7]林萃，王娜，徐建源．动态电弧模型下特快速瞬态过电压特性的计算与分析 [J]．中国电机工程学报，2012，32（16）：157-164．

[8]郑记玲．252kV GIS中隔离开关电弧模型的研究 [D]．北京：华北电力大学,2012．

[9]梁贵书，陈建，张喜乐，等．拉西瓦750kaV GIL-GIS操作过电压及其影响因素分析 [J]．华北电力大学学报，2006，33（5）：6-10．

[10]钱家骊，张节容，吉嘉琴，等．高压开关开合电容电流和小电感电流 [M]．北京：中国电力出版社，1999．

[11]邵冲，杨钰，王赞基．GIS开关电弧建模及其对VFTO波形的影响 [J]．电网技术，2010，34（7）：200-205．

[责任编辑 代俊秋]

Analysis on the influence of the quenching process of arc model on very fast transient overvoltage

LIU Jiao-min1，DU Wei1，WANG Zhen-zhou2，LI Yong-gang1

(1.Department of Electric Power Engineering,North China Electric Power University,Hebei Baoding 071003,China;2.College of Information Science and Engineering,Hebei University of Science and Technology,Hebei Shijiazhuang 050018,China)

TM501

A

2013-05-30

河北省自然科学基金（E2012208006）；河北省教育厅高等学校科学研究计划自然科学优秀青年基金（Y2012018）；

河北省教育厅高等学校科学研究计划自然科学重点项目（ZH2011243）；中央高校基本科研业务费专项资金（12QX26）

刘教民（1958-），男（汉族），教授，博士生导师．

1007-2373(2013)05-0005-04