专利名称：仿真隔离开关分/合闸过程中的特快速暂态过电压的方法
技术领域：
本发明涉及电力系统的过电压保护领域，特别是，涉及一种用于仿真隔离开关分/ 合闸过程中的特快速暂态过电压(Very Fast Transient Overvoltage，简称VFT0)的方法和装置。
背景技术：
气体绝缘金属封闭组合电器(GIS)中隔离开关切合空载母线时，会产生振荡频率高达几十甚至上百赫兹的特快速暂态过电压。在300kV电压等级以上的GIS中，特快速暂态过电压会对系统造成�：Γㄆ苹瞪璞妇担鸲淌钡氐缥簧撸粤诮亩紊璞冈斐筛扇呕蛩鸹�。隔离开关是特快速暂态过电压的产生源头，隔离开关模型对特快速暂态过电压的仿真非常关键。目前的特快速暂态过电压仿真用隔离开关模型过于简单，大多未考虑隔离开关触头间隙击穿电压随时间变化的特性和触头间隙高频电弧的特性，只模拟了电源侧电压和负荷侧残余电压反向，即触头间隙电压最高情况下的一次重击穿过程，不考虑弧道电阻或用几欧姆的静态电阻来模拟弧道电阻，造成计算的特快速暂态过电压的幅值和频率都不能很好地与测量结果相互印证，也不能反映隔离开关行程特性、高频电弧特性等因素对特快速暂态过电压的影响。
发明内容
因此，需要提出一种技术来解决上述现有技术中存在的问题。本发明提供一种仿真隔离开关分/合闸过程中的特快速暂态过电压的方法和装置。根据本发明的一方面，提供了一种用于仿真隔离开关分/合闸过程中的特快速暂态过电压的方法，包括以下步骤确定特快速暂态过电压试验回路的隔离开关分/合闸过程中触头间隙击穿时的电压与时间，以获得触头间隙燃弧起始时刻；利用接地试验回路，测量触头间隙燃弧过程中的电压和电流波形；利用测得的触头间隙燃弧过程中的电压和电流波形，得到触头间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值；利用高频电弧熄灭判据，确定特快速暂态过电压试验回路隔离开关的触头间隙燃弧过程中的高频电弧熄灭时刻；根据得到的间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值以及触头间隙燃弧起始时刻和高频电弧熄灭时刻， 利用高频仿真电路模型得到触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线；以及将高频仿真得到的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线嵌入利用工频仿真得到的触头间隙未击穿过程中电压与时间关系曲线以得到仿真的隔离开关分/合闸全过程特快速暂态过电压曲线。优选地，还包括利用特快速暂态过电压回路得到不同周期内最大电流值、最大电压值、和功率因数角，计算时变电阻值和电感值。优选地，高频电弧熄灭判据设定为，在特快速暂态过电压试验回路中，当高频电弧电流幅值衰减到设定值且电弧电流过零时，电弧能量不足以维持电弧继续燃烧，电弧熄灭。根据在特快速暂态过电压试验回路中确定的电弧熄灭时的电流幅值，设定高频仿真电路模型中电弧熄灭的电流幅值，以确定高频仿真电路模型中隔离开关由燃弧状态转为断开状态。优选地，在隔离开关的触头间隙击穿过程中的高频仿真采用较小的时间步长，而在隔离开关的触头间隙未击穿过程中的工频仿真采用较大的时间步长。优选地，将多次重击穿的高频仿真的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线按时间顺序嵌入工频仿真的触头间隙未击穿过程中电压与时间关系曲线以得到仿真的隔离开关分/合闸全过程特快速暂态过电压曲线。优选地，在触头间隙未击穿过程中采用较大的时间步长计算触头从分/合闸到完全合/分闸时间内的工频电压，并按照所得到的触头间隙击穿时的电压与时间确定工频电压波形中击穿点的电压和时刻。优选地，触头间隙击穿时的电压与时间是基于不同气压、电压极性、直流分量、隔离开关机械特性得出的。优选地，在不同开距、气压和电压极性下进行隔离开关直流耐压试验，得到不同气压、电压极性下触头间隙击穿时的电压与开距，并测量隔离开关机械特性，得到开距与时间关系曲线，由此获得触头间隙击穿时的电压与时间。优选地，在触头间隙击穿过程中采用电压传感器测量间隙两端电压、采用电流传感器测量通过间隙的电流，以便获得触头间隙击穿过程中触头间隙两端的电压和通过触头间隙的电流。根据本发明的另一方面，提供了一种用于仿真隔离开关分/合闸过程中的特快速暂态过电压的设备，包括确定特快速暂态过电压试验回路的隔离开关分/合闸过程中触头间隙击穿时的电压与时间，以得到触头间隙击穿燃弧时刻的装置；利用接地试验回路，测量触头间隙击穿过程中的电压和电流的装置；利用测得的触头间隙击穿过程中的电压和电流，得到间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值的装置；利用高频电弧熄灭判据，确定特快速暂态过电压试验回路隔离开关的触头间隙击穿过程中的高频电弧熄灭时刻的装置；根据得到的间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值以及触头间隙击穿燃弧时刻和高频电弧熄灭时刻，利用高频仿真电路模型得到高频仿真的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线的装置；以及将高频仿真得到的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线嵌入利用工频仿真得到的触头间隙未击穿过程中电压与时间关系曲线，以得到仿真的隔离开关分/合闸全过程特快速暂态过电压曲线的装置。通过本发明的实施例的隔离开关的特快速暂态过电压的仿真方法，对隔离开关分 /合间过程中的多次重击穿和电弧燃弧特性进行理论分析和测试，在此基础上建立能反映隔离开关电弧特性的电气模型，解决了现有技术中特快速暂态过电压仿真结果与实际情况偏差较大，不能很好地指导系统过电压防护和绝缘设计的问题。通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。
构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中图1是示出根据本发明的实施例的仿真隔离开关分/合闸过程中的特快速暂态过电压的方法的流程图。图2示出了根据本发明的实施例的接地试验回路。图3示出了根据本发明的实施例的特快速暂态过电压试验回路。图4示出了根据本发明的实施例的触头运动过程中的工频电压波形图。图5示出了根据本发明的实施例的触头间隙击穿时的电压与时间。图6示出了根据本发明的实施例的触头间隙击穿过程时的高频电压波形图。图7示出了根据本发明的实施例的在工频电压与时间关系曲线中嵌入触头间隙第一次击穿时电压与时间关系曲线得到的电压与时间关系曲线。图8示出了根据本发明的实施例的在工频电压与时间关系曲线中嵌入触头间隙多次击穿时电压与时间关系曲线得到的电压与时间关系曲线。图9示出了根据本发明的实施例的间隙击穿过程中电弧电阻的拟合曲线。图10示出了根据本发明的实施例的用于建立隔离开关多次重击穿模型的方法的流程图。图11示出了根据本发明的实施例的用于隔离开关的仿真用工频电路模型。图12示出了根据本发明的实施例的用于隔离开关的仿真用高频电路模型。
具体实施例方式现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。图1是示出根据本发明的实施例的仿真隔离开关分/合闸过程中的特快速暂态过电压的方法的流程图。如图1所示，该方法包括步骤S101，确定特快速暂态过电压试验回路的隔离开关分/合闸过程中触头间隙击穿过程时的电压与时间，以得到触头间隙击穿燃弧时刻；步骤 S102，利用接地试验回路，测量触头间隙击穿过程中的电压和电流；步骤S103，利用测得的触头间隙击穿过程中的电压和电流，得到触头间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值；步骤S104，利用高频电弧熄灭判据，确定特快速暂态过电压试验回路隔离开关的触头间隙击穿过程中的高频电弧熄灭时刻；步骤S105，根据得到的间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值以及触头间隙击穿燃弧时刻和高频电弧熄灭时刻，利用高频仿真电路模型得到高频仿真的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线；以及步骤S106，将高频仿真得到的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线嵌入利用工频仿真得到的触头间隙未击穿过程中电压与时间关系曲线以得到仿真的隔离开关分/合闸全过程特快速暂态过电压曲线。图2示出了根据本发明的实施例的接地试验回路。在特快速暂态过电压试验回路中，触头间隙未击穿时触头相当于开路，这时按工频稳态计算；触头间隙击穿时相当于在间隙两个触头间接入了电弧电阻和电感，这时按高频暂态计算。如图2所示，在该回路中，在120kV/10kVA工频试验变压器下进行试验，其中，保护电阻R为IOkQ、C为充电电容、Ll为引线电感、和触头间隙击穿过程中的等效模型203。触头间隙击穿过程中的等效模型203包括触头间隙击穿过程中串联连接的触头间隙时变电阻Ra和触头间隙电感La。高压探头201连接于串联连接的触头间隙时变电阻与触头间隙电感的两端。示波器202 —端与高压探头201连接，另一端接地。在图3中，可用隔离开关触头附近的电压传感器测量特快速暂态过电压波形，试验不同气压、电压极性、直流分量和隔离开关机械特性对击穿电压的影响，统计分析获得触头间隙击穿时的电压与时间。类似地，也可以在图3的试验回路中，在隔离开关触头附近加入电流传感器，测量流过触头间隙的电流。其中，在该回路中，在150kV/15kVA试验变压器下进行试验，保护电阻Rl为IOk Ω，并联电容Cl为300pF，套管302与隔离开关301连接。 在隔离开关301附近通过光纤303进行电光转换，在远离隔离开关301的位置通过光纤进行光电转换。图4示出了根据本发明的另一实施例的触头运动过程中电压与时间关系曲线。其中触头间隙设定为断开状态，以较大的时间步长(例如，毫秒级)计算触头从分/合到完全合/分时间内的稳态电压，得到任一点电压与时间关系曲线，如图4所示(假设发生多次重燃)。另外假设此时隔离开关触头间隙击穿电压与时间的关系如表1所示，则可以得出如图 5所示的触头间隙击穿电压与时间的拟合曲线501。表1触头间隙击穿过程中电压与时间的关系
时间/ms0. 12102023273537击穿电JK/kV2020191815777通过对比分析图5所示的触头间隙击穿电压与时间关系曲线，得出触头间隙多次击穿过程中前次击穿过程对后次击穿过程击穿电压的影响规律，从而能够根据电压与时间变化的规律来判断触头间隙何时击穿。例如在图5所示的实施例中，根据图4所示的稳态电路的电压波形以及给定的触头间隙击穿电压与时间关系曲线501可以得到发生第一次燃弧的时刻为0. Ims0图6示出了触头间隙击穿过程中b点的暂态电压波形。在图6所示的电压波形中， 以较短的时间步长(例如，纳秒级)，示出触头间隙击穿时b点的击穿过程。此时将高频燃弧过程中触头间隙击穿时b点电压波形数据嵌入到如图4所示工频电压波形数据中，得到如图7所示的叠加后的触头间隙击穿时b点电压与时间关系曲线。由于如图7所示的曲线时间轴是以秒为单位，而触头间隙击穿时b点的暂态电压波形曲线时间轴是以微秒级为单位，并且触头间隙击穿持续时间很短，因此触头间隙击穿时b点的暂态电压波形在图7中显示为线701。类似地，图8示出了在触头间隙多次重击穿过程中将多个击穿时的暂态电压与时间关系曲线嵌入工频电压波形后的电压波形曲线，其中三次击穿的暂态电压波形在所示的曲线中显示为线801、802和803，从而得到隔离开关触头运动全过程中的特快速暂态过电压波形曲线。
在图2所示的接地试验回路中，为避免回路杂散参数的影响，通过采用短连接线并缩短回路接地点与实验室接地点之间的距离，来减小回路的电感。利用图2所示电路进行试验，间隙触头间的距离为4mm，充电电容为300pF。设回路中的总电感值为L。通过所测电压或电流的主频和充电电容C的电容值求解回路中的总电感值，具体
公式为
权利要求
1.一种用于仿真隔离开关分/合闸过程中的特快速暂态过电压的方法，其特征在于， 包括以下步骤确定特快速暂态过电压试验回路的隔离开关分/合闸过程中触头间隙击穿过程时的电压与时间，以得到触头间隙击穿燃弧时刻；利用接地试验回路，测量触头间隙击穿过程中的电压和电流；利用测得的触头间隙击穿过程中的电压和电流，得到触头间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值；利用高频电弧熄灭判据，确定特快速暂态过电压试验回路隔离开关的触头间隙击穿过程中的高频电弧熄灭时刻；根据得到的触头间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值以及触头间隙击穿燃弧时刻和高频电弧熄灭时刻，利用高频仿真电路模型得到高频仿真的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线；以及将高频仿真得到的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线嵌入利用工频仿真得到的触头间隙未击穿过程中电压与时间关系曲线以得到仿真的隔离开关分/合闸全过程特快速暂态过电压曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括利用接地试验回路得到不同周期内最大电流值、最大电压值、和最大功率因数角，计算时变电阻值和电感值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述高频电弧熄灭判据设定为，在特快速暂态过电压试验回路中，当高频电弧电流幅值衰减到设定值且电弧电流过零时，电弧能量不足以维持电弧继续燃烧，电弧熄灭。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据在特快速暂态过电压试验回路中确定的电弧熄灭时的电流幅值，设定高频仿真电路模型中电弧熄灭的电流幅值，以确定高频仿真电路模型中隔离开关由燃弧状态转为断开状态。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在隔离开关的触头间隙击穿过程中的高频仿真采用较小的时间步长，而在隔离开关的触头间隙未击穿过程中的工频仿真采用较大的时间步长。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将多次重击穿的高频仿真的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线按时间顺序嵌入工频仿真的触头间隙未击穿过程中电压与时间关系曲线以得到仿真的隔离开关分/合闸全过程特快速暂态过电压曲线。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在触头间隙未击穿过程中采用较大的时间步长计算触头从分/合闸到完全合/开闸时间内的工频电压，并按照所得到的触头间隙击穿过程时的电压与时间确定工频电压波形中的击穿点的电压和时刻。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述触头间隙击穿时的电压与时间是基于气压、电压极性、直流分量、隔离开关机械特性得出的。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在不同开距、气压和电压极性下进行隔离开关直流耐压试验，得到不同气压、电压极性下触头间隙击穿时的电压与开距，并测量隔离开关机械特性，得到开距与时间关系曲线，由此获得触头间隙击穿时的电压与时间。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在触头间隙击穿过程中采用电压传感器测量间隙两端电压、采用电流传感器测量通过间隙的电流，以便获得间隙击穿过程中触头间隙两端的电压和通过触头间隙的电流。
11.一种用于仿真隔离开关分/合闸过程中的特快速暂态过电压的设备，其特征在于， 包括确定特快速暂态过电压试验回路的隔离开关分/合闸过程中触头间隙击穿时的电压与时间，以得到触头间隙击穿燃弧时刻的装置；利用接地试验回路，测量触头间隙击穿过程中的电压和电流的装置；利用测得的触头间隙击穿过程中的电压和电流，得到间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值的装置；利用高频电弧熄灭判据，确定特快速暂态过电压试验回路隔离开关的触头间隙击穿过程中的高频电弧熄灭时刻的装置；根据得到的触头间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值以及触头间隙击穿燃弧时刻和高频电弧熄灭时刻，利用高频仿真电路模型得到高频仿真的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线的装置；以及将高频仿真得到的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线嵌入利用工频仿真得到的触头间隙未击穿过程中电压与时间关系曲线以得到仿真的隔离开关分/合闸全过程特快速暂态过电压曲线的装置。
12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，还包括接地试验回路得到不同周期内最大电流值、最大电压值、和最大功率因数角，计算时变电阻值和电感值的装置。
13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述高频电弧熄灭判据设定为，在特快速暂态过电压试验回路中，当高频电弧电流幅值衰减到设定值且电弧电流过零时，电弧能量不足以维持电弧继续燃烧，电弧熄灭。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，根据在特快速暂态过电压试验回路中确定的电弧熄灭时的电流幅值，设定高频仿真电路模型中电弧熄灭的电流幅值，以确定高频仿真电路模型中隔离开关由燃弧状态转为断开状态。
15.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，在隔离开关的触头间隙击穿过程中的高频仿真采用较小的时间步长，而在隔离开关的触头间隙未击穿过程中的工频仿真采用较大的时间步长。
16.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，还包括将多次重击穿的高频仿真的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线按时间顺序嵌入工频仿真的触头间隙未击穿过程中电压与时间关系曲线以得到仿真的隔离开关分/合闸全过程特快速暂态过电压曲线的装置。
17.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，还包括在触头间隙未击穿过程中采用较大的时间步长计算触头从分/合闸到完全合/开闸时间内的工频电压，并按照所得到的触头间隙击穿时的电压与时间确定工频电压波形中的击穿点的电压和时刻的装置。
18.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述触头间隙击穿时的电压与时间是基于气压、电压极性、直流分量、隔离开关机械特性得出的。
19.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，在不同开距、气压和电压极性下进行隔离开关直流耐压试验，得到不同气压、电压极性下触头间隙击穿时的电压与开距，并测量隔离开关机械特性，得到开距与时间关系曲线，由此获得触头间隙击穿时的电压与时间。
20.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，在触头间隙击穿过程中采用电压传感器测量间隙两端电压、采用电流传感器测量通过间隙的电流，以便获得触头间隙击穿过程中间隙两端的电压和通过间隙的电流。
全文摘要
本发明公开了用于仿真隔离开关分/合闸过程中的特快速暂态过电压的方法和装置。该方法包括确定触头间隙击穿燃弧时刻；测量触头间隙击穿过程中的电压和电流；得到触头间隙燃弧过程中的电感值和时变电阻值；确定特快速暂态过电压试验回路隔离开关的触头间隙击穿过程中的高频电弧熄灭时刻；得到高频仿真的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线；以及将高频仿真得到的触头间隙击穿过程中电压与时间关系曲线嵌入工频仿真得到的触头间隙未击穿过程中电压与时间关系曲线以得到仿真的隔离开关分/合闸全过程特快速暂态过电压曲线。通过本发明使得能够准确计算特快速暂态过电压，从而能够为绝缘设计中采用正确的过电压倍数提供依据。
文档编号G01R31/327GK102435941SQ201110263310
公开日2012年5月2日 申请日期2011年9月7日 优先权日2011年9月7日
发明者刘北阳, 孙岗, 李志兵, 李成榕, 欧阳卓, 段韶峰, 王承玉, 王浩, 詹花茂, 赵承楠, 郑记玲, 陈维江, 颜湘莲 申请人:中国电力科学研究院, 华北电力大学, 国家电网公司
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