[发明专利]一种断路器内部击穿电弧建模方法

说明书

一种断路器内部击穿电弧建模方法，属于电力系统故障检测和保护技术领域，该方法基于传统时变电阻模型和Mayr电弧模型，根据不同时刻电弧电流的变化，以及多次燃弧的特性，将预燃弧阶段分为起弧阶段和不完全燃弧阶段，将全熄弧阶段分为准熄弧阶段和熄弧阶段，建立了改进的三段式电弧模型。本发明方法能够为实现断路器燃弧故障预警与识别提供更为可靠地保证，对于实际的工程应用具有良好的指导意义。

技术领域

本发明属于电力系统故障检测和保护技术领域，特别涉及一种断路器内部击穿电弧建模方法。

背景技术

换流站正常运行时，按照日调度计划输出有功功率，该功率一般在70％～100％范围内波动。为了维持动态无功平衡，需要频繁动作断路器投切交流滤波支路电容器组。投切高压容性电路易诱发暂态过电压问题，目前已有多起报道，高压直流换流站断路器开断高压容性电路后再次击穿，导致断路器爆炸恶性事故。

实时监测和预警高压直流输电换流站交流滤波器用断路器燃弧故障的关键在于对故障电弧动态特征的分析和掌握，其核心在于交流滤波器用断路器电弧的动态建模。

最为著名的动态电弧模型为Cassie模型(1939年提出)和Mayr电弧模型(1943年提出)，Cassie模型动态比较的是瞬态电弧电压与电弧稳态电压的大小，适合用于大电流情况下的电弧建模，而交流滤波器支路的阻抗较大，电流较小；Mayr电弧模型动态比较的是电弧瞬时功率与热传导功率的大小，在工频条件下做电弧仿真建模效果令人满意，然而对于断路器的燃弧来说，产生的电弧电流为高频，在高频电弧电流每一次过零时刻，均导致一个明显的电弧电阻局部极大值，这势必加大电弧电流的衰减速度，与实际录波数据不符。另外，基于传统非线性电弧电阻模型建立了三段式高频电弧模型，诸多学者对隔离开关的电弧建模进行了研究，其关注点在于提高隔离开关快暂态过电压(VFTO)的计算精度，然而该高频电弧模型不能反应断路器的高频熄弧特性。

发明内容

为了克服现有的电弧模型在模拟交流滤波器用断路器燃弧过程中存在的精度不够，同时也为了实现断路器燃弧故障预警与识别，本发明的目的在于提供一种断路器内部击穿电弧建模方法，该方法基于传统时变电阻模型和Mayr电弧模型，根据不同时刻电弧电流的变化，以及多次燃弧的特性，将预燃弧阶段分为起弧阶段和不完全燃弧阶段，将全熄弧阶段分为准熄弧阶段和熄弧阶段，建立了改进的三段式电弧模型，更好地实现电弧故障预警和电弧故障检测的理论基础。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种断路器内部击穿电弧建模方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)当电弧处于预燃弧阶段时，利用Mayr电弧模型和传统时变电阻模型的加权来构建预燃弧阶段的动态电弧电阻R_y(t)，具体计算式如下：

上式中，g_p为电弧瞬时电导，G_p为电弧稳态电导，T_p为电弧时间常数，i为电弧电流，w₁、w₂为权重系数，r₀表示稳态燃弧阶段等效电阻，为一个可整定的常量，参考值取值0.5Ω，R₀为起弧前等效电阻，为一个可整定的常量，参考值取值10¹²Ω，权重系数的取值为w₂＝1-1/2^k-1，w₁＝1/2^k-1，其中k为燃弧次数；

步骤(2)当电弧处于稳态燃弧阶段时，稳态燃弧阶段等效电阻r₀始终为可整定的常量，取值0.5Ω；

步骤(3)当电弧处于全熄弧阶段时，基于Mayr电弧模型的高频特性，得到全熄弧阶段的电弧电阻R_q(t)，计算式如下：