技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力系统仿真技术领域，具体涉及一种考虑真空断路器重燃特性的建模与仿真方法。
背景技术
[0002] 真空断路器在中压领域具有无可比拟的优越性。与油断路器相比，真空断路器在开断
短路电流时不会产生喷油、排气现象，给外界带来污染；六氟化硫断路器开断电流时
电弧的高温会使六氟化硫气体分解产生有毒物质，真空断路器则无需为此担心。加上真空断路器使用过程中灭弧室无需检修，开断过程中不会产生很高压力，爆炸危险性小，所以在中压领域，真空断路器具有广泛的应用前景。然而，实际使用过程中，真空断路器灭弧能力很强，往往使电弧在电流过零前熄灭，造成截流现象。真空断路器具有很强的高频电流熄灭能力，在开断并联电容器组、并联电抗器组和高压
电动机等设备时容易产生多次重燃过
电压，对设备绝缘造成危害，甚至酿成事故。
[0003] 研究重燃过电压有实验研究和仿真研究两种方法。由于不同工作条件下
电路参数差异较大和实验条件等原因，实验研究具有很大的局限性，而仿真研究可以任意设定电路参数，在一定的简化条件下，通过
计算机程序既可以对该种情况下的过电压及其影响因素进行计算研究，也可以对过
电压保护装置及其效果进行仿真研究。此外，对
开关柜的绝缘设计、真空断路器的参数选择也有重要意义。在这个过程中，对真空断路器的开断过程中反映出来的重燃特性进行准确建模就显得尤为重要。
[0004] 据调查，真空断路器的仿真模型从20世纪70年代开始研究，然而一直没有公认的成熟的模型。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为了解决
现有技术中的上述
缺陷，提供一种考虑真空断路器重燃特性的建模与仿真方法，该建模与仿真方法可以建立较为准确的真空断路器模型，将真空断路器等效为可控
电阻，从而可以在仿真
软件中编程实现对可控电阻阻值的控制，反映真空断路器断开过程中的重燃特性。
[0006] 本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0007] 一种考虑真空断路器重燃特性的建模与仿真方法，所述建模与仿真方法包括下列步骤：
[0008] S1、将真空断路器等效为带并联支路的可控电阻，其并联支路为电阻、电感、电容或以上三者的任意组合、任意连接方式；
[0009] S2、确定真空断路器工频电流即将过零时的截流值的表达式；
[0010] S3、建立真空断路器触头间介质绝缘恢复强度模型，确定断路器断开后的介质绝缘恢复强度与时间之间的函数关系；
[0011] S4、建立真空断路器的高频电流熄灭能力模型，确定描述高频电流熄灭的要素为高频电流持续时间和高频电流过零时的电流导数，及其需要满足的条件；
[0012] S5、将断路器可能具有的状态划分为4个：断开前、暂态恢复电压过程、高频电流持续过程和完全断开，并确定各状态间的相互转换关系，其中，断开前记为state1，暂态恢复电压过程记为state2，高频电流持续过程记为state3，完全断开记为state4；
[0013] S6、通过建模实现对可控电阻阻值的控制，进行仿真。
[0014] 进一步地，所述可控电阻的阻值可以通过编程与仿真软件交互，可以在仿真过程中随仿真时间而改变，具体大小由程序输出所控制。
[0015] 进一步地，所述并联支路上的电阻、电感、电容值均为固定值。
[0016] 进一步地，所述截流值的大小在每次仿真过程中取值均设定在0A到10A之间。
[0017] 进一步地，所述建立真空断路器触头间介质绝缘恢复强度模型，确定断路器断开后的介质绝缘恢复强度与时间之间的函数关系应满足介质绝缘恢复强度先是随着时间的增加而单调增加，而后基本保持不变。
[0018] 进一步地，所述高频电流熄灭的条件为：高频电流需持续一定时间以上，高频电流过零时的电流导数小于某常数，且该常数的取值范围为1×105kA/s～10×105kA/s。
[0019] 进一步地，所述各状态间的相互转换关系包括：
[0020] 在断路器没有收到断开命令前的状态一直保持为state1，收到断开命令后的第一次电流过零时状态由state1转换为state2，记收到断开命令的时刻为t1，收到断开命令后的第一次电流过零时刻为t2，若t2—t1大于5ms，则由state1转换为state2后立即转换为state4。
[0021] 进一步地，所述各状态间的相互转换关系包括：
[0022] state2转换为state3的条件为：暂态恢复电压大于或等于介质绝缘恢复强度。
[0023] 进一步地，所述各状态间的相互转换关系包括：
[0024] state3转换为state2的条件为：通过可控电阻的电流满足高频电流熄灭条件。
[0025] 进一步地，介质绝缘恢复强度f(t)(单位：kV)与时间t(单位：ms)之间的函数关系为
[0026]
[0027] 该建模与仿真方法创新性地将真空断路器的断开过程分为4个状态，并明确4个状态之间的转换关系，通过对每个状态的可控电阻阻值进行计算，从而实现暂态仿真计算。
[0028] 本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0029] 1、传统仿真软件进行断路器断开仿真时，一般是在断开时刻前等效为一个阻值极小的电阻，断开时刻后等效为一个阻值极大的电阻，无法对真空断开过程可能出现的重燃进行仿真。本发明综合考虑了工频截流、介质绝缘恢复强度、高频电流熄灭和电弧电压等因素，从而对真空断路器断开过程的仿真较为准确。
[0030] 2、将真空断路器断开过程区分为4个状态，并明确了各状态之间的转换关系和条件，从而使得对真空断路器断开过程区分明晰，易于理解和掌握，为编程提供了便利。
[0031] 3、使用本发明可以尽可能反映真空断路器断开过程中的暂态特性，利用常规电力系统仿真软件即可实现对该过程进行仿真，可以节省仿真系统的投资，充分发挥常规电力系统仿真软件在涉及真空断路器重燃特性的电力系统暂态仿真中的作用。
附图说明
[0032] 图1是考虑真空断路器重燃特性的建模等效图；
[0033] 图2是一种典型的考虑真空断路器重燃特性的建模等效图；
[0034] 图3是对等效可控电阻进行编程控制的
流程图；
[0035] 图4是
实施例中使用的测试电路接线图；
[0036] 图5是实施例中测得的真空断路器两端电压差的
波形图。
具体实施方式
[0037] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0038] 实施例一
[0039] 本实施例公开了一种考虑真空断路器重燃特性的建模与仿真方法，将真空断路器等效为带有并联杂散参数支路的可控电阻，所述的建模和仿真方法包括以下步骤：
[0040] S1、将真空断路器等效为带并联支路的可控电阻，其并联支路为电阻、电感、电容或以上三者的任意组合、任意连接方式；
[0041] 具体实施方式中，可控电阻的阻值可以通过编程与仿真软件交互，可以在仿真过程中随仿真时间而改变，具体大小由程序输出所控制。
[0042] 具体实施方式中，并联支路上的电阻、电感、电容值均为固定值。
[0043] S2、确定真空断路器工频电流即将过零时的截流值的表达式；
[0044] 具体实施方式中，截流值的大小在每次仿真过程中取值均设定在0A到10A之间。
[0045] S3、建立真空断路器触头间介质绝缘恢复强度模型，确定断路器断开后的介质绝缘恢复强度与时间之间的函数关系；
[0046] 具体实施方式中，断路器收到断开命令后的介质绝缘恢复强度与时间之间的函数关系应满足介质绝缘恢复强度先是随着时间的增加而单调增加，而后基本保持不变。
[0047] S4、建立真空断路器的高频电流熄灭能力模型，确定描述高频电流熄灭的要素为高频电流持续时间和高频电流过零时的电流导数，及其需要满足的条件；
[0048] 具体实施方式中，所述高频电流熄灭需要满足的条件为：高频电流需持续一定时间以上，高频电流过零时的电流导数小于某常数，且该常数的取值范围为1×105kA/s～10×105kA/s。
[0049] S5、将断路器可能具有的状态划分为4个：断开前(state1)、暂态恢复电压过程(state2)、高频电流持续过程(state3)和完全断开(state4)，并确定各状态间的相互转换关系；
[0050] 具体实施方式中，所述各状态间的相互转换关系包括：
[0051] 在断路器没有收到断开命令前的状态一直保持为state1，收到断开命令后的第一次电流过零时状态由state1转换为state2。记收到断开命令的时刻为t1，收到断开命令后的第一次电流过零时刻为t2，若t2—t1大于5ms，则由state1转换为state2后立即转换为state4。
[0052] 具体实施方式中，所述各状态间的相互转换关系包括：
[0053] state2转换为state3的条件为：暂态恢复电压大于或等于介质绝缘恢复强度(暂态恢复电压是指可控电阻两端的电压差)。
[0054] state3转换为state2的条件为：通过可控电阻的电流满足高频电流熄灭条件。
[0055] S6、编写程序，通过建模实现对可控电阻阻值的控制，进行仿真。
[0056] 具体实施方式中，可控电阻在各状态中的表达式如下：
[0057]
[0058] 实施例二
[0059] 本实施例公开了一种考虑真空断路器重燃特性的建模与仿真方法的具体实施流程。
[0060] 首先，将真空断路器等效为带有并联支路的可控电阻，电路结构图如附图1。比较典型的连接方式如附图2。其中R＝50Ω,L＝50nH,C＝200pF。
[0061] 真空断路器断开时电流可能还很大，当电流继续通过时将逐渐减小，在电流小于一定程度时电弧将变得非常不稳定，在某一时刻突然熄灭。仿真中可以考虑当电流值在1A到10A间电弧被截断。实施例中设定截流值为2A。
[0062] 在真空断路器断开后，断口间将突然具有一定的介质绝缘恢复强度，而后随着时间的推移，断口间距离的增大，介质绝缘恢复强度快速增大，后趋于稳定。为简化计算，将介质绝缘恢复强度的增长看做是线性增长。现代断路器完全断开时间是几十毫秒，这里
选定为42.5毫秒。介质绝缘恢复强度f(t)(单位：kV)与时间t(单位：ms)的关系为[0063]
[0064] 在断路器断开过程中将产生高频电流，高频电流将快速衰减，在衰减到一定程度后就将熄灭。本实施例中认为真空断路器能够熄灭的高频电流需要满足两点：一是高频电流需要持续一定的时间；二是高频电流在过零时，导数足够小。在实施例中，参考实验测定的结果，选定高频电流持续时间若大于3us，且过零时导数需小于30000kV/s，则高频电流可被熄灭。
[0065] 编程时按照如附图3所示的流程图进行编程，以实现各状态之间的转换。电弧电压选定为20V，各状态中可控电阻的阻值计算公式如下：
[0066]
[0067] state2:R＝1MΩ；
[0068]
[0069] state4:R＝1MΩ；
[0070] 基于以上说明即可在专业电力系统暂态仿真软件中搭建简化电力系统，其中真空断路器用可控电阻等效。使用自定义元件编程调用C语言编写的外部文件，从而实现对可控电阻的实时控制。简化电力系统如附图4。仿真开始后系统逐渐稳定。在电流处于150°时断开断路器，使用软件提供的虚拟测量表计即可观察相应的电压、电流波形。从图5中可明显观察到真空断路器断开过程中产生的重燃现象。
[0071] 综上所述，本实施例公开的一种考虑真空断路器重燃特性的建模与仿真方法创新性地将真空断路器的断开过程分为4个状态，并明确4个状态之间的转换关系，通过对每个状态的可控电阻阻值进行计算，从而实现暂态仿真计算。
[0072] 上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
