毕业论文-线路二次电弧熄灭时刻扑捉方法研究及仿真分析

湖南大学毕业设计(论文)第页HUNANUNIVERSITY毕业论文论文题目线路二次电弧熄灭时刻捕捉方法研究及仿真分析学生姓名学生学号专业班级电气工程及其自动化三班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年 5月24日目录HUNANUNIVERSITY 1线路二次电弧熄灭时刻扑捉方法研究及仿真分析 41. 绪论 51.1 课题背景 51.2 本文的工作： 62. 自适应重合闸技术的发展与现状 72.1 自适应重合闸技术的发展 72.2 自适应重合闸的分类 92.3 自适应单相重合闸的判定方法 93. 二次电弧简介与分析 103.1 概述 103.2 关于二次电弧的动态特性的分析 113.3 关于二次电弧重燃特性的一些分析 123.4 影响二次电弧熄灭的因素 134. 仿真软件ATP-EMTP简介 144.1 EMTP的历史 144.2 ATP-EMTP功能与结构简介 144.3 EMTP的计算原理 165. 二次电弧熄弧时刻的仿真与分析 185.1 故障电弧模型 185.2 仿真系统模型简介 195.3 判定二次电弧熄灭时刻的方法 215.4 二次电弧熄灭的判别 235.5 具体方案的实施办法 255.6 仿真分析 296. 总结 337. 致谢 338. 参考文献： 35

摘要：相较于传统的重合闸技术，可靠的自适应重合闸技术不仅能够提高系统供电的可靠性，并且对于保证整个的电力系统安全稳定和经济运行都有十分重要的意义。当线路发生瞬时性故障时会产生二次电弧，由于二次电弧熄灭时刻的不确定性，使用固定的重合闸时间的传统重合闸并不可靠。针对这一问题，本文提出了一种能够捕捉二次电弧熄灭时刻的自适应重合闸方案。该方案首先判定故障的类型：若为永久性故障则闭锁重合闸，若为瞬时性故障，则等待捕捉到电弧熄灭的时刻再发出重合闸信号。该方案是通过数字识别瞬时性故障与永久性故障。并通过获取线路上的实时数据来确定重合闸的时刻。首先利用零序电压来区分瞬时性故障和永久性故障。对于瞬时性故障再利用零序电压的三次谐波分量来判断电弧熄灭的时间，并发出重合闸信号。理论上，新的方法有自适应的重合闸动作时间，并且该时间不受故障的位置，系统故障前的运行状态，线路参数等因素的影响的特点。本文利用EMTP仿真计算随该方案的可行性与可靠性进行了验证，仿真结果表明该方法能够有效区分瞬时性故障和永久性故障，并在瞬时性故障时顺利捕捉到二次电弧的熄灭时刻，在恰当的时刻发出重合闸信号，增加了重合闸的成功机率提高了电力系统运行的可靠性与稳定性。关键词：自适应重合闸；二次电弧；零序电压；三次电压谐波Abstract：Comparedwiththeconventionalsingle-phasereclose,reliableadaptivereclosingtechniquecannotonlyimprovethereliabilityofthepowersystem,butalsoplayanimportantroleinsecurityandeconomicoperationofthepowersystem.Inthispaper,anewdigitalalgorithmofadaptiveauto-reclosingwhichcancapturetheextinguishedmomentsecondaryarcisproposed.Thealgorithmfirstdeterminesthetypeoffault:Ifthefaultispermanentlockoutreclosing,ifatransientfault,thenwaitforthemomenttocapturethearcisextinguishedandthensendreclosesignal.Themethodidentifiestransientfaultsandpermanentfaultsviadigitalidentification.Theproposedalgorithmdeterminesthereclosingtimebymeasuring.Thisalgorithmdistinguishesbetweentransientfaultsandpermanentfaultsbyusingthezerosequencevoltagemeasuredattherelayingpoint.Asfortransientfaults,Thisalgorithmusethethirdharmonicofthezerosequencevoltagetoevaluatingtheextinctiontimeofsecondaryarcandtoinitiatingreclosingsignal.Theproposedalgorithmusesanadaptivethresholdlevelandthereforeitsperformanceisindependenttofaultlocation,thesystempre-faultoperatingconditions,andlineparameters.Thealgorithmhasbeensuccessfullytestedbytheelectro-magnetictransientprogram(EMTP)toverifythefeasibilityandreliabilityofthealgorithm.Thetestresultshavedemonstratedvalidityofthealgorithmindeterminingthesecondaryarcextinctiontime,blockingunsuccessfulautomaticreclosingandimprovingthereliabilityandstabilityofpowersystemoperation..Keywords:adaptiveauto-reclosing;secondaryarc;zerosequencevoltage;thirdharmonicofvoltage绪论随着中国经济的不断发展，我们对能源的需求也在不断提高。作为一种清洁的二次能源，电能在经济的发展中扮演着重要角色。为适应经济发展的需要，现代电力系统结构越来越复杂，电压等级不断提高，输送容量输送能力不断增加。超高压大容量输送已经成为一种常态。这种情况下，对电力系统可靠性与稳定性的要求也越来越高。因此，保证电力系统稳定可靠的运行关系到我国的经济活动和人民的日常生活。课题背景根据数据统计，电力系统短路故障多发生在输电线路（尤其是架空输电线路），它们大概占电力系统短路故障的90%左右。而线路故障又大约80%是瞬时性故障，例如大风引起的线路碰撞，鸟类及树枝等异物造成的短路，污秽或雷击引起的绝缘子表面闪络等。这些故障发生后，线路继电保护就会快速动作切除故障线路。对于瞬时性故障，故障相切除之后，故障处的电弧熄灭，故障便会消失，线路可以重新投入运行。自动重合闸技术便是在故障消失后自动进行合闸的技术，是保证电力系统安全稳定运行的重要手段。因此在输电线路中加入自动重合闸装置，让发生故障的线路恢复正常后再次投入系统不仅可以使输电线路故障后恢复正常供电，还可以有效避免线路断路器可能发生的误碰跳闸，继电保护误判误动所造成的损失，大大提高供电系统的可靠性与稳定性。但是电力系统中还存在着永久性的故障，比如断线，绝缘子被击穿损坏，线路塔倒地，地震等自然灾害等。这些故障在继电保护动作之后仍然存在，即使重合闸动作，由于故障相会再次跳开，并不能恢复正常供电，造成重合闸失败。这样反而会由于重合于故障会给输电线路造成二次冲击，使断路器的工作环境变得更加恶劣，降低电力系统并列运行的稳定性。为了应对以上状况，解决自动重合闸可能重合于永久性故障所带来的损失，应在重合闸之前对故障性质进行判别，在发生瞬时性故障时对故障点的熄弧时刻进行扑捉，在永久性故障发生时闭锁重合闸装置，以求最大程度的保护电力系统。自适应重合闸技术有减少停电次数，提高供电可靠性，提高电力系统并列运行的稳定性，提高输电送容量，避免了重合于永久性故障所造成的二次冲击等诸多优点。通过捕捉二次电弧熄灭时刻来确定重合闸信号发出的时间是自适应重合闸技术研究的一个方向。具体办法是：当瞬时性故障发生时，继电保护动作使断路器断开，然后对二次电弧是否熄灭进行判断，待电弧熄灭后发出重合闸信号。本文的工作：本文主要完成了以下工作：区分瞬时性故障与永久性故障，研究瞬时性故障时二次电弧熄弧时刻的扑捉方法，为输电线路合闸最优时刻的确定提供参考。建立基于EMTP仿真技术的输电线路瞬时性故障仿真模型，并根据该模型，分析输电线路单相接地故障二次电弧阶段故障相端电压的信号特征。提出输电线路发生瞬时性故障时二次电弧熄弧时刻的扑捉方法，并对该方法的可行性进行仿真验证。自适应重合闸技术的发展与现状自适应重合闸技术的发展自适应重合闸技术可以说是一种改进的自动重合闸技术。早期的自动重合闸技术由于其原理简单，成本低，作为一种提高电力系统稳定运行的重要措施一直是国内外学者的研究的重点。我国是较早采用自动重合闸技术的国家之一，该技术让我国电力系统有效的避免了因瞬时性故障所造成的停电带来的损失，保证了系统的安全供电和可靠的稳定运行，并获得了可观的经济效益。但是传统的重合闸技术重合于永久性故障对系统造成的危害却并不能忽视。早期的自动重合闸技术不对故障性质进行判别，即不知道是瞬时性故障还是永久性故障就进行盲目的重合闸。这种情况下，线路可能会重合于永久性故障，对电力系统和电力设备所造成大于故障本身所造成的破坏。为了使传统的自动重合闸技术的这一缺陷得到解决，电力研究人员提出了各种方法。最初，人们把研究的方向是寻找合适的重合闸信号发出时刻。为了保证瞬时性故障发生时能够重合闸成功，而永久性故障发生时，若重合于永久性故障能时够及时地再次跳开，以往人们对重合闸时间的整定的想法是越快越好，在保证稳定性与可靠性的基础上取一段最小的时间作为重合闸信号发出的时间，以求尽可能的减少重合于永久性故障时的危害。后来，有学者发现以往的重合闸“越快越好”的观点其实是人们的一种误解。并提出了“最优的重合闸时间”的方法。该理论认为，不论对于瞬时性故障和永久性的系统故障都存在着一个最佳的重合闸时间，当重合于最佳时间时，瞬时性故障可以经过较小的波动快速回到稳定状态；而在永久性故障时，可以有效阻尼系统的摇摆，提高系统的暂态稳定极限。而在实际应用中，这种方法有效改善了重合于永久性故障时系统的稳定性，但却没有从根本上避免可能重合于永久故障时给电力系统和电气设备所带来的再次冲击。为了根本解决传统的盲目重合闸的弊端，我国有学者在上世纪八十年代自适应重合闸技术的概念。自适应重合闸与传统的自动重合的根本区别是是否对故障的性质进行判别。方便读者理解，具体如图1所示：瞬时性故障瞬时性故障重合闸线路发生故障断路器跳开判别故障重合闸永久性故障瞬时性故障永久性故障不重合闸重合闸成功断路器跳开重合闸失败图1将自动重合闸装置改进为自适应重合闸装置，其主要问题是对重合闸前的故障性质的识别，因此对自适应重合闸技术有以下要求：当断路器由继电保护动作或其他原因跳闸后，若被判定为永久性故障，则自适应重合闸不动作。由工作人员手动断开断路器，或断路器处于不正常状态而不希望重合闸时，自适应重合闸不动作。当断路器由继电保护或其他原因跳开后，被判定为瞬时性故障时，自适应重合闸应该动作。自适应重合闸动作后应能自动复位，准备好下次动作。但10kv电压以下线路，当地有值班人员时，为简化自适应重合闸的实现，也可以采用手动复位的方式。对于双侧电源的自适应重合闸，应考虑到两侧电源间的同步问题。自适应重合闸的分类自适应重合闸相对于传统的重合闸方式只是增加了对故障性质的判别。其分类，可以按照其控制断路器相数的不同分为自适应单相重合闸、自适应三相重合闸、自适应分享重合闸。本文只探讨自适应单相重合闸。自适应单相重合闸的判定方法近年来，单相自适应重合闸的方法和理论日趋成熟，奠定了实际运用的理论基础。目前典型的有电压判据方法、基于人工神经网络智能识别方法、基于电弧原理判断故障性质的判别方法等。利用耦合电压的判据：电压判据法是自适应重合闸技术已经投入到实际应用的典型方法。基本原理是考察线路故障跳闸相与正常相引起的电容耦合电压和电磁耦合电压。发生瞬时性故障时，断路器断开故障便会消除，因而电容耦合电压和电磁耦合电压会同时存在；当发生永久性故障时，由于故障一直存在，电容耦合电压对地放电到零，只剩电磁耦合电压。因此便可以判断出系统此时的故障是瞬时性故障还是永久性故障。但是当系统的末端出口处发生永久性姐弟故障时，在系统线路的对端可能会出现一段误动区域，可能会发生对永久性故障的误判，将其定性为瞬时性故障。为了解决问题，文献[6]对于这个缺陷，针对高压输电线路长距离重负荷的特点提出了“补偿电压判据”；针对与特高压的中性点带小电抗器或带并联补偿电抗器的输电线路，提出了“组合判据”的解决方案。但是以上方法均存在特殊情况下发生的误判。利用二次电弧电压特性的方法：二次电弧灭弧时间的扑捉是实现自适应重合闸的关键技术，文献[7]根据二次电弧发生时，奇次谐波的能量的百分比以及谐波的衰减速度在瞬时性故障和永久性故障这两种不同故障性质下，随时间变化的规律存在差异这一现象，提出了区别瞬时性故障与永久性故障的方法。但该方案难以确定判据使用的时间，必须在短时间内连续多次采样，并计算各次谐波幅值。另外该方法计算比较复杂，它的灵敏性还受到谐波幅值的影响。文献[8-9]介绍了一种利用谐波的含量来判定带或不带并联电抗器的线路发生的接地故障的故障的性质的方法。文献[10]通过断路器断开后二次电弧的电弧特性的分析，提出了比较不同故障发生时母线上的谐波性质，用同种类型的改进型，递归复小波的相位特性来区分故障性质，同时利用地归复小波幅值特性来辅助检测个暂态过程，进而实现自适应重合闸的方法。除以上所述两种法外，对于基于人工神经网络等数学方法的判据，对故障电压分析的基础上提出的一些判据等不再做过多介绍。本文主要探讨利用二次电弧的熄弧时刻来确定重合闸时刻的方法。二次电弧简介与分析概述当线路发生故障后，断路器断开之前存在的电弧称作一次电弧。在发生瞬时性故障时，继电保护动作，断路器断开后在故障点由于故障相与正常相的相间电容和耦合电感相互作用，故障点仍有电弧存在，此时的电弧称为二次电弧。通常情况下，二次电弧的熄灭可以通过电弧间隙，输电线路，周围环境之间的能量守恒来判定。电弧产生后，当弧柱耗散的能量大于吸收的能量时电弧便会熄灭。但实际上，瞬时性故障和永久性故障电弧的动态变化特性，持续时间等方面是有差异的。在永久性故障的情况下，电弧很快就会熄灭。而在瞬时性故障的情况下，电弧要经历燃烧-熄灭-重燃的反复过程。

关于二次电弧的动态特性的分析发生瞬时性故障时，故障相断路器跳开之前存在的电弧为一次电弧，断路器断开后并不会熄灭，而是继续存在一段时间的电弧便是二次电弧。图2a和图2b分别为一次电弧和二次电弧的电流特性。从图中可以看出，由于断路器断开，二次电弧依靠互感产生电弧电流，因而二次电弧的电弧电流要比一次电弧小得多。同时，二次电弧受到故障点的位置，故障处的环境温度，湿度，风等更为复杂的因素的影响。二次电弧在经过燃烧-熄灭-重燃的反复过程后，直到二次电弧重燃电压大于电弧电压之后，二次电弧才会最终熄灭。从图中可以看出，由于不经历重燃的过程，一次电弧的电流波形是较完美的正弦波，而二次电弧的电流波形中存在较多谐波。另外，在二次电弧期间，相对于以次电弧而言，二次电弧的电弧长度被明显的拉长。可以通过文献[11]来参考二次电弧的伏安特性，二次电弧动态特性的数学模型在后文给出。图2a图2b关于二次电弧重燃特性的一些分析电弧的重燃电压的上升速度与时间存在函数关系，电弧的重燃电压随着时间的增加不断的增加，同时，重燃电压还与电弧电流有关。它们之间的关系可以通过如下的经验公式来描述：vrtr=5+1620htr-TeVr=vrt其中，vr是电弧重新击穿时的电位梯度，Te为电弧产生到熄灭（包括暂时的和永久的熄灭）的时间，随着二次电弧存在时间的持续和电弧长度的增长二次电弧的重燃电压不断升高。因而在故障处的电弧的电压变化的过程中，当电弧电压小于电弧的重燃电压时，这时电弧电流在过零点附近，此时电弧便会熄灭；而当电弧电压大于电弧重新燃烧所需的电压时，二次电弧就会重燃；随着时间的持续，电弧重燃所需电压的不断提高，最后，电弧电压永远小于电弧的重燃电压，电弧不再重燃并彻底熄灭。二次电弧的长度是影响电弧特性的重要因素，电弧的长度主要受故障发生后，正常相的电流与故障相由于耦合作用而产生的电磁作用；弧道处的离子与周围空气间的相互对流；其它的环境因素，如湿度，温度，风等，因素的影响。影响二次电弧熄灭的因素文献[12]中利用约翰弧模型对我国晋东南到荆门高压输电线路仿真得到：并联电抗器中性点接地的方法可以有效抑制二次电弧的影响，缩短二次电弧的熄弧时间。当相间电容完全补偿时，电弧电流达到最小值，电弧电流快速熄灭。两端并联电抗器中性点接地的方法要比一端并联电抗器中性点接地，另一端直接接地的补偿效果好。电弧熄灭的时间都有随着初始弧长增加而减少的趋势。二次电弧熄灭时间随着故障距离的增加有下降的趋势。在使用悬挂绝缘子串时较大的风速可以减少电弧熄灭的时间。当绝缘子串受污染时大的风速会导致熄弧时间延长甚至无法熄弧。环境湿度，温度，气压，海拔高度也会影响二次电弧的熄灭时间。因而，二次电弧的熄灭是受复杂的多因素影响的。电力系统的线路参数，补偿情况，故障发生的位置，初始电弧长度，气象，地理条件都是影响二次电弧熄灭原因。其中风的速度和方向是影响其的主要气象因素。

仿真软件ATP-EMTP简介EMTP的历史EMTP最初是由加拿大大不列颠哥伦比亚大学的H.W.Dommel创建的，H.W.Dommel在他的博士论文中将水力学中用于流体计算的Schnyder-Bergeron法用于电压和电流的行波计算。1966年H.W.Dommel到美国邦纳维尔电力局（BPA）就职，并继续EMTP的开发。并于1968年完成了EMTP的原形。Dommel1960年从邦纳维尔电力局退职，W.S.Meyer接替他继续EMTP的开发和管理工作。1976年EMTP完成了可用于课中计算机的通用版本UTFP和E/T。1982年EMTP成立了联合开发机构DCG。第二年，EPRI加入DCG，成立了DCG/EPRI。后来，在关于EMTP的版权问题上，BPA与EPRI产生分歧，并对立化。作为美国政府机构，BPA主张无偿公开使用EMTP。而EPRI是私营性质的企业，主张占有版权，有偿使用EMTP。1984年BPA停止了EMTP的开发，W.S.Meyer着手开发ATP。1987年BPA退出了DCG。在1984年之前的十多年里，BPA主导了EMTP程序的开发的工作，并对EMTP的开发工作提供了人力和财力上的大力支持。EMTP是一个不断发展的软件，并拥有大量的资源，因而成为美国电力系统和电子电子仿真方面的工作标准。EMTP在用于个人计算机方面已发展成多种版本，比如ATP，DCG，BPA等。它们都拥有EMTP原版的大部分功能。其DCG-EMTP是有偿使用的EMTP，BPA-EMTP是最早期BPA无偿提供的EMTP版本，现在已经停止了更新。BPA的用户现在大多转用ATP。本文使用的软件为ATP。ATP-EMTP功能与结构简介EMTP软件基本的功能是用来电力系统的仿真计算，最常用也是最典型的功能是预测电力系统在经过某个扰动，比如故障或开关的投入切断等，之后研究某个被关注的变量随时间的变化规律。另外，同时利用EMTP的稳态分析与暂态分析功能，可以对电力系统的谐波进行仿真分析。此外，电力电子领域的仿真计算，EMTP软件也有很多用武之地。目前，ATP-EMTP中的数学数学模型包括了常见的电容、电感、电阻、电源、输电线路、开关等常见的电气元件之外，还包括了控制系统和用户自定义模块。控制系统可以利用TACS（控制系统暂态分析）来实现，它是一个在时间领域的仿真模块，允许不同种类的逻辑与非线性运算。控制系统的输入与输出可以与EMTP的电网络互相借口。TACS作为EMTP控制系统的模拟工具，扩展了EMTP的功能与应用。TACS提供了供电网络与控制系统的接口，控制系统利用方形结构图来表示限幅器，传递函数等控制元器件之间的相互关系，并且只要对输入的信号和输出的信号进行合适的命名，各个模块之间便能随意连接。TACS模块对模拟装置、控制系统与现象和电气网络之间进行分开求解，电气网络的输出结果可以作为同时步的TACS模块的输入值，而TACS模块的输出结果只能作为下一时步的电气网络解的输入值。网络的电流源，电压源，节电电压，开关电源，开关状态和一些内部量都可以作为TACS的输入量。而TACS的输出信号可以作为网络解的电压源或电流源，也可以作为开关通断的命令。同步发电机励磁系统的控制模拟，电力系统保护和监视设备的模拟，HVDC换流站的控制的模拟都可以通过TACS来实现。除了TACS以外，ATP-EMTP还配有灵活的描述语言MODELS（仿真语言）。MODELS语言是研究时域系统特性的一种通用描述语言，并且支持多种仿真工具。MODELS描述每个模型可以使用自由格式、无主题词的语法来限制上下文，即主要由自我引证。通过MODELS语言，ATP用户可以描述任何自定义的控制系统和电路结构，并且为其它程序或模块提供一个连接到ATPDRAW的接口。MODELS语言在ATP-EMTP中的作用可以归纳为以下几个方面：当所需电路或控制元件模型难以用ATP和TACS中的现有元件实现时，作为开发电路与控制元件模型的工具。用来描述元件是如何运行的，元件的初始状态是如何建立的。由于程序语言的灵活性因而不需要再编成级别上与ATP程序相互作用。在模拟级上，通过电压、袋内和控制信号建立与ATP标准的程序接口，不需要通过编程，用变量，公用数据区和子程序与ATP接口。这样，当ATP与外部相连时不用必须知道ATP内部是如何运行的，也不用改变ATP的源程序。本文利用了ATP-EMTP中的TACS模块进行了仿真。EMTP的计算原理EMTP对于电磁暂态过程的计算是基于梯形积分的规则，将伴随模型作为动态元件，并建立节电方程，然后再利用稀疏矩阵，LU因式分解法来对稀疏矩阵进行求解。EMTP将分布参数线路在内的，全部电力系统的元件用等值的电流源和等值电阻来代替，之后再对等值回路的节点电压方程进行求解，如图3所示。这样，从原理上来说，不管网络多么复杂，都可以用来相应的节点导纳矩阵来表示。程序本身不再受到计算网络的限制。虽然EMTP主要用于电力系统暂态过程的计算，但是通常来讲，暂态过程是电力系统稳态运行的继续。因此，为了方便暂态过程的计算，为其提供必要的初始条件，EMTP还可以进行电力系统稳定状态下的计算。在进行稳态计算时，对于网络中的非线性元件EMTP会对其进行线性化，并不会考虑元件的非线性特性。当利用EMTP进行暂态计算时，对于线性元件，程序会用其等值元件进行替代，然后再求出其等值电路节点导纳矩阵的解。而对于非线性元件，程序会对其进行分段线性化，补偿等不同的方法进行处理。在EMTP中TACS模块和MODELS分别可以模仿控制系统和非线性元件，比如电晕电弧等等。TACS采用与实际系统相似的结构，它是由控制系统中的各种模拟元件连接而成，因而可以对各种各样的控制系统进行模拟。利用TACS可以同时对电力系统的暂态过程和控制系统的暂态过程进行研究。由于没有采用迭代的方法进行求解，TACS避免了迭代法可能带来的不收敛性和解的不确定。同时TACS内部采用了一些特殊的方法来加快了计算的速度，节省了计算的时间。程序进行初始状态非零的计算时，可以通过用户输入或稳态相量解法来确定初始状态。另外，EMTP的稳态计算功能也可以为暂态计算提供初始条件。采用这种方法时，若研究的网络中含有在稳态过程中起作用的非线性元件时，该方法可能得不到正确的初始状态。这时需要考虑非线性元件的影响的基础上来对稳态过程进行计算，并以此为基础进行暂态计算，一直到达到稳定状态为止。输入数据输入数据历史项计算和构筑G矩阵旋转电机和非线性元件初始化EMTP启动编制接续表稀疏矩阵处理构筑Y矩阵稳态计算TACS初始化t=0TACS计算G矩阵更新和三角化历史项更新旋转电机和非线性元件处理开关处理输出结果计算t=t+∆tt≥Tmax?节点方程式求解支路电流计算电源计算ENDNY图3.EMTP暂态计算流程图除了进行电力系统暂态过程和稳定状态的计算，EMTP还可以用来分析雷击，开关的闭合等对称和不对称故障或扰动；利用频率扫描的方法可以计算相量网络的频率响应特性；利用谐波电流注入的方法可以进行频域的谐波分析；TACS控制系统和MODELS语言还可以用来模拟无线网络的动态系统。REF_Ref420239830\r\h二次电弧熄弧时刻的仿真与分析故障电弧模型上面已经讲过，故障电弧可以分为故障发生时产生的高电流的一次电弧和断路器断开后仍然存在的低电流的二次电弧，并且，二次电弧是靠正常相遇故障相之间的互相耦合维持的。一次电弧与二次电弧通常用公式（5.1）来描述：dgdt=1τG其中g是时变电弧电导，G是固定电弧电导，τ是给定电弧的时间常数。文献[13]中提出，电弧的固定电导可由以下公式得到：G=iu0+ri其中i是电弧电流的绝对值，u0是单位长度的电弧电压，r是单位长度的电弧电阻，l对于一次电弧而言，τ和l是恒定的，分别等于它们的初始值。而二次电弧的τ和l是随时间变化而变化的。同时，电弧的长度还受风速的影响。当风速较小时（0到1m/s之间），它们之间的关系可以用近似公式（5.4）来描述：l=10trl0其中tr是二次电弧持续的时间，l另外，时间常数τ与电弧长度l存在以下关系：τ=τ0ll其中τ0是初始时间常数，α仿真系统模型简介图4.输电线路仿真本文仿真如图4所示，图4是一条600kv，300km的单线输电线路。具体参数如下所示：R1=0.01133V/km,，B1=3.81mmho/km，X1=0.3037V/km。B两条母线的源节点阻抗为：Z1A=8∠85°Ω，故障前的负载状态数据为A与B的电压比以及他们的相位差：ρ=VA∕利用EMTP中的TACS来模拟图4所述电路的故障电弧模型，电弧的初始数据如下所示：u0=0.9kv/m，τ0=1ms，r=22mΩ/m，α=-0.5，l模拟故障分别设定为发生在输电线路A相的单相接地的瞬时性故障和永久性故障。利用图5a和图5b所示的模型对故障进行仿真，得到故障时的电压波形，结果如图6a和图6b所示。图6a中，瞬时性故障时，当t=0.1s时刻，故障发生，并产生一次电弧。在t=0.2s时刻，继电保护让断路器动作，并断开故障相。此时，故障电弧由一次电弧变为二次电弧。最后，在t3≅0.6s时刻，经过弧经的去离子，二次电弧熄灭。由于故障相与正常相之间的相互耦合，恢复电压出现直流偏移。图6b中为永久性故障的情况，t=0.1s时刻，故障发生，次电弧。在图5a.瞬时性故障仿真电路图5b.永久性故障仿真电路图6a.瞬时性故障时的电压波形图6b.永久性故障时的电压波形判定二次电弧熄灭时刻的方法新的方法通过利用测量故障后的零序电压分量来实现自适应重合闸。零序电压的时域可以通过对陈分量变换等数学方法获得。V0i=13Va其中V0i是零序电压的第i个样本，Vai，Vbi，永久性故障与瞬时性故障的判别图7a和图7b分别为永久性故障个瞬时性故障发生时零序电压的仿真波形。从图中可以看出：对于瞬时性故障，在故障发生时，二次电弧熄灭之后将会出现恢复电压的直流偏移。而对于永久性故障，由于故障一直存在将不会出现这种情况。新的算法利用这个现象，通过计算零序电压的平均值（直流偏移），来区分永久性故障与瞬时性故障。直流偏移的绝对值Mi可以通过下面公式来计算Mi=1Nn=i-N+1其中N为样本数量。图7a.永久性故障时的零序电压图7b.瞬时性故障时的零序电压通过计算可以得到，发生瞬时性故障时，二次电弧熄灭后M出现非零值，而永久性故障时，M恒为零。这一差别可以用来区分永久性故障和瞬时性故障。当M为零且保持不变时，认定为永久性故障，若M发生变化时，则认定为瞬时性故障。即fi=1Mif为1时代表瞬时性故障，0代表永久性故障。另外，需要提到的是，上述对电压的判定方法并不适用于电流。也就是说瞬时性故障和永久性故障的零序电流波形并无太大区别。这种情况我们从恢复电压会出现偏移而电流并无这种情况便可以预料到。这一现象也可以通过仿真验证，本文不再详细赘述。二次电弧熄灭的判别上面提到的方法可以有效区分瞬时性故障于永久性故障，但它并不能用来判定二次电弧熄灭的时间。这是因为在二次电弧时段，M值受到电弧性质，线路参数，线路长度等多种因素的影响。下面会讲到电弧熄灭时间的判定方法。图8a.瞬时性故障时的零序电压的三次谐波分量图8b.永久性故障时的零序电压的三次谐波分量通过对瞬时性故障的非线性特性引起的电弧电压的畸变和零序电压的谐波进行分析发现，三次谐波较其它次谐波在二次电弧熄灭前后发生明显的变化。图8a与图8b分别为瞬时性故障与永久性发生时零序电压的三次谐波分量波形图。故障设定为0.1s时刻故障发生，0.2s时刻断路器断开。对于瞬时性故障，在0.6s时刻二次电弧熄灭。从图中可以看出，瞬时性故障时，0.2s断路器断开后，零序电压的三次谐波分量经历一次突变后缓慢上升，在二次电弧熄灭后突变为零。因而，可以利用零序电压的三次谐波来作为判定电弧熄灭的重要参数。三次谐波可以用离散的傅立叶变换来描述：V30i=2V30i=V在获取零序电压的三次谐波之后，当前时步的值与上一时步的值相累加，得到一个累加信号Wk=Δtn=1Δt为采样时间间隔图图4.单相接地故障时W与V3将V30和W的计算值进行对比发现，可以得到在二次电弧期间，V30是大于W的，而电弧熄灭以后，V30小于ei=1Wi≥因而可以通过e的变化来判断电弧是否熄灭。具体方案的实施办法新算法利用EMTP中的TACS仿真，详见图9：图9图9.该方法的仿真框图该算法的信号逻辑图如图10所示，AND#1的作用是为了防止正常操作以及断路器动作前所产生的零序电压的影响。当继电器检测到故障或断路器动作时，AND#1的输出值将变为‘1’。AND#1的输出结果要经过3个周期的循环来克服断路器动作所产生的扰动。这样只有继电器检测处于高电平且故障电流变小时间超过60ms（三个循环）时，该算法才会启动。需要指出的是，这种方法动作的速度不受特定的时间的影响。当发生永久性故障时将不会有重合闸信号发出。而发生瞬时性故障时，由于二次电弧的影响，则可能要持续数个周期。通过公式（5.12），不断地比较W和V30的值来产生信号‘e’。当断路器动作，并且故障被清除时AND#2的输出结果变为‘1’，当二次电弧彻底熄灭时‘e’的输出变为‘从理论上讲，为了获得用于区分瞬时性故障和永久性故障的信号‘f’，M应该和‘0’相比较。但实际上，为了预防永久性故障时零序电压的小扰动，M和一个极小值ε比较。在本文所用的400KV的仿真中，ε被设定为40V。更多的案例研究表明，ε的设定值达到400V甚至更高时并不影响该方法的正常工作。这是因为在瞬时性故障当中，电弧熄灭之后的M值远远高于系统正常电压的千分之一。因而确定固定的ε值并没有太多的意义，甚至可以不用考虑ε的整定。根据上文描述，当发生瞬时性故障时，‘f’的值为‘1’。这样，经过AND#2，‘e’值不发生改变并被传送到S。而当发生永久性故障时，‘f’的值为‘0’，AND#2，的输出结果也为‘0’，不改变S的状态，因而重合闸不动作。由于零序电压的三次谐波（V30）的小扰动可能会使S的状态发生交替变化。为了解决这个问题，S信号在作为合闸信号之前被输入到一个RS触发器之上，她的真指表如表1所示。我们可以从表1看出RS触发器，实际上是被用作了一个锁存器。如图11所示故障发生后的三个循环之后，R的状态是‘0’，因为S也是‘0’状态，Q的最终输出结果不变。当S的状态发生第一次改变时，锁存器将会被重置，输出Q的状态变为‘1’。之后，由于R一直为‘0’，S之后的变化将不会对RS触发器比较器≥比较器RS触发器比较器≥比较器≥3个循环图图10.重合闸信号的逻辑图RSQ动作00上一状态不变011置数100重置11？禁止表表1.触发器的真值表图11.图11.瞬时性故障是逻辑电路的状态变化利用本文所讲的故障模型对这种方法进行仿真验证，结果如图12所示。从仿真结果可以看出，当二次电弧熄灭时，Q的状态变为‘1’，发出重合闸信号。而当发生永久性故障时，Q的状态不变，不进行重合闸。为了进一步验证该算法的可行性，对一条144.4km的输电线路进行了仿真，设定A相在距离端口36.1km处单相接地故障。图13的结果表明该方法可以正确判定电弧熄灭的时间而不需要设定固定的动作时间。图14表明在瞬时性故障和永久性故障的情况下，该方法均能正确运行。图图12.瞬时性故障与永久性故障情况下的重合闸信号a．瞬时性故障b.永久性故障仿真分析该算法已经经过不同故障情况的仿真验证，为了简洁起见，将图2所示的测试模型在不同位置发生故障的情况列在表2。在表2中Tq是二次电弧熄灭的时刻，Tr是重合闸信号发出的时间，Δt是他们两个的差值。在所有的案例中，故障发生在t1=100ms时刻，断路器在t2=200ms从表2可以看出，二次电弧的熄弧时间受到故障位置以及操作条件的影响。尽管电弧熄灭的时间不是固定的。但是当故障发生在靠近在输电线路末端的位置时，电弧将会燃烧更长时间，二次电弧的熄灭也将会更久。但是，不管在什么情况下，该算法能够在8ms以内判断出二次电弧的熄灭。图图13.单相接地故障时W与V3图14图14.瞬时性故障与永久性故障情况下的重合闸信号a．瞬时性故障b.永久性故障负载角（δ°故障位置/km电弧熄灭时间Tq/ms重合闸时间Tr，ms时间差,msΔ-320804.05812.5580525100743.72751.537.8200742.78750.37.525300811.28819.227.95-160793.03801.538.511100753.03760.787.75200752.55760.087.525300801.55809.55800791.88800.358.51100752.74760.037.55200752.33759.787.45300801.83809.888.05160800.63809.258.62100751.7759.337.625200752.05759.587.525300802.08810.138.05320809.53710.138.58100750.88758.657.775200731.95739.337.375300802.3810.287.975表表2.不同位置故障的仿真数据

总结本文介绍了一种基于零序电压分量的新的自适应重合闸的方法。通过确定零序电压的值在瞬时性故障的情况下会出现偏移，来区分瞬时性故障和永久性故障。对于瞬时性故障，通过二次电弧熄灭前后电压的三次谐波分