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EMTP在计算真空断路器开断操作过电压的应用 |
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| EMTP在计算真空断路器开断操作过电压的应用 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-23 16:54:58  |
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摘要：根据真空断路器开断并联电容器组时的操作过电压产生机理，并结合电力系统的典型电路和试验数据，使用Electromagnetic Transient Program(EMTP)建立了能模拟这种过电压的计算模型，进行仿真计算，使用方便，可靠性和准确性高。
关键词：并联电容器组 真空断路器 操作过电压 EMTP
1 引言
并联电容器组作为电网中的一种容性负荷，广泛应用于电网的无功补偿，以提高电网电压和功率因数，减小线路的损耗，但是随着电力系统负载的变化，为了调节无功，必须相应的分、合电容器组，由此可能产生的操作过电压将严重威胁并联电容器组的绝缘。虽然产生过电压的概率比较小，但是由于分合频繁，事故仍时有发生。在真空断路器投入使用后，这种情况得到改善，但是由于真空断路器开断特性和电弧特性与以往使用的断路器不尽相同，使其开断并联电容器组时所产生的操作过电压，也有了一些新的特性。因此对这种操作过电压继续进行深入研究十分必要。
2 等效计算电路
真空断路器开断并联电容器组的等效电路如图1所示。
图1 开断并联电容器组的等效电路
Ls-电源内电感；Cs-电源侧对地电容；K-真空断路器；
L-串联电抗器；R-回路损耗等效电阴；Cj-连线及
电容器对地电容之和；C-电容器的单相等值电容；
Co-电容器组中性点对地电容。
在仿真过程中，假设A相为首开相并且忽略弧道电阻，因而可以用EMTP中的来模拟真空断路器弧隙介质的重击穿(括号内为EMTP元件的名称和类型)。
3 操作过电压的计算模型
真空断路器操作过电压的仿真计算，关键在于对其分合条件的判断和仿真。由于拉普拉斯变换只适用于用手算解较小的网络，而对于大型网络的计算机解用处不大，因此EMTP的仿真计算采用的是以时间步长为∆t逐步求解的方法，用以前时刻0、∆t、2∆t，……，直到t－∆t的电流和电压来求t时刻的解，这是在设计开关模型的时候必须注意的。
(1)电弧电流过零的判断。真空断路器的高频熄弧能力很强，能在高频电流过零点熄弧，但是由于EMTP计算机理问题，在数值计算中，根据电流绝对值判断其是否过零是不适当的。可行的办法是按时间步长∆t来判断t－∆t时刻和t时刻电弧电流的正负符号变化情况，当前后两个时刻的电流方向改变时，就可断定在这个∆t内电弧电流为零。电流过零判断的TACS模型设计如图2所示：
图2 判断电流过零的计算模型
取流过断路器A相的电流信号SCA1〔CouplingtoCircuit(type91)〕为TACS的信号源，通过信号延时器〔Transdelay(type53)〕将SCA1延迟∆t，输出延迟后信号SCA2，相当于t－∆t时刻的电流信号，即可对两个时刻电流信号的正负性进行判断，在一些资料中通常采用先判断电流信号的正负性，再相加进行判断，这种方法在逻辑上比较复杂，而且使用的元件较多，不易懂，采用将两个信号相乘SCA1×SCA2〔Fortran Statement(type18)〕的方法，将得到的判断信号SCA通过信号选择器〔Fortran Statement(type18)〕输入，分别为0、1、1、0，当SCA<0，即两个时刻电流异号，电流过零时，输出电流过零判断信号ISIGNA为0，否则为1，构成逻辑判断程序。这部分程序的原理是将断路器触头间断t－∆t时刻和t时刻的电弧电流值进行正负比较，如果正负不相同(SCA<0)，说明在时间步长∆t内电流过零，电弧将熄灭，断路器断开；如果正负相同(SCA>0)，说明在时间步长∆t内电流未过零，开关仍然闭合；而对于(SCA=0)，说明两个时刻的电弧电流信号至少有一个为零，可能是所取的电流信号恰好处于零点或者断路器断开，电流一直为零，对于第二种情况，将在下面的路器分合控制模型的设计中消除，而对于第一种情况由于EMTP的计算精度可以达到小数点后第四位，因此恰好有一时刻为零的概率非常小，两个时刻都为零的概率就更小了。而且即使出现第一情况，在时间步长∆t=10－6S时，电流在下一时间步长开断，只相当于延迟10－6S开断，对过电压的仿真和求解都无影响，而且如果考虑这种情况，由于EMTP计算机理问题，会在重击穿时刻因过零判断而出现错误，引起不必要的麻烦，因此对于(SCA=0)，断路器仍然闭合。
以上是电流过零判断模型的建立，使用的元件少，并可达到预期效果，而且可用性强，对于真空断路器开断容性或感性设备都适用。
(2)重击穿的判断。开断容性设备有其特殊的熄弧和重击穿机理，为了严格起见，通常对最严峻的重击穿过电压的产生进行仿真，即认为在电弧电流过零后半个周期时，弧隙介质发生击穿，电弧重燃前的等效电路如图3所示：
图3 A相重击穿前的等效电路
此时首开电源电压Us与电容器的电压Uc均为最大值，即电源电压峰值Um，并且反相，这时断路器的恢复电压Utr=2Um最大，电源通过串联电抗器向电容器充电，电容器上将出现振荡电压。
uc=Um－2Umcosω0t
振荡角频率
同时弧隙中将出现高频电流，其值为：
附件:
当高频电流第一次过零时，电容器电压Uc恰为最大值，Uc=3Um，即出现三倍过电压，如果电弧在高频电流第一次过零时熄灭，Uc将保持3Um，此后在B、C相都会出现操作过电压，可能发生多相次的重击穿，直到弧隙介质强度很高。重击穿模型设计如图4所示：
图4 判断重击穿的计算模型
首先必须记录首开相第一次电流过零即电弧熄灭的时间T，用〔CouplingtoCircuit(type93)〕取首开相的开关状态SWSA，用
〔FortranStatement(type18)〕将.NOT.SWSA通过一个累加器〔Acccount(type65)〕产生一个保持信号HOLD，再将TACS中表示时间步长的内部信号源DELTAT通过另外一个累加器，将上面产生HOLD信号作为HOLD端的输入，即在电流没有过零时，断路器一直处于闭合状态，SWSA=1，.NOT.SWSA=0，HOLD=0，直到断路器电弧首次熄灭时刻，.NOT.SWSA=1，HOLD≥1，这时第二个累加器将停止累加，输出信号T即为第一次电弧熄灭的时间。其他两相的断路器设计与首开相基本相同，只是重击穿时间不相同，可以根据不同的需要进行设置，将TACS中表示当前计算时间的内部信号源TIMEX作为信号选择器〔InputIf(type60)〕的一个判断信号，信号选择器的三个输入信号和另外一个判断信号均采用〔FortranStatement(type18)〕生成，分别为0、1、0、T+0.01，其中T+0.01表示熄弧后半个周期(10ms)，这部分程序的原理是当TIMEX等于设置的重击穿时间T+0.01时，重击穿判断信号TSIGNA输出为1，断路器闭合，其他时间重击穿判断信号均为0，断路器断开。
(3)断路器分合控制模型。以上产生的过零判断信号ISIGNA和介质重击穿信号TSIGNA需在不同时刻输出到〔TACSswitch(type13)〕的TACS控制端，将两个信号作为信号选择器〔InputIf(type60)〕的输入信号，将开关状态信号SWSA和0作为判断信号，当SWSA≤0时，输入重击穿信号TSIGNA，当SWSA>0时，输入过零判断信号ISIGNA，这部分程序的原理是SWSA>0，即断路器处于闭合状态时，TSIGNA不起作用，当电流过零时，ISIGNA使断路器断开，仿真电弧的熄灭；SWSA≤0，即断路器断开后，ISIGNA不起作用，当到达重击穿时刻，TSIGNA使断路器闭合，仿真电弧的重燃，这样也可以避免当电流一直为零时产生的误判断。这两个信号轮流对〔TACSswitch(type13)〕控制，仿真了电弧的熄灭和重燃。
4 结论
建立计算模型的所有元件均被限定在EMTP现有功能的范围内，其准确性和稳定性可以得到保证；由于该仿真模型是针对可能出现最严
峻的过电压情况设计的，因此基于该模型计算所设计的过电压防护措施，如RC阻容吸收装置、避雷器等，均具有可靠的安全裕度
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