一种GIS隔离开关高频电弧电阻模型建模方法技术

本发明专利技术涉及一种GIS隔离开关高频电弧电阻模型建模方法，该方法认为高频电弧由预击穿、燃弧和熄弧三个阶段组成；电弧电阻在预击穿阶段按指数形式减小，在燃弧阶段为稳定值，进入熄弧阶段按指数规律增大。通过SF6间隙高频电弧试验获得了稳态电弧电阻及电流峰值、气压和电弧长度对电弧电阻的影响规律，建立稳态燃弧电阻数学模型；通过GIS隔离开关带电操作试验获得电弧电阻的时变规律和参数，建立GIS隔离开关电弧电阻双指数时变数学模型；并通过对GIS隔离开关带电操作产生的特快速瞬态过电压进行仿真计算，与GIS隔离开关试验结果对比，验证了GIS隔离开关高频电弧电阻数学模型的有效性，显著提高了特快速瞬态过电压仿真计算的科学性和准确度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种建模方法，具体讲涉及一种GIS隔离开关高频电弧电阻模型建模方法。
技术介绍
气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中隔离开关带电操作产生特快速瞬态过电压(VFTO)，具有幅值高(可达3.0p.u.)、陡度大(上升时间可低至数ns)、频率丰富(从准直流到上百MHz)的特点，对超、特高压系统广泛使用的GIS及其连接的绕组类设备(变压器和电抗器等)绝缘具有重要威胁。GIS隔离开关产生VFTO过程中会出现高频电弧，高频电弧的电阻决定VFTO的衰减和结束，综合反映GIS隔离开关机械和电气特性对VFTO的影响。GIS隔离开关高频电弧电阻模拟方法是决定VFTO仿真科学性和准确性的关键。GIS隔离开关重复放电会产生高频电弧。电弧受电磁场和气流场共同作用和影响，是一个十分复杂的物理化学过程，涉及物质的组成及物性变化、可压缩流体流动、电磁场分布、能量输运等诸多问题，既是空间分布变化又是快速时变过程，其中很多参数难以获取，建立能真实反映动态变化的电弧电阻模型难度很大，求解也十分困难，高频电弧尤其如此。国内外学者虽然做了大量研究，但对于高频电弧的时变电阻尚不能准确模拟。GIS隔离开关高频电弧的试验研究未见报道，目前VFTO仿真主要采用固定电弧电阻和时变电弧电阻模型。固定电弧电阻模型表示如下：r＝R0   (1)；其中，R0表示稳态燃弧阶段电弧电阻，取为2～5Ω；时变电弧电阻模型目前普遍应用，表示如下：r(t)＝R0e-t/τ+R1   (2)；其中，R0e-t/τ表示放电起始阶段电弧电阻，R0取1012Ω，τ取1ns；R1表示稳态燃弧阶段电弧电阻，取0.5Ω。隔离开关断口击穿后电弧电阻会降至0Ω。假设隔离开关动作时，断口在0时刻开始击穿，经过击穿时延tδ后完全击穿，断口间电弧电阻在0时刻及之前为∞；从0到tδ时刻期间从∞按照某种规律减小到0Ω；tδ时刻及之后近似为0Ω上述电弧电阻变化规律可用不同形式，如双曲线形式，表示为： r = 2 z ( t δ t - 1 ) , 0 < t < t δ r = 0 , t ≥ t δ - - - ( 3 ) ; ]]>其中，z为GIS母线波阻抗；tδ为击穿时延，tδ＝(1.0～1.5)/p；p为SF6气压。GIS隔离开关中SF6气压约为0.3～0.4MPa，击穿延时约为2.5～5ns，触头表面粗糙度等因素会影响击穿时延大小，但基本在2～12ns范围。大多数试验结果表明，击穿后电弧电阻不会降为零，而且熄弧阶段还有上升的趋势，所以该模型并不准确。隔离开关高频电弧过程由预击穿、燃弧和熄弧三个阶段组成，如图1所示。预击穿阶段电弧电阻按指数形式减小，可用指数函数等效，表示为： R a ( t ) = R 0 e - t / τ 1 + r 0 - - - ( 4 ) ; ]]>其中，R0为起弧前的绝缘电阻，R0＝1012Ω；τ1为时间常数，τ1＝1ns；r0为稳态燃弧电阻，r0＝0.5Ω。t＝t1时断口完全击穿，电弧充分燃烧进入稳态燃弧阶段，电弧电阻为稳态燃弧电阻，Ra(t)＝r0＝0.5。t＝t2时电弧电流过零，外界电路不再向电弧提供能量，电弧进入熄弧阶段，若不考虑外加恢复电压，电弧电阻按照指数形式上升，可表示为： R a ( t ) = r 0 + R a 0 e t / τ 2 - - - ( 5 ) ; ]]>其中，Ra0为电弧电流过零时的电弧电阻，τ2为时间常数。t>t3时，隔离开关完全分闸，电弧电阻趋向无穷大。该模型将高频电弧电阻变化过程分为三个阶段的思路值得借鉴，但是缺乏试验依据。综上所述，固定电阻模型，采用恒定电阻模拟电弧电阻，没有反映电弧电阻的时变特性。时变电阻模型，采用指数、双曲线等模拟电弧放电阶段和熄弧电弧电阻变化，采用固定电阻模拟燃弧阶段电弧电阻，没有反映电流、气压和弧长等因素影响。所以说，目前的高频电弧电阻模型都是经验公式，比较粗糙，没有试验验证，没有反映电弧电阻影响因素，不能满足特快瞬态过电压VFTO准确仿真的要求。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种GIS隔离开关高频电弧电阻模型建模方法，本专利技术在试验的基础上提供了一种G本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GIS隔离开关高频电弧电阻模型建模方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：步骤1：构建SF6间隙高频电弧试验回路，所述间隙的距离与GIS隔离开关触头间隙距离均为厘米级，利用Marx发生器向SF6间隙放电产生高频电弧，采用光谱分析方法计算所述高频电弧的电阻值，统计分析电流幅值、气压和弧长对高频电弧电阻值的影响规律，建立稳态燃弧电阻数学模型；步骤2：构建GIS隔离开关特快速瞬态过电压试验回路，隔离开关带电操作产生高频电弧，在隔离开关触头内部安装电流传感器，采用光电方法高电位测量高频电弧的特快速瞬态电流，统计分析所述高频电弧电流的时变规律，结合稳态燃弧电阻数学模型，建立GIS隔离开关电弧电阻双指数时变数学模型。

【技术特征摘要】
1.一种GIS隔离开关高频电弧电阻模型建模方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤1：构建SF6间隙高频电弧试验回路，所述间隙的距离与GIS隔离开关触头间隙距
离均为厘米级，利用Marx发生器向SF6间隙放电产生高频电弧，采用光谱分析方法计算所述
高频电弧的电阻值，统计分析电流幅值、气压和弧长对高频电弧电阻值的影响规律，建立稳
态燃弧电阻数学模型；
步骤2：构建GIS隔离开关特快速瞬态过电压试验回路，隔离开关带电操作产生高频电
弧，在隔离开关触头内部安装电流传感器，采用光电方法高电位测量高频电弧的特快速瞬态
电流，统计分析所述高频电弧电流的时变规律，结合稳态燃弧电阻数学模型，建立GIS隔离
开关电弧电阻双指数时变数学模型。
2.如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述步骤1中，采用光谱分析法计算高
频电弧电阻，搭建分幅相机和光谱仪的高频电弧光学测量系统，利用分幅相机拍摄高频电弧
图像获得高频电弧半径，通过光谱仪测量高频电弧发射光谱得到高频电弧电导率，结合高频
电弧半径和电弧电导率计算高频电弧电阻值。
3.如权利要求2所述的建模方法，其特征在于，所述分幅相机拍摄的高频电弧图像谱线
与标准长度的汞灯图像的谱线比较，计算高频电弧半径；
高频电弧图像的谱线长度记为l1，汞灯图像的谱线长度为l2，则高频电弧通道直径d满足：
d = 10 * l 1 l 2 ( mm ) - - - ( 1 ) ; ]]>其中，高频电弧通道直径d的单位为mm；
所述光谱仪记录的高频电弧的发射光谱曲线与黑体辐射吻合，利用黑体辐射模型计算高
频电弧温度和电子密度；
高频电弧温度表示为：
T e = 480 × 6000 λ p - - - ( 2 ) ; ]]>其中：Te为高频电弧温度，单位为K；λp为光谱辐射强度峰值对应的波长，单位为nm；
高频电弧电子密度表示为：
ne＝2.7×1020×p   (3)；
其中：ne为高频电弧电子密度，单位为m－3；p为气压，单位为Pa；
利用修正的Spitzer公式计算高频电弧电导率σ：
σ = 3.11 × 10 - 2 × T e 3 / 2 ln ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈维江，李志兵，张乔根，詹花茂，李晓昂，段韶峰，颜湘莲，王浩，
申请(专利权)人：国家电网公司，中国电力科学研究院，西安交通大学，华北电力大学，
类型：发明
国别省市：北京;11