基于变步长技术的特快速瞬态过电压仿真研究

基于变步长技术的特快速瞬态过电压仿真研究

0隔离开关动态特性对于气体隔离开关设备（gis）中的隔离开关，它们被分解为具有短间距的单个字母操作。由于试验研究费时费力,仿真计算是研究VFTO的常用手段。要通过仿真研究VFTO和VFTC波形的统计特性,需要建立隔离开关操作全过程的仿真模型。目前有少量研究涉及这一问题,但是它们一般不考虑工频初始相位的随机性,也不考虑间隙击穿电压的极性、分散性为此,本文在一个252kV试验回路上,在大量试验中测量了隔离开关分/合闸过程中的电压、电流波形及触头实时开距曲线,以此能够获得隔离开关触头击穿电压随开距的变化曲线。再结合双指数型高频电弧电阻模型1试验设备和波形1.1试验装置图1、图2所示为本文所采用试验回路,包含交/直流电源U1.2隔离开关分合过程典型波形由于隔离开关的分合闸速度相对较慢,间隙在分合闸过程中发生了多次重复击穿,使得负载侧波形表现为阶梯状,其中每个阶梯代表一次击穿。图2(a)所示为合闸全过程负载侧VFTO波形,分闸波形为合闸波形在时间上的反演。将分合闸重复击穿波形中单次击穿幅值最高的阶段展开,得到单次击穿VFTO的典型波形,如图2(b)所示。图3(a)所示为隔离开关合闸过程中VFTC全波形。图3(b)所示为单次击穿的VFTC波形,其表现为围绕零值的衰减振荡。由上述试验波形分析可知,在隔离开关分合过程中,断口间隙会发生多次击穿与重燃,这就需要建立能反映重复击穿全过程的仿真模型,以使得VFTO的仿真研究更加贴近实际。还可以发现,VFTO和VFTC的波形都有一个共同特点,即在每次发生击穿时,波形产生一个暂态过程,波形变化的特征时间达到ns级。而这一暂态过程衰减结束至下一次击穿造成的暂态之间,是一个相对的稳态过程,波形变化的特征时间为ms级。这对仿真带来了一个问题,如果用ns级的时间步长,那么仿真运行时间很长,对大量仿真统计极为不利。而且其效率非常低,因为绝大部分的仿真时间花费在稳态过程中。1.3电源电压的地层差异在图2(b)所示的负载侧单次击穿VFTO波形中,起始时刻为上次击穿(如本次为合闸第一次击穿,则上次击穿是指上次分闸操作最后一次击穿)残余电荷电压。波形的振荡中心电压为电源电压瞬时值。因此二者的差值即为隔离开关断口的击穿电压。在试验研究中,采用宽频带VFTO测量系统和隔离开关开距测量系统,能够同步测量得到上述击穿电压和触头开距随时间的关系曲线,进而转化为击穿电压随开距的变化曲线,通过多次重复试验,能够得到其概率分布,如图4所示。其中,黑色和灰色点为击穿电压实测数据,正极性击穿电压略高于负极性击穿电压。黑色和灰色曲线为线性拟合结果。图4显示,在不同的触头间隙距离下,击穿电压具有分散性。2重复整个过程的模拟2.1模拟原理研究中采用的全过程仿真原理如图5所示。为解决1.2小节中所述的仿真效率问题,本文采用了变仿真步长的技术2.2电源侧电容c暂态过程模型根据仿真原理建立了稳态过程电路模型,如图6所示。其中电源侧母线(包括分支母线)、负载侧母线采用集中电容等效,隔离开关也采用集中电容等效。电源侧电容C暂态过程电路模型如图7所示。表1所示为模型中主要组件所用等效模型。其中,套管采用分段模型,每隔0.5m分为一段,每段采用π型模型等效。母线根据导体直径不同,波阻抗分为2种。电弧电阻模型采用双指数函数形式,如下式:式中:R式中:I为电流最大峰值,A;p为气压,Pa;l为触头开距,mm。2.3高频暂态仿真模型验证暂态过程的仿真结果准确与否,是全过程仿真的基础。图8为仿真与实测单次放电波形对比结果,仿真结果与实测结果比较吻合,验证了单次击穿高频暂态仿真模型的正确性。仿真隔离开关分合闸速度均为0.8m/s,没有预充直流,与试验条件一致。将仿真得到的负载侧重复击穿全过程波形与试验结果进行对比,如图9所示,分闸过程整个开关动作时间30ms,分闸重复击穿持续13ms。仿真与试验得到的波形结果十分接近,说明该仿真模型是比较合理的。2.4闸后合闸操作为在仿真中获得统计特性,需要计算模拟多次开关操作。为了充分贴近实际状况,采用先分闸后合闸为一组操作,这样保证了合闸时残余电压分布的合理性。分闸操作初始相位按照0~360°均匀分布,采用蒙特卡洛方法随机抽样产生。隔离开关断口击穿电压由函数项与随机项相加获得,函数项采用图4中公式确定,随机项由图4中分散的数据点概率分布获得。3统计特征3.1统计算法的回归分析本文采用Nadaraya-Waston方法来定量对VFTO、VFTC各特征量的概率密度函数进行估计。这是一种基于核概率密度估计方法的回归分析方法,能够得到概率密度函数的显式形式,因此在回归分析中得到广泛使用统计了波形中一些比较重要的特征参数有:上升时间,取VFTO和VFTC波形的第一个极值的10%~90%之间的时间;单次击穿幅值,取VFTO和VFTC波形中绝对值最大的点;负载VFTO的振荡系数,由式(3)所定义。式中:K3.2试验结果和仿真结果对比对比了试验结果及仿真结果的统计特性,其中,试验样本数量为147,仿真样本数量为300。图10所示为合闸操作中击穿次数的统计结果。其中仿真和试验击穿次数最大期望值均为4~5次。与此同时,分闸操作击穿次数仿真结果最大期望值为3~4次,试验结果为3次,也十分接近。图11所示为合闸电压上升时间的对比,仿真结果最大期望值为26ns,试验结果为27ns。与此同时,分闸电压上升时间仿真结果最大期望值为26.5ns,试验结果为27ns。合闸操作中VFTO波形振荡系数统计结果如图12所示,近似呈现正态分布。仿真结果最大期望值为1.571,试验结果最大期望值为1.523。与此同时,分闸仿真最大期望值为1.568,试验结果为1.526。如图13所示,合闸电流上升时间仿真结果最大期望值为9.4ns,试验结果为9.6ns。与此同时,分闸电流上升时间仿真结果最大期望值为9.5ns,试验结果为9.7ns。对每次合、分闸过程中产生的最大电压进行统计,可得到电压幅值的分布规律,如图14所示。合闸VFTO峰值仿真和试验结果的最大期望值均为0.9pu左右;分闸操作VFTO峰值仿真和试验结果的最大期望值均接近0.95pu。对每次合、分闸过程中产生的最大电流进行统计,可得到电流幅值的分布规律,如图15所示。合闸VFTC峰值仿真和试验结果的最大期望值均为0.5kA;分闸操作下VFTC峰值仿真和试验结果的最大期望值均接近0.5kA。VFTO和VFTC的统计特性仿真结果,与实测结果比较吻合,进一步验证了仿真模型和随机性模拟方法的准确性。从图12可知,电压振荡系数大约为1.55。照此估算,试验装置能够产生的极限VFTO幅值为2.1pu。而仿真的统计结果中,VFTO幅值大于2.0的概率几乎为零。试验结果中,VFTO幅值大于1.8的几率几乎为零。这说明产生极限VFTO的概率极为微小。4试验和仿真研究针对目前VFTO的试验和仿真研究中不能获得VFTO、VFTC波形的统计特性,隔离开关模型不能准确反映分/合闸过程中多次击穿过程,未考虑真实隔离开关击穿特性,计算效率不高等问题,开展了相应的试验和仿真研究。1)建立了252kVGIS试验平台,通过测量VFTO、VFTC和开距,并通过统计分析获得了隔离开关断口击穿电压与开距的变化特性。2