基于輸電線路單相接地故障電氣特性的仿真分析目錄TOC\o"1-3"\h\u15814基于輸電線路單相接地故障電氣特性的仿真分析 -4-106671.1弧光放電特征分析 -4-54231.2故障相電壓特性分析 -6-160591.3故障模型的搭建與仿真 -12-輸電線路發(fā)生單相接地故障的時候，會有感應(yīng)電弧出現(xiàn)在故障點，故障端電壓波形受劇烈擾動[5]。當故障為瞬時性的時候，在電弧特性的影響下，故障相端電壓波形從而受到尤為劇烈的擾動。本章分析輸電線路接地故障電弧特性和故障相端電壓，收集弧光放電動態(tài)特征數(shù)據(jù)，并根據(jù)得到的相關(guān)方程建立模型。在一個例舉中，對0.75MV輸電線路的不同性質(zhì)故障，用軟件進行計算機仿真，進行信號樣本的檢測與分析[6]。1.1弧光放電特征分析沒有可靠的接地點的故障一般為瞬時性，電弧會多次重復熄滅與點燃的過程，其故障相電壓受到劇烈擾動[7]；永久性故障是有效接地，故障電流能夠在短時間內(nèi)對地釋放，弧光放電隨之迅速結(jié)束。輸電線路單相接地故障發(fā)生的時刻到為線路配備的保護裝置動作前這段時間，系統(tǒng)電源、工作線路、與故障點存在電氣聯(lián)系的地面這三者之間連接為故障回路，輸電系統(tǒng)作為一種電氣連接，始終存在于故障點處。由于一次電弧由輸電系統(tǒng)不間斷地支持燃燒，因此，故障一次電弧的電壓幅度會很大，弧長也比較穩(wěn)定。這樣的算式可以表示一次電弧具有的動態(tài)特性： ?gp?t=(式(1.1)中，Tp、Gp、gpGp=iVplp 相關(guān)實驗表明，一次電弧的伏安特性曲線類似于磁滯特性曲線。在電弧電流介于1.4×103A~1.4×104A之間，電弧電壓Vp的平均梯度大約為1500V/m，其余的技術(shù)參數(shù)都是常量，這包括時間常數(shù)Tp與一次電弧的電弧長度lp。時間常數(shù)TTp=α?iplp 式(1.3)中，α是一個比例系數(shù)，近似于1.85×105；ip輸電線路安裝的保護裝置動作之后，進入二次電弧放電階段，此時系統(tǒng)電源和故障相失去了直接電氣聯(lián)系。支持弧光放電繼續(xù)燃燒的電源，從輸電系統(tǒng)對地相電壓改為，變?yōu)槭欠癜l(fā)生故障的相之間的耦合線電壓，故而從電壓幅值來看，二次電弧小于一次電弧，但是仍然高于電弧的重燃電壓，因而會出現(xiàn)二次電弧反復熄滅、點燃的現(xiàn)象，直至電壓降得足夠低[8]。同時，二次電弧的弧長也會隨時間推移增長，這樣，電弧的重燃電壓也會不斷增高。直至電弧的重燃電壓高于故障點的電位差，二次電弧才會完全熄滅。若故障是永久性，由于是有效接地，耦合電壓迅速釋放，所以二次電弧放電階段可以忽略。二次電弧與一次電弧差異很大，且隨時間變化的動態(tài)特性更為復雜。電弧電流極大值Is、電弧時變電導量gs、電弧比例常系數(shù)β、電弧穩(wěn)態(tài)電導量Gs、電弧電位梯度量Vs、電弧時間常量Ts、電弧持續(xù)時段t?gs?t=Gs-gsTs Gs=iVsLs(tr) Ts=βIs1.4Ls(tr) Vs=75Is-0.4V/cm 二次電弧的熄滅或者重燃的狀態(tài)取決于弧道的能量平衡狀態(tài)。若電弧消散時損失的能量少于電弧弧道導入的能量，則電弧的燃燒狀態(tài)可以保持；若電弧消散時損失的能量多于電弧弧道導入的能量，電弧才會熄滅[9]。二次電弧的重燃電壓也是隨時間動態(tài)變化的。動態(tài)電位梯度νr(tνt(tr)=h[5+1620Tehtr-Te=0(tr-Vr=νrtr×Ls(上面的三個式子中，Vr代表二次電弧的重燃電壓、Ls(二次電弧的長度一般是一個隨時間增加的動態(tài)值。其拉長的速度、方向等要素取決于風這樣的環(huán)境因素，以及電弧處離子與周圍空氣的對流。對二次電弧進行高速攝影，通過采集的實驗數(shù)據(jù)擬合風速在0~1m/s范圍內(nèi)，(1.11)為列出的電弧弧長與時間長度兩者的關(guān)系表達式。Ls(tr)L0=1(1.2故障相電壓特性分析輸電線路在兩端并聯(lián)電抗器的作用是：抵消線路上的容性無功功率、補償電路的潛供電流、抑制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的工頻過電壓以及縮短電弧的熄弧時間。下面列出線路拓撲圖，其中的中性點小電抗器采用星形接法。C0為對地電容，Cm為相間電容。輸電線路發(fā)生瞬時性單相接地故障的時候，故障相端電壓包含兩部分耦合電壓，分別由電容和電磁因素引起。圖1.1雙端均附帶星形接法并聯(lián)電抗器的輸電線路故障示意為了方便運算，可以將如上圖所示的星形接法改為環(huán)形接法，如圖所示。其中L0i是對地等效電感、Lmi是相間等效電感、i表示線路并聯(lián)電抗器組的數(shù)目。輸電線路發(fā)生瞬時性單相接地故障的時候，故障相端電壓包含兩部分耦合電壓，分別由電容和電磁因素引起。圖1.2電抗器轉(zhuǎn)換為環(huán)形接法時的輸電線路故障示意對電感做等效變換，其中Lmi是相間等效電感，L0i是相對地等效電感，i表示線路上并聯(lián)的電抗器組數(shù)目。Lmi=LiLni(3Lni+圖1.3電容因素造成的耦合電壓計算等效電路根據(jù)等效電路計算故障斷開相的電容因素造成的耦合電壓：Uy=(UB+UC)jXjX0=jXL0高壓輸電線路故障相的故障信號之中，電容因素造成的耦合電壓也想關(guān)于并聯(lián)電抗器的補償度。一般而言，采用欠補償，也就是補償電抗器補償?shù)碾姼兄敌∮谌缟嫌嬎愕贸龅腢y。若是采用全補償?shù)难a償方式，X電磁因素造成的耦合電壓，主要相關(guān)于輸電線路長度，單位長度故障線路上的電磁因素造成的耦合電壓的計算方法為：Ux=IB+ICZ式中(1.15)，I0為零序電流；Zm為單位長度線路的互感阻抗；Z0、ZUxL=Ux?l 輸電線路發(fā)生瞬時性單相接地故障的時候，故障相端電壓有效接地，此時故障相端電壓幅值與故障位置、過渡電阻RF的大小以及非故障相的負荷電流等因素相關(guān)[11]。當過渡電阻RF為零，即線路發(fā)生近乎短路的金屬性接地，此時故障相對地電容中儲存的能量因不斷放電迅速衰減至零。因而可認為，金屬性接地的永久性故障，電容耦合電壓為零，不必納入考慮，只考慮電磁耦合電壓。故障發(fā)生位置也會對故障相端電壓產(chǎn)生影響[12]。當過渡電阻RF不為零，此時故障相電容對地不會放電。這種情況下，分析故障相端電壓就要同時計入電容和電磁兩種因素造成的耦合電壓。對于長度為l的輸電線路，故障發(fā)生位置點與線路首端重合閘裝置的距離為s，線路首端電壓可以表示為：EQ\*jc2\*hps10\o\ad(\s\up9(?),U)xm=x?s (1.17)線路末端電壓可表示為：EQ\*jc2\*hps10\o\ad(\s\up9(?),U)xn=-EQ\*jc2\*hps10\o\ad(\s\up9(?),U)x?(l-s) (1.18)圖1.4電容因素造成的耦合電壓在附帶過渡電阻時的計算等效電路根據(jù)等效電路，在有過渡電阻RF時，對故障斷開相的電容因素造成的耦合電壓UUyR=IB+IC?k1+jk其中，k=UyIB+IC=X0在非金屬性的永久性單相接地故障之中，電磁因素造成的耦合電壓同時受到：過渡電阻RF由線路故障相首末端電壓表達式可以看出，當發(fā)生的故障為金屬性接地的永久性故障的時候，故障發(fā)生位置、電磁因素造成的耦合電壓這兩個因素都會對影響到故障相端電壓。當過渡電阻RF不為零，故障相電容不再對地放電，這種情況下分析故障相電壓特征時，就要同時考慮電容因素和電磁因素造成的耦合電壓。根據(jù)上述非金屬性的永久性單相接地故障發(fā)生時，電容因素造成的耦合電壓計算公式(1.19)與(1.20)可知，過渡電阻RF與電容耦合電壓在數(shù)值上呈正相關(guān)。在非金屬性的永久性單相接地故障中，過渡電阻RF和故障發(fā)生位置兩個因素同時影響電磁因素造成的耦合電壓。工程中，對并聯(lián)在輸電線路上的電抗器一般采用全補償?shù)男问剑藭r線路中的導納近似為0，分析電磁因素造成的耦合電壓的影響因素時，只需考慮過渡電阻RF。對于長度為l的輸電線路，故障發(fā)生位置與線路首端重合閘裝置的距離為s，則設(shè)a=sl，圖1.5電磁因素造成的耦合電壓在附帶過渡電阻時的計算等效電路根據(jù)等效電路圖在有過渡電阻RF時，計算斷開故障相電磁因素造成的耦合電壓UUxm=UxL[a1+Xm1=2XC0?X根據(jù)斷開故障相電磁因素造成的耦合電壓Uxm的計算公式，可知當故障發(fā)生在線路中點時，即此時a=0.5，故障點兩端的電路參數(shù)相等，兩端流過的電流幅值相等、方向相反，流過過渡電阻的電流為0，這種情況下，過渡電阻大小不會影響線路兩端的電壓，即Uxm=UxL2；當線路首端（m端）發(fā)生故障的時候，a=0，Uxm電磁耦合電壓受過渡電阻和發(fā)生故障位置兩個因素影響。輸電線路的并聯(lián)電抗器在工程上一般采用全補償?shù)姆绞?，因此線路中導納接近于零，分析電磁耦合電壓時只需考慮過渡電阻的影響。當故障點靠近線路首端，情況與電筒耦合電壓相同，過渡電阻在數(shù)值上與電磁耦合電壓在數(shù)值上呈正相關(guān)。當故障點靠近線路首端，則恰恰相反，過渡電阻在數(shù)值上與電磁耦合電壓在數(shù)值上呈正相關(guān)。1.3故障模型的搭建與仿真按照能否被安裝的配件自動修復的性質(zhì)分類，輸電線路單向接地故障可分為瞬時性和永久性兩類。根據(jù)前述理論分析，可知這兩種故障的接地電弧特性與故障相端電壓都不同。本節(jié)通過搭建輸電線路單相接地故障的仿真模型，進一步分析兩種故障在故障電氣量上的差異，從而獲得充足的樣本，作為后續(xù)識別故障的依據(jù)，以及驗證方法的數(shù)據(jù)。本文采用ATP-EMTP搭建與仿真故障電弧模型和輸電線路模型。ATP能夠有效模擬電力系統(tǒng)以及電力網(wǎng)絡(luò)暫態(tài)特性的各種情況，且具有能夠兼容多種軟件的強大拓撲功能。ATP的特點即在于，功能全、仿真貼合度高等特點，在可以轉(zhuǎn)化為電路求解的一切技術(shù)問題的計算中，諸如電力系統(tǒng)過電壓分析、絕緣配合、繼電保護模擬、諧波和電能質(zhì)量研究、高壓直流和柔性交流輸電系統(tǒng)的模擬之中得到廣泛應(yīng)用[13]。在ATP-Draw界面搭建本文提到的輸電線路故障模型。ATP-Draw是ATP中專用于處理圖像的程序。在支持多重窗口的同時提供多種編輯工具給用戶。ATP-Draw內(nèi)的LCC模塊可以非常真實地對電纜與架空線路進行模擬，同時考慮集膚效應(yīng)、頻率相關(guān)特性以及線路換位操作。另有MODELS與TACS兩個模塊用于搭建故障電弧模型。TACS模塊控制能力強大，可以提供子程序接口給各種控制模塊，從而建立諸多數(shù)學模型。輸出自系統(tǒng)模型的量值，即可作為變量輸入TACS控制系統(tǒng)，反之亦然。因而，對系統(tǒng)中各種輸入與輸出量值的控制得以實現(xiàn)。MODELS是一種用于分析時變系統(tǒng)的編程語言，靈活性強大，用戶的任意定義控制元件和電路元件的需求均能得到滿足，元件起始狀態(tài)的建立以及運行過程均能得到清洗描述。對于ATP軟件的使用有非常重要的一點，那就是初始條件的設(shè)置必須正確，可以根據(jù)科學技術(shù)經(jīng)驗人為設(shè)置，或者由計算程序利用穩(wěn)態(tài)向量求解法自行確定[14]。一次電弧時變電導的計算，可以通過在MODELS控制模塊中對電弧的數(shù)學模型的編程來完成。用電導值作為TYPE91型TACS可控電阻模塊的輸入對時變的電弧等效電阻進行模擬[15]。圖1.6一次電弧的ATP-EMPT模型與一次電弧相同，根據(jù)MODELS模塊程序的編寫，以及TAC模塊的邏輯控制構(gòu)造斷路器跳開之后的二次電弧模型。圖1.7二次電弧的ATP-EMPT模型如拓撲圖所示，搭建一條750KV的超高壓輸電線路模型。輸電線路的參數(shù)為：R1=26.63mΩ/km、R0=0.1572Ω/km、L1=0.9056mH/km、L0=1.9455mH/km、C1=0.01327μF/km、C0=0.01006μF/km、Zm=(150+j180)Ω、Zn=(150+j300)Ω、Z1m=(10+j3000)Ω、Z1n=(1+j300)Ω、Z2m=(20+j6000)Ω、Z2n=0Ω。圖1.8輸電線路模型1）運用這樣的ATP-EMPT仿真軟件，模擬輸電線路單項瞬時性接地故障，并且構(gòu)建仿真模型。再設(shè)置故障數(shù)據(jù)：故障發(fā)生于50ms時刻，兩端斷路器在100ms時刻完成保護跳閘動作。發(fā)生瞬時性故障的時候，由于電弧反復重燃，設(shè)為持續(xù)10個工頻周期(也就是0.2秒)，則電弧熄滅時間為300ms時刻，重合閘時間為800ms時刻。以A相為故障相，選取不同過渡電阻的阻值和不同的故障點進行仿真。運用ATP/EMTP軟件仿真對輸電線路的單相接地永久性故障。圖1.9瞬時性單相接地短路故障模型2）運用這樣的ATP-EMPT仿真軟件，模擬輸電線路單項永久性接地故障，并且構(gòu)建仿真模型。圖1.10永久性單相接地短路故障模型可以從圖中看出，相比于瞬時性故障，仿真模擬永久性故障電弧變化規(guī)律，只需要用到一個MODELS模塊。所有仿真均設(shè)置故障相為A相，故障發(fā)生于50ms時刻，100ms時刻兩端斷路器完成動作。并且選取不同的過渡電阻與故障發(fā)生點的組合分別進行仿真。分析仿真結(jié)果，設(shè)置不同的故障發(fā)生位置與過渡電阻值的組合，分別仿真瞬時性和永久性兩種故障。（1）線路首端與末端分別發(fā)生瞬時性的、接地電阻為50Ω的非金屬性瞬時單相接地故障與無視接地電阻的金屬性瞬時單相接地故障。左：故障相端電壓波形右：二次電弧放電階段電壓波形圖1.11輸電線路末端發(fā)生接地電阻為50Ω的瞬時非金屬性單相接地故障電壓波形左：故障相端電壓波形右：二次電弧放電階段電壓波形圖1.12輸電線路末端發(fā)生無視接地電阻的瞬時金屬性單相接地故障電壓波形左：故障相端電壓波形右：二次電弧放電階段電壓波形圖1.13輸電線路首端發(fā)生接地電阻為50Ω的瞬時非金屬性單相接地故障電壓波形左：故障相端電壓波形右：二次電弧放電階段電壓波形圖1.14輸電線路首端發(fā)生無視接地電阻的瞬時金屬性單相接地故障電壓波形（2）線路首端與末端分別發(fā)生永久性的、接地電阻為50Ω的非金屬性單相接地故障與無視接地電阻的金屬性單相接地故障。左：故障相端電壓波形右：二次電弧放電階段電壓波形圖1.15輸電線路末端發(fā)生接地電阻為50Ω的永久非金屬性單相接地故障電壓波形左：故障相端電壓波形右：