真空断路器瞬态恢复电压与弧后电流相互作用仿真研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)武汉大学电气工程学院 作者:舒胜文

  为进一步理解真空断路器开断过程中的电流零区现象,仿真分析了真空断路器开断短路故障和切除电容器组时瞬态恢复电压(transient recovery voltage, TRV)和弧后电流的相互作用。在PSCAD/EMTDC 中建立了基于Langmuir 探针理论的真空断路器弧后电流仿真模型,仿真结果和试验结果相符,验证了模型有效性。仿真结果表明:开断短路故障时,是否考虑弧后电流对TRV 没有明显的影响,弧后电流大小则与TRV 上升率成正比;切除电容器组时,弧后电流对起始TRV 有显著影响,但对工频恢复电压没有影响。此外,短路类型、短路点位置、短路合闸相角、系统等效电感、电容等网络参数对TRV 和弧后电流也有很大影响。研究成果有助于分析不同工况下真空断路器面临的开断考验。

  引言

  真空断路器采用真空作为灭弧和绝缘介质,具有熄弧能力强、体积小、重量轻、使用寿命长、无火灾爆炸危险、不污染环境等特点,广泛应用于40.5 kV 及以下电压等级的中压配网中。

  在真空断路器的电流开断过程中,由于真空电弧电压很小,从电流即将过零到过零瞬间,真空间隙一直充满着高电导率的电弧等离子体,从而与外电路之间没有明显的相互作用。电流过零时真空间隙中仍然存在许多残余粒子,包括电子、离子、金属蒸气和金属液滴等。电流过零后,触头间的残余电荷将在瞬态恢复电压(transient recovery voltage,TRV)的作用下发生定向移动,形成所谓的弧后电流。真空间隙随着残余粒子的不断扩散从高导电状态迅速转变成高阻状态。因此,真空电弧(如残余粒子扩散、弧后电流等)与外电路(主要为TRV)的相互作用主要发生在电流过零后。而在SF6 断路器中,气体电弧与外电路的相互作用主要发生在电流过零以前。

  由于电流零区(尤其是零后几到几十μs 内的间隙状态)是真空断路器成功开断的关键,故许多研究人员对其进行了试验和仿真研究,试图从中找到表征真空断路器开断性能的特征参数。如参文对真空断路器大电流开断过程的电流零区进行了高分辨率的参数测量。仿真方面,被采用最多的是Andrews 和Varey 提出的连续过渡模型。也有研究人员对该模型进行了一些改进,如引入二次电子发射、离子再生项等。参文根据真空断路器电流零区特性与Langmuir 探针在电气特性上的相似性建立了基于Langmuir 探针理论的弧后电流模型。该模型借助Langmuir 探针理论中的等离子体鞘、预鞘、Bohm 判据等理论,对电流零区中“TRV 起始点滞后电流零点”的现象进行了合理的解释,这是连续过渡模型无法做到的。该模型相比连续过渡模型的另一个优点是数值稳定性更好,从而更易于编程实现和移植。此外,近年来随着低温等离子体数值模拟技术的不断发展,粒子模拟、混合模拟等技术在真空断路器弧后鞘层生长和弧后电流的数值仿真方面取得了较大的进展。参文分析了弧后剩余电荷差异对双断口真空断路器TRV 分配的影响机理。

  由于真空断路器广泛被应用于不同的开断场合中,故有必要分析不同工况下真空断路器中TRV与弧后电流的相互作用,由此进一步分析它所面临的开断考验。本文首先在PSCAD/EMTDC 中对基于Langmuir 探针理论的弧后电流数学模型进行了Fortran 编程实现,并采用相关文献的试验结果对仿真结果进行了验证。然后,将该模型植入到35 kV中性点不接地系统中,分析了弧后电流对TRV 的影响,以及短路故障类型、短路点位置、短路合闸相角系统等效电感、电容等网络参数对TRV 和弧后电流的影响。最后,分析了真空断路器切除电容器组时弧后电流对TRV 和工频恢复电压的影响。

  4、结论

  1)在PSCAD/EMTDC 中建立了基于Langmuir探针理论的弧后电流模型,试验结果验证了该仿真模型的有效性。

  2)真空断路器开断短路故障时,弧后电流对TRV 几乎没有影响。对A 相断路器而言,开断三相短路(首开相)、CA 相短路和CA 相接地短路时,真空断路器面临的开断考验相对严峻。开断近区故障时,起始TRV 上升率较高,且短路电流较大,从而弧后电流值较高,不利于真空断路器的开断。此外,短路合闸相角、系统等效电感、电容等网络等值参数对TRV 和弧后电流有显著影响。其他2 相可采用相同的方法进行分析,但结论可能有所不同。

  3)真空断路器切除电容器组时,弧后电流对初始恢复电压有明显影响,但对工频恢复电压没有影响。故在计算重燃过电压时可不考虑弧后电流的影响。

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