輸電線路高阻接地故障電弧建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)保護(hù)和控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種輸電線路高阻接地故障 電弧建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 受絕緣子閃絡(luò)、雷擊、山火等因素影響，高壓輸電線路常發(fā)生對周圍樹枝、毛竹放 電以及經(jīng)山火焰放電造成單相高阻接地故障。近年來，在我國大部分省份均有高阻接地故 障發(fā)生情況報(bào)道，高阻接地故障易導(dǎo)致差動保護(hù)、零序保護(hù)、距離保護(hù)動作延時(shí)甚至拒動 作;傳統(tǒng)基于阻抗原理的測距原理精度顯著下降；受啟動門檻的限制，基于行波原理的故障 測距及保護(hù)精度也受到了較大的挑戰(zhàn)，此外高阻接地故障發(fā)生大多伴隨電弧現(xiàn)象，容易引 發(fā)火災(zāi)，導(dǎo)致嚴(yán)重的生命和財(cái)產(chǎn)重大損失。
[0003] 實(shí)時(shí)監(jiān)測高阻故障的發(fā)生并實(shí)施保護(hù)的關(guān)鍵在于對故障電弧動態(tài)特征的分析和 掌握，其核心在于電弧的動態(tài)建模。
[0004] 最為著名的動態(tài)電弧模型為Cassie模型（1939年提出）和Mayr模型（1943年提出）， Mayr模型動態(tài)比較的是電弧瞬時(shí)功率與熱傳導(dǎo)功率的大小，而Cassie模型動態(tài)比較的是瞬 態(tài)電弧電壓與電弧穩(wěn)態(tài)電壓的大小。后續(xù)科研人員在此基礎(chǔ)上也做了進(jìn)一步的模型簡化或 實(shí)用性推導(dǎo)，比如Zeller模型、Browne T E模型，Urbanek J模型等。但是，上述電弧模型均 為微分方程表達(dá)式，數(shù)值求解中每一時(shí)刻電弧電壓都是前一時(shí)刻電弧電壓與未知參數(shù)電弧 時(shí)間常數(shù)\，電弧熱耗散功率P m等迭代計(jì)算實(shí)時(shí)得到的，導(dǎo)致了實(shí)際數(shù)值計(jì)算十分復(fù)雜。特 別是，目前的主流故障檢測和保護(hù)算法均是基于時(shí)域或頻域解析方程來實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)有的基 于微分方程的電弧模型難以直接應(yīng)用到解析方程中來。
[0005] 因此，針對高阻接地故障，目前國內(nèi)外故障分析與保護(hù)計(jì)算一般均簡單地將電弧 假設(shè)為大數(shù)值純電阻，忽視實(shí)際電弧的動態(tài)非線性以及非阻性成分，這直接導(dǎo)致了實(shí)際電 力系統(tǒng)中發(fā)生高阻接地故障時(shí)，繼電保護(hù)動作性能的延遲和失效，以及故障測距精度的不 可信。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了克服傳統(tǒng)電弧微分方程計(jì)算復(fù)雜、難以直接為故障檢測應(yīng)用 的不足，提出了一種輸電線路高阻接地故障電弧建模方法，該方法基于描述空氣放電本質(zhì) 的湯遜原理，利用大量電子的定向運(yùn)動來表達(dá)電弧電流，再利用電弧空間中電場和電子崩 運(yùn)動的耦合關(guān)系來建立電弧電壓與電流的函數(shù)關(guān)系，從而建立高阻接地故障電弧模型。
[0007] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0008] 輸電線路高阻接地故障電弧建模方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0009] 步驟(1)根據(jù)線路電壓等級設(shè)置飽和電流定值Is和基準(zhǔn)電壓定值UT，實(shí)時(shí)采集故障 電弧支路電流號if;
[0010] 步驟(2)根據(jù)線路電壓等級設(shè)置飽和電流定值Is和基準(zhǔn)電壓定值UT，取值范圍分別 為0.001A~0.1A與25V~10kV，根據(jù)如下公式計(jì)算電弧電壓ua:
[0011] Ua = Sgn(iF) . υτ1η( I if|/Is+1)
[0012] 步驟(3)設(shè)置固定接地電阻Rf，電弧電壓與固定接地電阻Rf串聯(lián)共同建立故障點(diǎn)電 壓，取值范圍為0Ω~300Ω，求得故障點(diǎn)電壓uf:
[0013] UF = Ua+RF * IF
[0014] 本發(fā)明的特點(diǎn)及效果：
[0015] 本發(fā)明直接給出了故障電弧電壓與電弧電流的解析表達(dá)式，克服了傳統(tǒng)電弧基于 微分方程表達(dá)導(dǎo)致的迭代計(jì)算復(fù)雜、難以直接為繼電保護(hù)和故障測距應(yīng)用的難題，可以直 接應(yīng)用到故障檢測分析中。同時(shí)，本發(fā)明所提模型是基于故障電弧的空氣放電物理本質(zhì)，物 理意義清晰便于理解，同時(shí)建模精度高。
【附圖說明】
[0016] 圖1為應(yīng)用本發(fā)明的輸電線路高阻接地故障示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 本發(fā)明提出的輸電線路高阻接地故障電弧建模方法，結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明 如下。
[0018] 如圖1所示，本發(fā)明方法包括以下步驟：
[0019]步驟1)應(yīng)用本發(fā)明的實(shí)施例220kV輸電線路于1.0秒發(fā)生單相高阻接地故障，設(shè)置 飽和電流定值Is = 0.05A，基準(zhǔn)電壓定值UT = 5kV，固定接地電阻RF = 80 Ω，電網(wǎng)仿真參數(shù)見 表1，線路仿真參數(shù)見表2所示。則 [0020] 表1電網(wǎng)A和B的參數(shù)
[0021]
[0022] 表2線路參數(shù)
[0023]
[0024]
[0025] 實(shí)時(shí)采集故障支路的電流信號iF，如表3所示；
[0026] 表3高阻故障支路電流信號采樣值
[0027]
[OOzbj
[0029]
[0030]
[0031]
[0032] 步驟2)計(jì)算電弧電壓ua，例如取時(shí)間t = 1.0035s時(shí)，iF= 1.154kA，計(jì)算：
[0033] ua = sgn(iF) · υτ1η( I iF|/Is+l)
[0034] =sgn( 1.154) X5Xln( 11.154 ΧΙΟ31/0.05+1 )kV;
[0035] =50.2338kV
[0036] 步驟3)如圖1所示，電弧電壓與固定接地電阻RF串聯(lián)共同建立故障點(diǎn)電壓，建立故 障支路電壓uf，例如取時(shí)間t=l .0035s時(shí)，iF=l. 154kA，計(jì)算：
[0037] UF = Ua+RF · if
[0038] = 50.2338kV+80 Ω X1.154kA，
[0039] =142.5538kV
[0040] 全部結(jié)果如表4所不：
[0041 ]表4高阻故障支路電壓計(jì)算值
[0042]
[0043」
[0044]
[0045]
[0046]
【主權(quán)項(xiàng)】
1.輸電線路高阻接地故障電弧建模方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟(1)根據(jù)線路電壓等級設(shè)置飽和電流定值Is和基準(zhǔn)電壓定值υτ，實(shí)時(shí)采集故障電弧 支路電流彳目號ip; 步驟（2)根據(jù)線路電壓等級設(shè)置飽和電流定值Is和基準(zhǔn)電壓定值UT，取值范圍分別為 0.001A~0.1A與25V~10kV，根據(jù)如下公式計(jì)算電弧電壓ua: ua = sgn(iF) · υτ1η( | ifI/Is+1) 步驟(3)設(shè)置固定接地電阻Rf，電弧電壓與固定接地電阻Rf串聯(lián)共同建立故障點(diǎn)電壓， 取值范圍為0Ω~300Ω，求得故障點(diǎn)電壓uf: UF = Ua+RF * lF〇
【專利摘要】輸電線路高阻接地故障電弧建模方法，根據(jù)線路電壓等級設(shè)置飽和電流定值IS和基準(zhǔn)電壓定值UT，采集電弧支路電流iF，根據(jù)公式ua＝sgn(iF)·UTln(|iF|/IS+1)計(jì)算得到電弧電壓ua，然后與固定接地電阻RF串聯(lián)共同建立故障點(diǎn)電壓，該方法基于描述空氣放電本質(zhì)的湯遜原理，利用大量電子的定向運(yùn)動來表達(dá)電弧電流，再利用電弧空間中電場和電子崩運(yùn)動的耦合關(guān)系來建立電弧電壓與電流的函數(shù)關(guān)系，從而建立高阻接地故障電弧模型。本發(fā)明方法充分挖掘故障電弧的空氣放電物理本質(zhì)，可以克服傳統(tǒng)電弧微分方程計(jì)算復(fù)雜、難以直接應(yīng)用的缺陷，具有計(jì)算簡便，建模精度高的優(yōu)點(diǎn)，對后續(xù)高阻接地故障保護(hù)、控制與測距技術(shù)有重要的實(shí)用價(jià)值。
【IPC分類】H02H1/00
【公開號】CN105514923
【申請?zhí)枴緾N201510836579
【發(fā)明人】王賓, 倪江
【申請人】清華大學(xué)
【公開日】2016年4月20日
【申請日】2015年11月26日