一种配电网弧光接地故障建模分析方法
阅读说明：本技术 一种配电网弧光接地故障建模分析方法 (Modeling analysis method for arc light grounding fault of power distribution network ) 是由 李世龙 龙呈 高艺文 苏学能 杨勇波 张华� 方玉 范松海 常政威 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及电力系统保护与故障检测技术领域,特别是涉及一种配电网弧光接地故障建模分析方法,包括以下步骤：步骤1、建立故障支路的接地可变电阻模型,所述接地可变电阻模型中的接地可变电阻为故障支路上的故障点的接地电阻；步骤2、建立故障支路的短间隙击穿电弧模型,所述短间隙击穿电弧模型为故障支路上的故障点的电弧弧光电压；步骤3,将所述接地可变电阻模型和短间间隙击穿电弧模型相结合,建立适用于不同场景下基于击穿间隙与可变电阻的配电网弧光接地故障模型。本发明具有明显的零休特性且准确反应各种接地故障类型的特点,为后续提升配电网接地故障研究与模拟做出充足的理论支撑,具有较强的实用性。(The invention relates to the technical field of power system protection and fault detection, in particular to a power distribution network arc light grounding fault modeling analysis method, which comprises the following steps: step 1, establishing a grounding variable resistance model of a fault branch, wherein a grounding variable resistance in the grounding variable resistance model is a grounding resistance of a fault point on the fault branch; step 2, establishing a short-gap breakdown arc model of the fault branch, wherein the short-gap breakdown arc model is the arc light voltage of a fault point on the fault branch; and 3, combining the grounding variable resistance model with the short gap breakdown arc model to establish a power distribution network arc grounding fault model based on breakdown gaps and variable resistance under different scenes. The method has the characteristics of obvious zero-break characteristic and accurate response to various earth fault types, makes sufficient theoretical support for subsequently improving the research and simulation of the earth fault of the power distribution network, and has strong practicability.)
技术领域
本发明涉及电力系统保护与故障检测技术领域，具体涉及一种配电网弧光接地故障建模分析方法。
背景技术
配电网故障类型多样，其中单相接地故障发生概率大，接地故障发生时接地点将流过短路电流，电流越大空气介质的损伤越厉害，一旦空气被击穿，将在故障点产生电弧，又由于故障电流包含多频段正弦波，因此电弧将不断熄灭并重燃。在此过程中积累的能量若得不到有效释放，将导致电弧不断燃烧，电缆线路发生弧光接地故障时，非故障相过电压最高可至正常相电压的几十倍，最终损坏线路绝缘，引起森林火灾、电站爆炸等危险事故。因此有必要展开对配电网接地故障模型的研究，进一步掌握接地故障特征，有利于配电网线路的选线、消弧，减少人身触电、森林火灾等事故发生概率，增强配电网供电可靠性。
传统的电弧动态建模主要为：基于热平衡的Cassie和Mayr模型，不能全面体现电弧接地特性。现有的融合Cassie和Mayr模型的分段式电弧模型为代表的解析建模方法，解决了两种模型动态分配问题，具有较好的零休效应，较准确的刻画了燃弧、熄弧时刻的电弧电压、电流特性，但解析建模方法均采用的较为简单的分段线性化建模思路，无法有效表征电弧模型的非线性特征。同时对于刻画接地电阻尚未充分，未考虑高阻接地无电弧情况，另一方面上述电弧模型考虑了弧光的动态过程但均未考虑故障的发展过程，而弧光接地故障在某些情况具有一定的发展过程，因此传统的接地故障模型无法全面刻画接地故障特征。
接地故障模型的不准确大大危及电网安全高效运行，导致继保相关算法判断不准。保护装置不能及时跳开，可能导致单相接地故障沿闪络发展成相间短路、三相短路故障，严重时引起电力设备起火爆炸，造成重大财产和人员伤亡，极大的危害了电力系统的供电可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对传统的接地故障模型无法全面刻画接地故障特征，提供一种一种配电网弧光接地故障建模分析方法，全面刻画接地故障特征。
本发明通过下述技术方案实现：
一种配电网弧光接地故障建模分析方法，将故障支路视为空气击穿后产生的击穿间隙电弧与可变电阻的串联组合，包括以下步骤：
步骤1、建立故障支路的接地可变电阻模型，所述接地可变电阻模型中的接地可变电阻为故障支路上的故障点的接地电阻，且所述接地电阻可随发展过程和接地场景而变化。
首先，通过分析故障电流的扩散特性，求出基于理想情况下的故障接地电阻rf0：
其中，ρ为故障点的电阻率，R为接地点或故障点到零电位的距离，x为变量，代表接地点到零电位之间的一点；
由故障发展过程的特性，通过将理想情况下的接地电阻模型结合介质参数来建立接地可变电阻模型，所述介质参数用来表示不同场景下介质电阻的衰减情况以及介质电阻对应的接地电阻的变化情况。
所述接地可变电阻模型中的接地可变电阻rf(t)为：
其中，n为不同介质电阻衰减指数；T1为电弧击穿不同介质后到稳定燃烧需要的时间，也就是接地电阻不再发生变化时间；T1与介质材料、(环境、材料的)温度密切相关，t为电弧的发展时间。
步骤2、建立故障支路的短间隙击穿电弧模型，所述短间隙击穿电弧模型为故障支路上的故障点的电弧弧光电压，所述短间隙击穿电弧模型的发生情况包括燃弧时刻电离饱和、熄弧时刻以及弧光接地故障的自发展情况。
根据短间隙的气体放电特性，建立击穿短间隙击穿电弧模型，短间隙击穿电弧模型的电弧弧光电压uj为：
其中，sgn为符号函数，此处即为取if参数的正负；if代表故障支路的电流，与IS为一常数，一般选取为线路电压的10％，线路电压为故障支路在故障前所在的线路的电压；IS为由外电离因素引起的饱和电流，表示在极小电场强度作用下，由于空气外电离因素产生的电流，T2为不同介质从弧光接地故障发展为经电阻接地故障或无故障的时间，t为电弧的发展时间。
步骤3，通过分析短间隙的电击穿理论与接地故障发展过程，将故障支路视为空气被击穿后产生的击穿间隙电弧与可变电阻的串联组合，即将所述接地可变电阻模型和短间间隙击穿电弧模型串联结合，建立适用于不同场景下基于击穿间隙与可变电阻的配电网弧光接地故障模型。
所述配电网弧光接地故障模型的故障电压为uf：
uf＝uj+if·rf(t)；
其中，uj电弧弧光电压，if为故障支路的电流，rf(t)为接地可变电阻。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明建立的弧光接地模型精度高，该方法建立的弧光接地故障模型，具有明显的零休特性且准确反应各种接地故障类型的特点，为后续提升配电网接地故障研究与模拟做出充足的理论支撑，具有较强的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：
图1为应用于本发明的配电网燃弧模型示意图。
图2为弧光高阻接地故障仿真模型拓扑图。
图3为高阻接地故障点电弧电流波形图。
图4为高阻接地故障点电弧电压波形图。
图5为可变电阻接地故障电弧电流波形图。
图6为可变电阻接地故障电弧电压波形图。
图7为经鹅卵石接地故障电弧电流波形图。
图8为经鹅卵石弧光接地故障电阻变化图。
图9为经干草地弧光接地故障电流波形图。
图10为经干草地弧光接地故障电阻变化图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
图1为应用于本发明的配电网燃弧模型示意图。
本实施例的基本工作原理如下：
根据短间隙的电击穿理论与接地故障发展过程，将故障支路视为空气被击穿后产生的击穿间隙电弧与可变电阻的串联组合，可变电阻阻值受故障点介质密度、温度等因素的影响；
由故障发展过程的特性，可将理想的接地电阻模型修正为接地可变电阻模型：
其中，ρ为故障点的电阻率，R为接地点或故障点到零电位的距离，x为变量，代表接地点到零电位之间的某一点；n为不同介质电阻衰减指数；T1为电弧击穿不同介质后到稳定燃烧需要的时间，也就是接地电阻不再发生变化时间；T1与介质材料、(环境、材料的)温度密切相关，t为电弧的发展时间。
其中，各类型介质电阻率如表1所示。
表1常用电阻率范围
根据短间隙的气体放电特性，建立击穿间隙电弧模型：
其中，sgn为符号函数，此处即为取if参数的正负；if代表故障支路的电流，与IS为一常数，一般选取为线路电压的10％，线路电压为故障支路在故障前所在的线路的电压，IS为由外电离因素引起的饱和电流，表示在极小电场强度作用下，由于空气外电离因素产生的电流，依据线路参量确定，IS可以参考《高压线路单相弧光接地对数仿真模型数据修正算法》，编号为：DOI：10.7500/AEPS20180717008；T2为不同介质从弧光接地故障发展为经电阻接地故障或无故障等无电弧情况时间，t为电弧的发展时间。
以鹅卵石故障接地为例，推导接地故障电流if。
10kV配电网系统接地运行方式为中性点不接地方式，三相电压基本平衡，三相电源分别为即故障发生在变压器出口处，忽略线损耗。鹅卵石电阻率ρ为2000Ω·m，接地点到零电位距离R为0.078m，不同介质电阻衰减指数n为0，T1＝∞，T2＝∞。一般选取为线路电压的10％。假定电弧温度5000K，饱和电流IS＝7×10-18A。
接地可变电阻为：
击穿间隙电弧弧光电压为：
由故障点的故障电压关系式：
uf(t)＝uj(t)+if·rf(t)
得：
if≈0.35A
基于PSCAD/EMTDC仿真软件搭建仿真模型如图2所示，配电线路模型中包含2条电缆线路、1条架空线路，线路的具体参数见表2，消弧线圈的补偿度取8％，L1、L2、L3分别代表三条线路的负载。为了对比各电弧模型的特征，分别采用基于热平衡的Mayr电弧模型、Cassie电弧模型以及基于击穿间隙与可变电阻的电弧模型模拟高阻弧光接地故障。
表2架空线和电缆线参数表
故障点采用击穿间隙电弧与可变电阻模型，分别模拟故障电阻不变，且弧光一直存在和故障点得到的仿真波形如图3-6所示。
基于击穿间隙电弧与可变电阻的接地故障模型电流波形表现出非常明显的零休特性，弧光高阻故障具有明显的间歇性特征，电流零休时间较长，同时弧光高阻接地故障的电压、电流波形发生了明显的非线性畸变，充分反映了故障的发展过程。该仿真结果能够较好地反映高阻接地故障的特征，证明所研究的基于击穿间隙电弧与可变电阻的配电网弧光接地故障模型比基于热平衡的故障模型更适合于精确描述配电网高阻接地故障
在配电网真型试验场模拟真实10kV变电站经不同介质接地故障实验，采用真实电缆模拟短间隙放电环境，实验采用嵌入式电力故障录波分析装置，采样频率可达20kHz。配电网接地运行方式为中性点不接地方式，电容电流10A，三相电压基本平衡，模拟10kV母线A相线路经干草地、鹅卵石接地场景。
如图7-8所示，经鹅卵石接地故障电阻变化小，此时可用R＝3900，n＝0，T1＝∞，T2＝∞表示故障电阻，实测电流与仿真电流波形较一致。
如图9-10所示，经干草地接地故障电阻变化大，此时可用n＝4.7，T1＝0.15，T2＝∞模拟接地电阻，接地故障模型在0.25s前符合实际接地情况，满足故障消弧、选线要求。试验故障电流非线性畸变大，故障模型能有效模拟这一特征。经过仿真和试验分析，文章所提出的基于击穿间隙电弧与可变电阻的配电网接地故障模型能充分反映高阻接地故障特征，具有较强的实用性。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。