多次重燃弧VFTO的仿真隔离开关模型研究

李良书 赵宏博 杨兰均 张建革

（1. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049；2.中船重工第七一三研究所，郑州450015）

1 引言

随着电力系统的不断发展，GIS的应用越来越广泛。当隔离开关、接地开关和断路器动作时，会产生幅值较高，陡度很大，频率很高的 VFTO（特快速瞬态过电压），对电力系统一次设备和二次设备造成危害。

关于隔离开关动作引起的 VFTO问题，已经做了大量研究。不过当前采用的隔离开关仿真模型，多数未考虑隔离开关触头间击穿电压随时间的变化特性和触头间高频电弧的特性，只模拟了电源侧电压和负荷侧残余电压反向，即开关触头间电压最高情况下的一次重击穿过程，不能很好的反映开关动作过程中的 VFTO实际全波形，以及断口间波的折反射对后续重燃过电压的幅值和频率影响，可能导致更高过电压的问题。鉴于此，在一些故障的研究中，慢慢引入了多次重燃的模型来研究故障对系统的影响[1]。

在本次研究中，首先采用GXV-I光纤式电压测量系统对 1100kVGIS隔离开关进行了分合容性小电流实验[2]，测量合闸过程中负载电容上的电压波形，整个开关动作过程中VFTO的变化规律，并据此建立了反映多次重燃过程的仿真模型，对隔离开关间隙击穿、电弧熄灭、弧道电阻等仿真因素进行了初步讨论。

2 实验简介

如图1所示为本次实验的简明接线图，设备参数及选型如下。

图1 实验接线简明示意图

本次实验主要研究开关K闭合动作过程中，负载测量点处的VFTO全波形。隔离开关每极分、合闸电阻值：500±50Ω；操动机构为电动弹簧操动机构（快速机构）；分、合闸时间＜10s（含弹簧储能时间）；SF6气体额定压力：0.5mPa（20℃表压）。电压测点在GIS负载侧出线套管上，光纤式电压测量系统GXV-I测量场强：10V～100kV/cm；测量带宽：50Hz～250MHz；测量误差：≤3%；响应时间：≤4ns；波形数字采集率为125M/s，记录时间为1000ms，数据存储长度128M。本实验按照IEC-62271-102《高压交流隔离开关和接地开关》标准的相关要求，以标准中试验方式3进行，即隔离开关电流能力开合试验。

如图2所示为100kV电源电压下，隔离开关关合容性小电流时，负载电容器上电压全波形，测量设备的测量衰减倍数为50k。

图2 100kV隔离开关动作负载电容器上电压波形

从图中我们可以看出，由于隔离开关动作慢，且没有专门的灭弧装置，整个合闸过程大约持续约220ms，气体放电次数以百次记，每次击穿都伴有振荡，且整个放电过程中，VFTO幅值的最高点，并不一定在首次击穿发生的时刻。

3 多次重燃弧隔离开关模型

从实验波形，可知在隔离开关闭合的动作过程中，间隙间发生多次击穿与重燃，这就需要建立可以反映多次重燃的仿真模型，使得VFTO的仿真研究与实际更加接近。

3.1 多次重击穿的实现

在隔离开关闭合过程中，随着隔离开关触头的逐渐靠拢，触头间的电场强度逐渐增大。当触头间距离减小到一定程度时，触头间隙击穿，形成电弧。由于隔离开关触头动作缓慢，间隙的第一次击穿几乎都发生在工频电压的峰值处。间隙击穿后，电流通过电弧从电源侧流到负载侧，负载侧电压变化为电源电压，触头间的电压差近似为零，电路的工作状态发生过度。由于电路中电感、电容等遵从能量守恒原理，能量将在有限的时间内（几个微妙）重新分配，出现上升时间为微秒级的暂态过程，引起电压、电流的高频震荡。当高频电流衰减完后，电弧熄灭，电源侧与负载侧断开。负载侧由于电容的储能作用，衰减缓慢，在两次击穿的时间间隔内，可以认为是不变的，电源侧电压仍按照弦电压规律地变化着，当隔离开关触头间隙两端的电压差再次达到间隙击穿电压强度时，间隙再次被击穿，形成电弧。同时由于电压波的折反射，接下来的击穿前触头间的电压差可能高于第一次，过电压也可能比第一次高。在开关不断闭合的过程中，隔离开关触头间不断的发生着击穿重燃的过程，直到触头间距离足够近，开关触头彻底闭合，完成闭合的全过程。但是随着触头间距离渐渐缩短，总体来看，击穿电压将越来越低，过电压也随之渐渐降低。

当前 pscad、atp等电力系统常用仿真计算采用以时间步长△t为时间单位逐步求解的过程，即利用t-△t时刻的回路计算量，来求解t时刻的解，由上述分析可以达到如图3所示的闭合动作简易逻辑关系流程图。

图3 闭合动作的简易逻辑流程图

在隔离开关的仿真研究过程中，随着仿真时间的增长，开关触头逐渐靠拢，间隙击穿电压逐渐下降，每一个△t时间，检测一次间隙电压与间隙击穿电压的关系，当间隙电压小于间隙击穿电压时，间隙不能击穿，跃至下一个△t。当间隙电压大于间隙击穿电压时，间隙击穿，生成高频震荡电弧。直至高频电流震荡衰减完全，电弧熄灭，检测开关是否完全闭合，如果没有完全闭合，电弧熄灭，电路断开，跳到下一个△t，继续进行计算，如果开关已经完全闭合，隔离开关动作完成，运算结束，闭合动作完成。

隔离开关打开的物理过程类似于开关闭合的反过程，过电压随着触头间距离的增大而逐渐增加，不过由于负载容性的储能性，负载侧电压变化缓慢，触头间击穿电压的强度可能达到2p.u.，甚至更高，造成更大的开断过电压。通常VFTO的最高过电压发生在负载侧的开口端，且最大值取决于重燃时刻开关触头间的电压值[3]。

3.2 击穿模型模块

在隔离开关闭合的多次重击穿仿真过程中，模型的击穿判据极为重要，关系整个闭合的电压波形，且在整个闭合的过程中，击穿电压是不一样的。

电弧熄灭以后，间隙的再次重燃击穿有两种可能：热复燃和重击穿。热复燃由弧后电流对间隙输入的能量决定。重击穿则决定于间隙介质强度的恢复与间隙电压的相互关系。当暂态电压恢复的速度大于介质强度恢复速度时，间隙击穿，反之，间隙不击穿。根据气体放电的流柱击穿理论可以得到临界击穿的判据[4]。

根据流柱击穿理论，击穿的判据表达式可以表示为[5]：

文献[4]在前人的研究基础上，采用基于流注理论的界面击穿判据进行了相关研究。

可以得到临界击穿电压Ub的表达式式中，E为计算点的电场强度，kV/mm；Ub为气体击穿的临界电压，间隙介质所能承受的极限电压，V；ρ为气流场的计算密度，km/m3。

整个间隙的介质强度值取为最薄弱点的计算值，根据上述公式的计算结果就可以判断是否发生重击穿。

3.3 熄弧模型

电弧重燃发生后，电弧燃烧的持续时间，需要弧的熄弧判据模型来决定，这影响熄弧后隔离开关触头间的气体介质条件、下次击穿时触头间的间隙距离，触头间隙对应的击穿电压，影响下一次间隙击穿的电压峰值。

在实际隔离开关开断空载母线的过程中，由于负载为容性，当触头间隙重燃击穿时，电压波形峰值与电流波形峰值之间存在一个相位差。工频电压达到某一峰值击穿时，电流值并不在峰值，而隔离开关操作的电流幅值本身很小，高频震荡电流与工频电流叠加可能在第一个高频震荡就过零，此时 GIS中触头间的电弧并不会马上熄灭，而是要一直维持到振荡衰减完毕（约几十us）[6]。在模型构建中，需要区分清楚到底是工频过零还是高频振荡过零。

图4 电弧熄灭逻辑模块简易逻辑图

如图4所示为电弧熄灭逻辑模块简易逻辑图。I为流过隔离开关的电流，电流I流过Delay延迟模块延迟△t，相当于t-△t时刻的电流信号，对两信号进行乘法操作，如果小于零说明在步长△t时间内电流过零。如果等于零，说明两信号中至少一个为零，电流信号恰好处于零点或者断路器一直处于断开状态。由于当前电力系统仿真软件的精确程度非常高（EMTP的计算精度可以达到4位有效数字），恰好为零的概率非常小，可以忽略不计。同时对t时刻的电流和i-△t时刻的电流做差计算，并与△t做除法运算，得到电流的导数值，与K作比较，判断电流的变化速率，如果电流过零且电流变化较慢，则判定电弧熄灭，开关断开。

3.4 弧道电阻模型

文献[7]中对隔离开关的仿真模型进行了研究：分合闸电阻对降低VFTO幅值和陡度有明显作用，加入分合闸电阻比不加分合闸电阻时的最大 VFTO幅值降低了50%。陡度降低为14%，电压在1kV以上最高频率降为10%。

文献[8]中针对不同固定弧道电阻对 VFTO幅值的影响做了详细的研究。弧道电阻对VFTO仿真研究的影响非常大，图5所示为以1100kV GIS为仿真模型得到的VFTO幅值与弧道电阻的关系图。在弧道电阻较小的区间内，隔离开关弧道电阻对 VFTO幅值的影响更为明显。

图5 过电压幅值与弧道电阻的关系[8]

在考虑弧道电阻的过程中，通常只考虑了电阻的影响，采用静态电阻与动态电阻，或仅仅考虑静态电阻的方法[9]。但在实际隔离开关动作过程中，电弧从起弧到电弧逐渐变细、抖动，到熄灭，电弧是不稳定的，电弧电阻并不是固定不变的，且在隔离开关动作过程中，触头间的距离是不一样的，弧道电阻随触头间距离的不同也不同。

由于VFTO的高频特性，弧道电阻的电感特写那个不应被忽略，采用0.23uH的静态电感，采用弧道电感以后，降低了过电压的陡度，减小了过电压震荡过程中的过电压幅值[10]。在实际测量中，在开关闭合首次击穿前，由于存在断口电容和其它杂散电容，负载侧也具有一定的工频电压，如图2最左侧部分。因此在模型中需要在隔离开关断口间添加一定的电容，本次仿真研究中采用300pF的电容。

图6 隔离开关模型

鉴于此采用如图6所示的开关模型，其中K为可控开关，R为与触头间距离相关的弧道电阻，L为电弧电感，C为触头间电容，C1，C2为开关两端的对地电容。

4 仿真结果分析

综合上述模型思想建立可以实现多次重燃的开关模型，以前述实验参数为计算依据，得到 100kV电源等级下，反映整个隔离开关闭合过程的负载侧电容上的电压波形，如图7所示。

由于隔离开关慢的多，整个开关动作过程中重击穿大约持续 220ms。间隙放电击穿以后，电路导通，负载侧电压发生跳变，回路高频电弧电流持续约1.5us。负载侧由于电容的储能作用，衰减缓慢，在两次击穿的时间间隔内，可以认为是不变的，电源侧电压仍按照正弦电压规律变化，当隔离开关触

图7 100kV电压等级仿真波形

头间隙电压差再次达到间隙击穿电压强度时，间隙再次被击穿，形成电弧。由于负载电容上的电压在电弧熄灭阶段几乎不发生改变，当间隙击穿放电时跳变到电源侧电压，形成如图所示独特的“台阶”状电压波形。在整个波形区间内，“台阶”的水平宽度并不是完全相同的，而是在电压波峰处“台阶”宽，电压过零处“台阶”窄，主要是由于电源侧正弦电压波在从一个峰值向另一个峰值变化的区间过程中，变化速率由小到大再到小。电容器上电压波形在从一个区间向相反区间变化的转折点处有一段长“平台”，这是由于如果当电源电压达到峰值时，间隙电压仍没有达到击穿放电的要求，只有当电源电压向另一峰值变化到间隙击穿电压，才能再次击穿，同时由于峰值处电压的变化率最小，击穿需要一段更长的时间，表现在图形上，即为波形上一段长的“平台”。在开关触头完全闭合前的间隙的距离已经非常小，断口的击穿电压也非常小（如图5波形纵轴电压高度差），在一个周期内将发生更多的击穿。

5 结论

通过对隔离开关开断空载母线的仿真研究，得到一些有益的结论，如下：

（1）在隔离开关动作过程中，会产生“台阶”状波形，且“台阶”宽度的分布具有一定的规律。

（2）在隔离开关动作过程中，重击穿可能发生在电压波形的任何角度位置。

（3）在整个开关动作过程中，重击穿造成的VFTO最大值并不一定发生在最初的击穿时刻。

（4）在电压峰值处，电压变化慢，重击穿发生概率小，工频电压过零的位置，电压变化快，重击穿发生的概率大。

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