基于动态重燃弧模型的VFTO与VFTC仿真及特性分析

李振华，廖星锐，童 悦，陈小雪

基于动态重燃弧模型的VFTO与VFTC仿真及特性分析

李振华1，廖星锐1，童 悦2，陈小雪3

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002；2.中国电力科学研究院有限公司，湖北 武汉 430074；3.国网武汉供电公司，湖北 武汉 430000)

为了准确分析高压开关设备操作过程中的高频、高幅值电磁干扰问题，提出了一种基于动态重燃弧模型的建模方法。利用ATP-EMTP软件建模比较了不同电弧模型下的仿真效果，探讨了燃弧电阻、线路长度、击穿延时、断口电容及燃弧电感等5种因素对仿真结果的影响规律。同时，搭建了隔离开关分合容性小电流实验线路。通过对比仿真和实测数据发现：与传统模型相比，动态重燃弧模型下暂态电压和暂态电流峰值的仿真和实测之间误差分别降低了0.64%和13.94%，且波形特征参数均在实测数据的变化范围内。表明该模型能够更准确地反映开关分合时的暂态过程，对提高开关动作过程中暂态电压和暂态电流的仿真计算精度具有重要意义。

敞开式隔离开关；电弧模型；ATP-EMTP；暂态电压；暂态电流

0 引言

随着人们对能源短缺及气候环境等问题的日渐关注，智能电网、微电网以及一系列相关技术正蓬勃发展[1-5]，电力系统的安全稳定运行也受到越来越多的重视[6-8]。高压断路器和隔离开关(disconnecting switch, DS)是电气设备的重要保护装置，同时也是变电站中常见的电磁干扰源[9]。由于隔离开关内部无灭弧装置，且操作速度与断路器相比较慢，因此其造成的电磁干扰更为严重。在隔离开关切合容性小电流时，开关间隙会发生多次的电弧重燃和熄灭现象，形成高幅值、高陡度、高频率的特快速暂态过电压(very fast transient overvoltage, VFTO)和暂态电流(very fast transient current, VFTC)，对电力系统造成严重影响[10-12]。由于该现象机理复杂且影响因素众多，因此难以通过测量和试验的方法对其进行有效的分析。于是，数值仿真便逐渐成为研究VFTO、VFTC特性的重要方法[13]。

仿真结果的精度在很大程度上取决于能否准确模拟开关操作过程中产生的高频电弧[14]，常用的电弧模型按照电弧燃烧次数可大致分为单次电弧模型和多次重燃弧模型两大类。其中，单次电弧模型主要包括静态电阻模型、单指数电阻模型、双曲线电阻模型等。文献[15]提出了一种分段电弧模型，该模型描述了电弧从预击穿阶段、燃弧阶段到熄弧阶段的完整过程。文献[16]在此基础上考虑了恢复电压对仿真的影响，进一步提出了动态电弧模型，并以实测数据对其进行了验证，结果表明该模型在气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear, GIS)中具有正确性；但是模型中对某些参数的定义存在着一些局限性，故该模型在敞开式开关设备(air insulated switchgear, AIS)中的适用性还有待考量。此外，由于单次电弧模型无法对开关操作过程中电弧发生的多次重燃和熄灭现象进行模拟，文献[17]提出了一种由重击穿模块、熄弧模块和开关控制模块构成的多次重燃弧模型，但是该模型是通过控制一个理想开关的开合来模拟电弧的燃烧和熄灭，并没有考虑该过程中的弧阻变化。

本文考虑到弧阻在仿真计算中的连续性变化问题，结合AIS隔离开关的实际情况对文献[16]中的动态电弧模型进行了调整，并将修正后的动态电弧模型与重燃弧判据、熄弧判据相结合，构成了动态重燃弧模型，通过对比分析仿真和实测结果，对该模型进行了验证。同时，考虑到现有的研究大多注重VFTO特性，而对VFTC的特征分析较少，所以本文分别探讨了燃弧电阻、线路长度、击穿延时、断口电容和燃弧电感等模型参数对VFTO及VFTC特性的影响。

1 单次电弧模型

单次电弧模型是研究多次重燃弧模型的基础。在常见的单次电弧模型中，静态电阻模型以一个定值电阻来等效稳态燃弧时的弧道电阻。单指数电阻模型和双曲线电阻模型虽然考虑到了开关间隙被击穿后的弧阻骤跌过程，但忽略了电弧熄灭时弧阻的恢复上升阶段。为了模拟电弧从起弧到熄灭这一完整过程中的弧阻变化，本节着重介绍分段电弧模型和动态电弧模型。

1.1 分段电弧模型

图1 分段电弧模型的弧阻变化曲线

对式(2)进行求解可得

1.2 动态电弧模型

图2 GIS中隔离开关的燃弧等效电路

此外，由于AIS的母线与架空线路均暴露在空气中，其波阻抗的数值不会同GIS封闭母线那样受套管半径的影响，故考虑采用架空线路的波阻抗近似代替AIS母线波阻抗，再结合隔离开关自身导杆波阻抗的影响，参照图2作出AIS隔离开关的燃弧等效电路如图3所示。此时，电弧电流可表示为

式中：、分别为电源侧和负载侧的线路波阻抗；为隔离开关动静触头间的导杆波阻抗。

2 多次重燃弧模型

多次重燃弧模型主要由重燃判据、单次电弧模型以及熄弧判据三部分组成。目前，针对电弧重燃现象有两种较为主流的理论，分别为气体电介质理论和能量平衡理论。前者主张电弧的起弧主要是施加于间隙的电压大于击穿电压而造成的，因此，在电流过零后，如果介质恢复强度始终高于弧隙恢复电压，电弧就会进入熄弧阶段；能量平衡理论则认为，触头间隙在电流过零后仍然是具有一定电导的导体，在恢复电压的作用下会产生弧后电流[21]，而只有当注入弧隙的能量小于其损失的能量时，电弧才会趋于熄灭。上述两种理论均与实验结论有较好的适配度，本文以电介质理论为依据建立燃弧判据，以能量平衡理论为依据建立熄弧判据。

2.1 重燃判据

2.2 熄弧判据

图4 熄弧判据逻辑图

2.3 动态重燃弧模型

3 电弧模型验证

3.1 现场实验

本文通过110 kV AIS隔离开关分合容性小电流实验，获取了开关操作过程中暂态电压、电流的实测信号，可为后期的模型验证提供参考依据。实验线路如图6所示。

图5 重燃弧仿真计算流程图

图6 110 kV AIS隔离开关分合容性小电流实验接线图

由表1可知，暂态过电压的最大幅值为1.362 p.u.，上升时间分布在730~860 ns内,最高陡度达到了1.368 p.u./ms；暂态电流的最大幅值为1462.50 A，上升时间主要集中在400 ns附近，最高陡度可达3.672 kA/ms，符合暂态电压和暂态电流的高幅值、高陡度等特点。

图7 实测宏观波形

图8 实测单个脉冲微观波形

表1 实测电压、电流波形的特征参数统计

3.2 仿真模型对比与分析

结合第1节中对动态电弧模型的分析与修改，考虑在电弧的预击穿阶段、燃弧阶段及熄弧阶段分别采用式(11)所示的修正双曲线模型、定值电阻模型及式(8)所示的改进Mayr模型，从而构成动态电弧模型。为了检验该模型能否适用于AIS，本节依照3.1节中的实验线路搭建了相应的仿真主电路，并把重燃判据和熄弧判据依次与静态电阻模型、分段电弧模型和动态电弧模型相结合，分别构成静态重燃弧模型、分段重燃弧模型和动态重燃弧模型，将三者用于同一个仿真主电路中对开关操作时的暂态过程进行模拟，并对比了其仿真结果。仿真时关键设备的等效模型参数见表2。

表2 主要设备的等效模型参数

上述3个模型的仿真宏观电压及电流波形较为相似，因此仅以动态重燃弧模型的仿真结果为例，其波形如图9所示。

图9 仿真宏观波形

从图9可以看出，仿真过程中发生了多次的重击穿，产生了高幅值的过电压和电流，整体上与实测波形较为接近，能够反映开关操作过程中发生的多次重击穿和熄弧现象，从而初步证明重燃弧判据及熄弧判据的有效性。

为了分析比较3种模型的效果，对各模型下的仿真波形特征参数进行统计如表3所示。

表3 仿真电压、电流波形的特征参数统计

从表3中可以看出，3个模型的电压峰值分别为1.355 p.u.、1.345 p.u.和1.347 p.u.，均在实验所测得的电压峰值范围内(1.153~1.362 p.u.)，其中静态重燃弧模型下电压的上升时间相比其他两个模型较短，且与实测数据的差异较大。在电流方面，静态重燃弧模型和分段重燃弧模型的电流峰值均超过了1500 A，略高于实测数据，且电流上升时间缩短到了350 ns以下。也就是说，静态重燃弧模型和分段电弧模型的电压及电流陡度均高于动态重燃弧模型下的相应仿真数据，分析其原因，是由于静态重燃弧模型过于简单，完全没有考虑击穿时弧阻的下降过程，而分段重燃弧模型则可能是忽略了预击穿阶段击穿延时所产生的影响。此外，这两种模型下暂态电流的持续时间均大于动态重燃弧模型所对应的仿真结果，且分段电弧模型的这一参数甚至达到了20ms以上，可能是因为分段电弧模型在熄弧阶段采用的是Mayr原始数学模型，其散热功率和时间常数都是固定值，而这与实际情况不太相符，所以造成了这种差异。

相较而言，动态重燃弧模型的各特征参数与实测数据基本吻合，单个脉冲微观电流波形如图10所示，该模型下暂态电流的单个脉冲波形的杂乱程度较低，与实测波形更为相似。因此，从时域的角度来说，修正后的动态电弧模型在AIS中具有适用性。

图10 VFTC单脉冲微观波形

在频域方面，3种模型下的VFTO仿真波形及实测波形的频谱图如图11所示。隔离开关负载侧VFTO的频率主要分布在50 kHz~1 MHz，这些高频信号通常是电压行波在经过波阻抗不同的线路时，发生了折、反射并不断叠加而产生的。对比3种模型的VFTO频谱，动态重燃弧模型的主频分量幅值高于其他两种模型，且与实测波形的频谱相似度更高。可能是因为动态重燃弧模型的弧阻在预击穿阶段以双曲线形式下降，变化速度更快，产生的振荡更为剧烈，能够较好地反映实际情况。

图11 各模型仿真VFTO与实测VFTO频谱

4 仿真影响因素分析

隔离开关分合容性小电流的仿真波形会受到多种因素的影响，如燃弧电阻、线路长度、击穿延时、断口电容及燃弧电感等[25-26]，本节将分别讨论各参数对仿真结果的影响。

4.1 燃弧电阻的影响

由前文可知，稳定期的燃弧电阻一般为0.5~ 5W，现保持其他参数不变，在该范围内每隔0.5W取一次稳态燃弧电阻的阻值，对不同取值下的模型进行仿真，得到各个特征参数如表4所示。

表4 燃弧电阻对波形特征参数的影响

从表4中可以看出，随着燃弧电阻的上升，VFTO和VFTC的峰值逐步降低，上升时间基本无变化，但电弧持续时间明显缩短。原因在于弧道电阻在VFTO、VFTC的传播过程中起到了阻碍作用，因此不仅使其峰值下降，还加快了高频振荡的衰减速度，导致持续时间减少。

4.2 线路长度的影响

支路长度也是影响VFTO、VTFC的重要因素之一，在某些情况下，母线长度很小的改变都可引起节点电压的巨大变化[27]。现将线路长度在原基础上依次增加5%，直至延长部分达到原长度的30%，对不同线路长度下的模型进行仿真，得到各个特征参数如表5所示。

表5 线路长度对波形特征参数的影响

从表5中可以看出，随着线路长度的增加，VFTO的峰值逐渐升高，而VFTC的峰值呈现出下降的趋势；同时，VFTO、VFTC的上升时间以及电弧的持续时间均有所延长。这是由于当线路延长时，其等效电感增大，电流的波前陡度受电感影响而变缓，完成衰减所耗费的时间也因此延长；同时，随着线路长度的增加，电压波形的振荡幅度增大，所以VFTO的峰值有所升高。

4.3 击穿延时的影响

由前文的分析可知，击穿延时在37.7~139.6 ns之内。现保持其他参数不变，在35~140 ns内每间隔15 ns取一次击穿延时的数值并进行仿真，得到各个特征参数如表6所示。

表6 击穿延时对波形特征参数的影响

从表6中可以看出，当击穿延时变长时，VFTO、VFTC的上升时间均有所延长，且峰值也都呈下降趋势，但对持续时间的影响并没有体现出一定的规律性。原因在于击穿延时是作用于电弧预击穿阶段的参数，该阶段的波前陡度会随其数值增加而逐渐平缓，因此暂态电压和暂态电流的峰值降低、上升时间延长，而持续时间所受到的影响则较小。

4.4 断口电容及燃弧电感的影响

当开关间隙发生击穿及燃弧时，电弧并非是纯阻性的。一般在暂态仿真过程中，会用一个定值燃弧电感与弧道电阻串联，同时在它们的两端并联上定值断口电容，通常电感取0.23mH，电容取300 pF[22]。

为了研究断口电容对暂态过程仿真结果的影响，现保持其他参数不变，在100~500 pF内每间隔50 pF取一次断口电容值，对不同取值下的模型进行仿真，结果显示断口电容值对波形特征参数的影响主要体现在VFTO及VFTC的峰值上，如图12所示。

图12 断口电容值对VFTO和VFTC幅值的影响

由图12可知，随着断口电容值的增大，开关间隙存储的初始能量越多，产生的VFTO幅值也就越大[26]，而VFTC幅值虽然受断口电容的影响，但并不具备明显的变化规律。

同理，为了研究燃弧电感的影响，现保持其他参数不变，在0.1~0.4mH内每间隔0.05mH取一次燃弧电感值，对不同取值下的模型进行仿真，得到VFTO、VFTC峰值随电感值的变化曲线，如图13所示。

从图13可以看出，VFTO的峰值随燃弧电感值的增大而升高。可能是因为电感与电容均为储能元件，所以电感值的升高同样也会导致VFTO的幅值上升，但是由于流经燃弧电感的电流不能突变，所以VFTC的波前陡度被拉平，其幅值不会像VFTO幅值一样持续上升，而是在一定范围内波动。

图13 燃弧电感值对VFTO和VFTC幅值的影响

5 结语

仿真与实测数据的对比结果表明，本文提出的AIS隔离开关动态重燃弧模型在时域和频域方面均能较好地反映暂态波形的实际变化，通过改变参数取值探讨了几种因素对仿真结果的影响，得到以下结论。

1) 燃弧电阻会对VFTO、VFTC的峰值和持续时间产生影响，随着燃弧电阻的升高，暂态电压和电流的峰值降低，持续时间缩短。

2) 线路长度对VFTO及VFTC的峰值、上升时间和持续时间均会产生影响。随着线路长度的增加，VFTO峰值升高、而VFTC峰值降低，二者上升时间和持续时间都有所延长。

3) 击穿延时会对VFTO和VFTC的波前陡度产生影响，随着击穿延时的增加，VFTO和VFTC的峰值降低、上升时间变长。

4) 断口电容和燃弧电感对VFTO、VFTC的影响主要体现在峰值上。随着电容值和电感值的升高， VFTO峰值上升，而VFTC峰值的变化并没有呈现出一定的规律性。

5) 对比不同参数设置下的仿真与实测结果，可以发现：若考虑实验中部分设备的参数误差及互感器的测量误差，当稳态燃弧电阻取为1.5~3.5W、击穿延时取为65~140 ns、燃弧电感取为0.1~0.25mH、断口电容取为150 pF左右时，仿真所得的过电压、过电流幅值与实测数据较为接近。

此外，尽管在一般的仿真过程中不考虑断口电容和燃弧电感的变化，但这两个参数依旧会对仿真结果造成一定的影响，所以未来可围绕二者在放电过程中的变化规律展开研究，尝试构建可变断口电容、可变燃弧电感的电弧模型。

[1] 文劲宇, 周博, 魏利屾. 中国未来电力系统储电网初探[J]. 电力系统保护与控制, 2022, 50(7): 1-10.

WEN Jinyu, ZHOU Bo, WEI Lishen. Preliminary study on an energy storage grid for future power system in China[J]. Power System Protection and Control, 2022, 50(7): 1-10.

[2] 李晓文, 王旭, 齐志远. 氢电综合能源供应微电网的优化调度[J]. 供用电, 2022, 39(1): 40-46.

LI Xiaowen, WANG Xu, QI Zhiyuan. Optimal scheduling of micro-grid for comprehensive hydrogen-electricity supply[J]. Distribution & Utilization, 2022, 39(1): 40-46.

[3] 王珊珊, 施磊, 顾然. 基于TOPSIS法实现智能电网中一次设备运行状态的评估[J]. 供用电, 2021, 38(5): 56-60.

WANG Shanshan, SHI Lei, GU Ran. Evaluation of primary equipment operation state in smart grid based on TOPSIS[J]. Distribution & Utilization, 2021, 38(5): 56-60.

[4] 吴志强, 高岩, 王波. “负载-效用”两级均衡下智能电网实时电价定价策略[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(17): 65-73.

WU Zhiqiang, GAO Yan, WANG Bo. Real-time pricing strategy for the smart grid under "load-utility" two-level balance[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(17): 65-73.

[5] TUBALLA M L, ABUNDO M L. A review of the development of smart grid technologies[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2016, 59: 710-725.

[6] ZHANG Baohui, HAO Zhiguo, BO Zhiqian. New development in relay protection for smart grid[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2016, 1(2): 121-127.

[7] 尹项根, 汪旸, 张哲. 适应智能电网的有限广域继电保护分区与跳闸策略[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(7): 1-7.

YIN Xianggen, WANG Yang, ZHANG Zhe. Zone- division and tripping strategy for limited wide area protection adapting to smart grid[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(7): 1-7.

[8] 刘曼琴, 周羽生, 许振华, 等. 双馈风电机组在不对称电网故障下的稳定性控制研究[J]. 电测与仪表, 2021, 58(1): 131-136.

LIU Manqin, ZHOU Yusheng, XU Zhenhua, et al. Research on stability control of doubly-fed induction generator under asymmetricpower grid faults[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2021, 58(1): 131-136.

[9] 李清泉, 李彦明, 牛亚民. 变电站开关操作引起的瞬变电磁场及其防护[J]. 高电压技术, 2001, 27(4): 35-37.

LI Qingquan, LI Yanming, NIU Yamin. The transient electromagnetic fields caused by the operation of disconnector in substation and protection[J]. High Voltage Engineering, 2001, 27(4): 35-37.

[10] 陈水明, 许菁, 何金良, 等. 特快速暂态过电压及其对主变的影响[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2005, 45(4): 573-576.

CHEN Shuiming, XU Jing, HE Jinliang, et al. Very fast transient over-voltages and their effects on power transformers[J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2005, 45(4): 573-576.

[11] 张重远, 梁贵书, 崔翔, 等. GIS隔离开关操作对二次设备的影响[J]. 高电压技术, 2002, 28(2): 5-7.

ZHANG Chongyuan, LIANG Guishu, CUI Xiang, et al. The effects of operations of the disconnector switch on the secondary circuits in gas insulated substations[J]. High Voltage Engineering, 2002, 28(2): 5-7.

[12] 李欣悦, 李凤婷, 尹纯亚, 等. 直流双极闭锁故障下送端系统暂态过电压计算方法[J]. 电力系统保护与控制, 2021, 49(1): 1-8.

LI Xinyue, LI Fengting, YIN Chunya, et al. Transient voltage calculation method of HVDC sending-end system under DC bipolar blocking[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(1): 1-8.

[13] 詹花茂, 赵承楠, 段韶峰, 等. 气体绝缘开关设备的隔离开关分合空载短母线时特快速暂态过电压及特快速暂态电流测量[J]. 高电压技术, 2013, 39(6): 1317-1323.

ZHAN Huamao, ZHAO Chengnan, DUAN Shaofeng, et al. Measuring of very fast transient over-voltage and very fast transient current generated by disconnector in gas insulated switchgear switching on/off short buses with no load[J]. High Voltage Engineering, 2013, 39(6): 1317-1323.

[14] 王娜, 林莘, 徐建源, 等. GIS中隔离开关电弧模型对快速暂态过电压的影响[J]. 电工电能新技术, 2013, 32(1): 85-88.

WANG Na, LIN Shen, XU Jianyuan, et al. Influence of arcing model of GIS switching to VFTO[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2013, 32(1): 85-88.

[15] 孟涛, 林莘, 徐建源. 分段电弧模型下VFTO的计算与分析[J]. 电工技术学报, 2010, 25(9): 69-73.

MENG Tao, LIN Shen, XU Jianyuan. Calculation of very fast transient over-voltage on the condition of segmental arcing model[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(9): 69-73.

[16] 王娜, 林莘, 徐建源, 等. 特高压GIS变电站中快速暂态过电压仿真及其特性分析[J]. 高电压技术, 2012, 38(12): 3310-3315.

WANG Na, LIN Shen, XU Jianyuan, et al. Simulation and characteristics analysis of very fast transient overvoltage in gas insulated substation with ultra high voltage[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(12): 3310-3315.

[17] 李振华, 沈聚慧, 李振兴, 等. 隔离开关电弧模型及对Rowgowski线圈电流互感器的传导干扰研究[J]. 电力系统保护与控制, 2020, 48(16): 131-139.

LI Zhenhua, SHEN Juhui, LI Zhenxing, et al. Research on an arc model of a disconnector for conduction interference of a Rogowski coil electronic transformer[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(16): 131-139.

[18] KUMAR V V, THOMAS J M, NAIDU M S. Influence of switching conditions on the VFTO magnitudes in a GIS[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2001, 16(4): 539-544.

[19] 田芸, 吴细秀, 张欢. VFTO计算中隔离开关燃弧模型探究[J]. 高压电器, 2013, 49(5): 106-113

TIAN Yun, WU Xixiu, ZHANG Huan. Review on the arcing model for disconnectors in the calculation of VFTO[J]. High Voltage Apparatus, 2013, 49(5): 106-113.

[20] MARTIN T H. An empirical formula for gas switch breakdown delay[C] // 7th IEEE Pulsed Power Conference, June 11-14, 1989, Monterey, CA, USA: 73-79.

[21] 王学军, 陈德桂. 多纵缝灭弧室中电弧重燃过程的分析与模拟[J]. 电机与控制学报, 1997, 1(3): 30-33.

WANG Xuejun, CHEN Degui. Experimental analysis and numerical simulation of arc reignition for multinarrow slot arc chamber[J]. Electric Machines and Control, 1997, 1(3): 30-33.

[22] 杜巍. 特快速暂态过电压仿真中关键问题研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2014.

DU Wei. Research on key issues of simulation for very fast transient overvoltage[D]. Beijing: North China Electric Power University, 2014.

[23] 韩彬, 林集明, 陈维江, 等. 隔离开关操作速度对特快速瞬态过电压的影响[J]. 中国电机工程学报, 2011, 31(31): 12-17.

HAN Bin, LIN Jiming, CHEN Weijiang, et al. Analysis on the influence of the switching speed of disconnector on very fast transient overvoltage[J]. Proceedings of the CSEE, 2011, 31(31): 12-17.

[24] 张建功, 王红超, 赵军, 等. 基于分段电弧模型的多次重燃弧VFTO计算与分析[J]. 高压电器, 2016, 52(5): 14-19, 26.

ZHANG Jiangong, WANG Hongchao, ZHAO Jun, et al. Calculation and analysis of multiple restrikes VFTO based on piecewise arc model[J]. High Voltage Apparatus, 2016, 52(5): 14-19, 26.

[25] 刘德东, 吴文辉, 何人望, 等. 考虑弧道电感特性的电弧电阻模型下VFTO的研究[J]. 高压电器, 2015, 51(1): 105-109.

LIU Dedong, WU Wenhui, HE Renwang, et al. Calculation of very fast transient overvoltage with the arc resistance model considering inductance characteristic[J]. High Voltage Apparatus, 2015, 51(1): 105-109.

[26] 刘教民, 杜巍, 李永刚, 等. 隔离开关电弧模型及参数对特快速暂态过电压仿真结果的影响分析[J]. 华北电力大学学报(自然科学版), 2013, 40(3): 17-24, 52.

LIU Jiaomin, DU Wei, LI Yonggang, et al. Analysis on the influence of the arc model and its parameter of disconnector on very fast transient overvoltage[J]. Journal of North China Electric Power University (Natural Science Edition), 2013, 40(3): 17-24, 52.

[27] 刘德东. GIS中特快速暂态过电压研究[D]. 南昌: 华东交通大学, 2015.

LIU Dedong. The research of very fast transient overvoltage in GIS[D]. Nanchang: East China Jiaotong University, 2015.

Simulation and characteristic analysis of VFTO and VFTC based on a dynamic reignition arc model

LI Zhenhua1, LIAO Xingrui1, TONG Yue2, CHEN Xiaoxue3

(1. College of Electrical Engineering and New Energy, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 2. China Electric Power Research Institute, Wuhan 430074, China; 3. State Grid Wuhan Power Supply Company, Wuhan 430000, China)

To accurately analyze high-frequency and high-amplitude electromagnetic inference during the operation of high-voltage switchgear, a modeling method based on a dynamic reignition arc model is proposed. The simulation effects under different arc models are compared using ATP-EMTP software, and the influence of five factors, i.e. arc resistance, line length, breakdown delay, fracture capacitance and arc inductance, on the simulation results are discussed. In addition, an experimental circuit for the disconnector to separate and connect the capacitive low current is built. By comparing the simulated and measured data, it is found that in comparison with the traditional model, the errors between the simulated and measured peak values of transient voltage and transient current are reduced by 0.64% and 13.94% respectively under the dynamic reignition arc model. The characteristic parameters of simulation waveforms are all within the variation range of the measured data. This indicates that the proposed model can reflect the transient process more accurately during the on/off operation of the disconnector. This is of great significance for improving the calculation accuracy of the transient voltage and transient current during the switching operation.

open-type disconnector; arc model; ATP-EMTP; transient voltage; transient current

10.19783/j.cnki.pspc.220616

国家自然科学基金项目资助(U1866201)

This work is supported by the National Natural Science Foundation of China (No. U1866201).

2022-04-28；

2022-07-15

李振华(1986—)，男，博士，教授，研究方向为数字化变电站状态监测、电磁兼容；E-mail: lizhenhua1993@ 163.com

廖星锐(1998—)，女，硕士研究生，研究方向为电子式互感器误差状态评估；E-mail: 466707883@qq.com

童 悦(1983—)，女，博士研究生，教授级高工，研究方向为电气信号检测技术。E-mail:tongyue@epri.sgcc.com.cn

(编辑 许 威)