电力系统不同故障类型电弧特性研究

摘 要：【目的】电力系统的不同故障类型会产生不同的短路电流及电弧特性，研究这些特性对断路器成功切除故障起到至关重要的作用。为准确识别出电力系统中的不同故障类型，提出一种通过观测电弧及其弧后特性的方法。【方法】采用粒子模拟和电弧观测技术，模拟研究断路器在单相接地短路、两相短路和三相接地短路这三种故障类型下的电弧特性。【结果】研究发现，电弧及其弧后特性与不同故障类型的预警之间存在密切关系，不同故障类型下的电弧粒子和电势二维分布特征各异。【结论】真空电弧及弧后特性能反映出故障的具体类型，且以三相接地短路故障的真空电弧弧后粒子浓度最高、扩散时间最长，对弧后的介质恢复过程产生不利影响。这一发现为电力系统故障诊断和断路器设计提供了重要依据。

关键词：电力系统；故障类型；电弧特性

中图分类号：TM89 文献标志码：A 文章编号：1003-5168（2024）21-0004-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.21.001

Study on Arc Characteristics of Different Faults Types in Power System

YANG Hao GUO Yanyan WANG Yuxin

（State Grid Henan Extra High Voltage Company ， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： [Purposes] In power systems， different types of faults generate varying short-circuit currents， leading to distinct arc characteristics. Studying the arc characteristics under different fault conditions is crucial for the successful operation of circuit breakers. This paper proposes a method to quickly identify different types of faults in power systems by observing the arc and post-arc characteristics. [Methods] Through particle simulation and arc observation， the arc characteristics of circuit breakers under three fault types including single-phase ground short circuit， two-phase short circuit and three-phase ground short circuit are simulated. [Findings] It is found that there is a close relationship between the arc and its post-arc characteristics and the early warning of different fault types. The two-dimensional distribution characteristics of arc particles and potential are varying under different fault types. [Conclusions] The vacuum arc and post-arc characteristics can reflect the specific types of faults， and the vacuum arc with three-phase ground short-circuit fault has the highest particle concentration and the longest diffusion time， which has an adverse effect on the medium recovery process of the post-arc. This finding provides an important basis for power system fault diagnosis and circuit breaker design.

Keywords： power system; fault type; arc characteristic

0 引言

电力系统发生的故障会威胁到电网的稳定运行。不同类型的故障产生的危害不同，变电站需要对不同故障做出快速判断，并以最快速度解决故障，减少电力设备的受损程度。

真空断路器是一种闭合或断开交直流电路的电气设备，可在真空中关合开断电流。在真空环境中，电子和离子的自由路径变得非常长，导致电弧在真空中消失的速度非常快［1-3］。真空断路器因具有高效、可靠、低维护和环保的特性，已成为现代电力系统中的首选设备。

在断路器断开过程中，当真空断路器的触点开始分离时，电流并不会立即中断。在电场的作用下，电子从阴极开始释放，并在两个触点间形成一个电导通道，即产生电弧［4-5］。真空电弧可分为电子发射、电离过程、电弧的形成和维持这三个阶段。当触点开始分离时，较高的电场促使触点上的金属表面发射出电子。这些电子在移动到阳极的过程中会碰撞触点间的金属蒸气分子，导致金属蒸气电离，从而生成更多的电子和正离子［6-10］。由于这一连续的电离过程，一个稳定的电弧通道会在两触点之间形成并维持，直到电流下降到零或电弧被强制熄灭。真空电弧具有距离短、灭弧快、弧压低、蒸气少、噪声低等特点，其主要特点如图1所示。

真空断路器的电弧燃烧与电力系统不同故障类型有一定联系，在初级阶段、电弧增长阶段、电弧稳定燃烧阶段、电弧熄灭阶段及弧后阶段，真空电弧都可与不同故障类型建立起联系［11-14］。随着燃弧的结束，真空电弧弧后阶段的介质恢复决定了断路器能否可靠开断，弧后阶段的残余等离子体分布及电弧熄灭阶段的阴极斑点演变与故障的发生有着一定关系［15-20］。

目前，关于真空断路器开断的弧后特性研究往往是以单一短路故障为初始条件来设置电弧特性的，而实际真空断路器开断时，故障类型有很多，不同短路故障会产生不同的电弧发展特性。例如，单相接地故障、相间短路故障、三相接地短路故障等。需要对不同故障类型的电弧发展特性进一步研究。

由于电力系统不同故障类型下的短路电流发展特性是不同的，短路电流的不同会影响断路器的开断特性，因此有必要对不同故障类型下的电弧特性展开研究。本研究对不同故障类型下的电弧发展特性进行了仿真分析研究，以真空断路器为研究对象，对电弧特性与故障类型间的关系展开研究，为变电站对不同故障做出快速判断提供依据。

1 真空电弧与系统故障的关系

真空电弧的一个重要阶段是弧后介质恢复过程，弧后介质恢复可间接反映真空电弧的燃烧过程，尤其是电弧的记忆效应影响电弧的发展和阴极斑点的熄灭位置。弧后介质恢复过程包括熄弧后的初级阶段、介质强度恢复阶段和稳定阶段。在初级阶段，电流过零，金属蒸气开始冷凝，自由电子与阳离子开始重新组合；在介质强度恢复阶段，在瞬态恢复电压的作用下，电场重新建立，真空水平恢复，触头间隙的介质强度会逐渐增加；在最后稳定阶段，介质强度恢复，准备再次开断。发生故障后，真空电弧能否顺利开断则取决于介质恢复强度和弧后瞬态恢复电压，因此需要对弧后瞬态恢复电压作用下的弧后粒子和弧后电势分布展开研究。

电力系统中发生的故障与电弧关系极为复杂，二者的相互作用会对系统的稳定性和安全性产生严重影响。故障会为电弧的形成提供条件，电弧也会加大故障产生的影响。由于大电流的作用，在电力系统中，短路故障常常会导致流过电路的电流急剧增加。这种增加的电流会迅速超过电线和设备设计的电流承载能力，导致电线和设备的温度升高。当电流足够高时，即使在空气或其他绝缘介质中，也有可能产生电弧。这是因为高电流会导致周围介质的电离，形成一个导电通路，从而引发电弧。如果绝缘材料的绝缘失效，那么电流会泄漏到不应有电流的部分。在短路故障的情况下，如果绝缘材料出现老化、物理损伤或因高温而退化，就会失去绝缘性能，使得原本应该隔离导体之间形成电弧。

电弧产生的高温会对电力系统产生直接威胁。电弧的温度高达几千摄氏度，足以熔化大多数金属（包括电线和电气设备部件）。这种高温不仅会烧毁电路元件，还会引发火灾，特别是在有易燃物质的环境中。另外，电弧在形成和维持过程中会产生强烈的电磁场。这些电磁波会干扰电力系统中的信号传输，影响控制系统的准确性和可靠性。在某些情况下，电磁干扰甚至能导致保护装置错误动作或失效，从而使系统进一步暴露在未受保护的状态中。电弧会损害系统的稳定性与安全性，电弧的存在不仅加剧了局部的设备损害，还可能影响整个系统的稳定性。例如，电弧可能导致重要的保护设备失效，使得本应隔离的故障区域进一步扩大，增加系统的不稳定性。此外，电弧的随机性和不可预测性使得及时检测和应对措施落实变得更加困难。

2 仿真分析

2.1 仿真参数设置

本研究使用VSim软件进行粒子模拟仿真，VSim是一款用于对电磁、等离子体和粒子动力学模拟的高级仿真软件，广泛应用于物理、工程和其他科学领域的研究和设计中。VSim具有多物理场模拟、灵活建模、高性能计算、用户界面友好、应用领域广泛、模块可扩展等优点，并具有精确计算微观粒子的演化状态，可以达到其他仿真软件无法达到的计算精度。

根据短路故障类型的不同，设置不同的仿真参数，包括粒子初始浓度、初始粒子温度、瞬态电压下降率。不同故障类型的初始条件设置是不同的，初始条件设置见表1。

对电力系统三相接地短路、两相相间短路和单相接地故障下的真空电弧弧后粒子消散过程进行仿真研究，设定不同等离子体初始浓度大小和不同瞬态恢复电压下降率，用以模拟不同故障短路类型，得到初始阶段、发展阶段和结束阶段弧后粒子分布与不同故障类型之间的关系。

按照上述参数设置，对真空电弧弧后发展过程进行仿真分析，观察弧后不同阶段的粒子与电势分布。仿真得到真空电弧的弧后初始阶段、发展阶段和结束阶段的结果如下。

2.2 真空电弧弧后初始阶段仿真结果分析

弧后初始阶段（t=1 μs）单相接地故障、相间短路故障和三相接地短路故障下弧后粒子和弧后电势如图2所示。

由图2可知，在初始阶段，单相接地故障的弧后粒子向上下两侧扩散，且粒子浓度相对较低，电势主要沿弧后阴极分布，等势线分布较稀疏；相间短路故障时，粒子两端扩散减小，粒子浓度相对较大，等势线沿着弧后阴极分布较密集；三相接地故障时，粒子浓度最密，电势线主要沿弧后阳极分布。

2.3 真空电弧弧后发展阶段仿真结果分析

弧后发展阶段（t=4 μs）单相接地故障、相间短路故障和三相接地短路故障下弧后粒子和弧后电势如图3所示。

由图3可知，在发展阶段，单相接地故障的弧后粒子向上下两侧继续扩散，且粒子浓度降低明显，电势主要沿弧后阴极分布，等势线分布较稀疏，此时电势充满整个间隙，鞘层完全形成；相间短路故障时，粒子两端扩散逐渐收缩，等势线仍然沿着弧后阴极分布；三相接地故障时，粒子浓度最密，粒子分布出现畸变现象，电势线沿着弧后阳极分布，逐渐向弧后阳极发展。

2.4 真空电弧弧后结束阶段仿真结果分析

弧后初始阶段（t=8 μs）单相接地故障、相间短路故障和三相接地短路故障下弧后粒子和弧后电势如图4所示。

由图4可知，在结束阶段，单相接地故障的弧后粒子向上下两侧继续扩散，且粒子浓度继续降低，电势主要沿着弧后阴极分布充满整个间隙；相间短路故障时，粒子两端扩散继续收缩，等势线仍然沿着弧后阴极分布充满整个间隙；三相接地故障时，粒子浓度最密，粒子主要沿弧后阴极分布，电势线沿着弧后阳极分布，并充满整个间隙。

综上所述，单相接地故障时的弧后粒子浓度相对较低，弧后等势线分布比较稀疏；相间短路故障时的粒子分布逐渐向触头收缩，电势线分布较密集；三相接地故障时的粒子分布出现畸变，电势线主要沿着弧后阳极分布。

3 结语

本研究对弧后特性与电力系统不同故障类型的关系进行分析。通过实时监测真空电弧弧后特性来对故障类型进行评估，真空电弧的弧后特性可为电弧故障监测系统的设计提供一定的借鉴和指导。

真空电弧及其弧后特性可以反映出不同故障类型，可以根据弧后特性快速判断出单相接地、相间故障和三相接地故障类型。其中，单相接地弧后粒子分布均匀，三相接地故障粒子分布分散，相间短路粒子分布则位于二者之间。

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