特高壓輸電線路潛供電弧的物理模擬與建模綜述_圖文

1、2011年2月Power System Technology Feb. 2011 文章編號:1000-3673(201102-0007-06 中圖分類號:TM 86 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 學(xué)科代碼:470·4034特高壓輸電線路潛供電弧的物理模擬與建模綜述孫秋芹1,李慶民1,呂鑫昌1,王冠1,李慶余2(1.山東大學(xué)電氣工程學(xué)院,山東省濟(jì)南市 250061;2.中國電力科學(xué)研究院,北京市海淀區(qū) 100192Survey on Physical Simulation and Mathematical Modelling forSecondary Arcs of UHV Transmission

2、 LinesSUN Qiuqin1, LI Qingmin1, LÜ Xinchang1, WANG Guan1, LI Qingyu2(1. School of Electrical Engineering, Shandong University, Jinan 250061, Shandong Province, China;2. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, ChinaABSTRACT: In spite of elucidating the general

3、design of the test circuit, the layout of the arc ignition equipment, the choice of the value and duration for the short currents, the wind velocity and its direction were all summarized to the question of equivalence of simulating test for secondary arcs, including the obstacles and the deficiency

4、of it. The setup and the procedure of the field test for secondary arcs were introduced, especially for that of ultra high voltage transmission lines home and abroad. The empirical formula for the secondary arc duration nowadays were put forward. While describing and comparing the advantages and def

5、iciencies of the existing black-box model and the physical models, the research status for modeling the secondary arcs were introduced. The key issues encountered while revealing the inherent mechanism and modeling of the secondary arcs were elaborated. On this basis, the characteristics of the seco

6、ndary arcs under different conditions of novel transmission lines were analyzed. Referential suggestions for the secondary arc test and modeling were also presented.KEY WORDS: ultra high voltage (UHV transmission line; secondary arc; equivalence; physical simulation;mathematical modeling; AC and DC

7、transmission lines installed on the same tower; half-wave length摘要:基于潛供電弧模擬試驗(yàn)的等價性,闡述了試驗(yàn)回路設(shè)計(jì)、引弧材料選取、短路電流值及其持續(xù)時間選擇、風(fēng)速風(fēng)向模擬與調(diào)節(jié)等技術(shù),總結(jié)了現(xiàn)有模擬試驗(yàn)中遇到的難題與不足之處,介紹了潛供電弧的現(xiàn)場試驗(yàn)的步驟與過程,特別是國內(nèi)外特高壓等級輸電線路潛供電弧的試驗(yàn)成果,給出了現(xiàn)有潛供電弧熄滅時間的有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式。分析了潛供電弧數(shù)學(xué)建模的研究現(xiàn)狀,從簡化的黑盒模型以及基于能量守恒的等離子體模型出發(fā),比較分析了各種模型的優(yōu)勢與缺陷,指出了潛供電弧內(nèi)在作用機(jī)制和等效模型研究中存在的關(guān)鍵難題。

8、在上述基礎(chǔ)上,結(jié)合新型輸電方式的發(fā)展,分析了不同工況下潛供電弧的新特點(diǎn),給出了潛供電弧試驗(yàn)與建模的參考性建議。關(guān)鍵詞:特高壓輸電線路;潛供電弧;等價性;物理模擬;數(shù)學(xué)建模;交直流同塔混架;半波長0引言近幾十年來,針對常規(guī)輸電線路潛供電弧的產(chǎn)生機(jī)制、影響因素、熄滅和重燃機(jī)制等,國內(nèi)外學(xué)者采用物理實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)建模和仿真等手段開展了大量研究工作,多集中于超高壓電網(wǎng)1-2。潛供電弧的動態(tài)物理過程與很多因素密切相關(guān),集中體現(xiàn)為2大類,即確定性因素與非確定性因素:確定性因素主要包括線路長度、電壓等級、并聯(lián)電抗器位置及其補(bǔ)償度(或快速接地開關(guān)、桿塔結(jié)構(gòu)等;非確定性因素主要包括故障位置、短路電弧電流大小及其持續(xù)

9、時間、風(fēng)速大小與方向、弧道恢復(fù)電壓等3。其中,線路長度、電壓等級等因素通過影響潛供電流值、恢復(fù)電壓及其上升率的大小從電氣上間接影響潛供電弧的物理特性;而風(fēng)速、風(fēng)向、短路電弧等因素通過作用于弧道而直接影響潛供電弧的發(fā)展與重燃特征。通過物理實(shí)驗(yàn)?zāi)M、理論分析與動態(tài)仿真建模,研究特高壓半波長輸電線路潛供電弧的發(fā)生與發(fā)展機(jī)制,結(jié)合潛供電弧伏安特性的強(qiáng)非線性與隨機(jī)性特征,提出有效的潛供電弧熄滅技術(shù)與抑制方法,是對超/特高壓輸電線路潛供電弧研究的重要發(fā)基金項(xiàng)目:國家電網(wǎng)公司科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(5250909。Project Supported by Science and Technology Research

10、 Foundation of State Grid Corporation of China (5250909.展,對于完善單相自適應(yīng)重合閘技術(shù),提高超/特高壓輸電線路的穩(wěn)定與可靠性,具有突出的理論意義和應(yīng)用價值。1 潛供電弧的模擬試驗(yàn)輸電線路潛供電弧的現(xiàn)場試驗(yàn)存在很多的局限性,集中體現(xiàn)在試驗(yàn)方案、試驗(yàn)次數(shù)以及試驗(yàn)條件的限制,同時對于更高電壓等級或新型輸電方式的線路,當(dāng)線路還沒有建成,現(xiàn)場試驗(yàn)就無法進(jìn)行。模擬試驗(yàn)是研究潛供電弧特性的重要途徑2。潛供電弧模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵主要體現(xiàn)在試驗(yàn)的等價性以及試驗(yàn)的靈活性,即結(jié)果可靠且試驗(yàn)條件靈活可變?，F(xiàn)有潛供電弧模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵問題為:潛供電弧模擬試驗(yàn)回路的設(shè)計(jì)

11、、引弧裝置的布置方式以及引弧材料的選擇、短路電流值的選取、風(fēng)的模擬以及其他一些相關(guān)的試驗(yàn)條件2。現(xiàn)有潛供電弧模擬試驗(yàn)回路主要有串聯(lián)試驗(yàn)回路和并聯(lián)試驗(yàn)回路,兩者的主要區(qū)別是潛供電弧熄滅后,恢復(fù)電壓的頻率特性表現(xiàn)不一樣,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 (a 串聯(lián)試驗(yàn)回路 (b 并聯(lián)試驗(yàn)回路圖1潛供電弧模擬試驗(yàn)回路Fig. 1 Test circuit for secondary arc圖1(a中:B1、B2、B3分別為保護(hù)、合閘、投入C1所用的快速斷路器;L1為模擬系統(tǒng)的等值電感,試驗(yàn)中用以提供電感性的短路電流;C1為集中電容,用以模擬潛供電弧的電容回路;L2用于模擬補(bǔ)償小電抗的作用,如果線路上沒有并聯(lián)電抗,

12、即L趨近于無窮大,上述回路中將只有電容C的支路,取消L形成的支路即可;C2為等值的線對地電容之半,使在弧道上形成必要的恢復(fù)電壓。中國電力科學(xué)研究院、陜西中試所等單位針對西北新建330kV線路,采用該電路結(jié)構(gòu),做了大量的潛供電弧試驗(yàn)研究2。圖1(b中開關(guān)操作順序?yàn)?B2打開,合上B1,引燃電弧,經(jīng)過一段時間,B2合上,打開B1。要求控制B1,B2的動作時差盡可能小,以免影響試驗(yàn)條件。并聯(lián)回路較之串聯(lián)回路,C上無過電壓,電弧過零后的穩(wěn)態(tài)恢復(fù)電壓合乎要求,同時參數(shù)計(jì)算簡化。我國的超高壓、特高壓單回、特高壓雙回輸電線路的潛供電弧的模擬試驗(yàn)中即采用該回路結(jié)構(gòu)4-5。模擬試驗(yàn)中常采用引弧導(dǎo)線將瓷瓶串短接,

13、導(dǎo) 體在大電流作用下氣化形成電弧通道以模擬甚高 電壓的雷擊閃絡(luò)。現(xiàn)有潛供電弧中的引弧材料主要包括:保險絲、銅絲、鐵線、鋼琴絲、鎳鉻電阻絲 等 2,6-12。不同的引弧材料使得電弧的熄滅時間有一定差異;國外相關(guān)的試驗(yàn)中多采用銅絲進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)6-9;有關(guān)學(xué)者認(rèn)為,引弧材料形成的游離物質(zhì)與數(shù)以千計(jì)的短路電流形成的游離物質(zhì)相較處于次要地位,可以忽略2。圖2為巴西某超高壓線路試驗(yàn)線路段上,潛供電弧的引弧裝置布置6。絕緣子串兩端安裝了一套掛鉤,銅線安裝在絕緣子串兩端的掛鉤上引燃短路電流。圖2電弧模擬試驗(yàn)銅線布置Fig. 2 Layout of arc ignition equipment潛供電弧出現(xiàn)在短路

14、故障電流被切除后,短路電弧的燃燒時間為0.1s級,其值從幾kA到十幾kA 不等。國內(nèi)外進(jìn)行了大量的短路電流值對潛供電弧影響的模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)論至今未統(tǒng)一。大多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果表明引弧電流較小時,短路電流值的大小對潛供電弧自滅時間影響不大,而當(dāng)引弧電流增大到一定程度后,弧道受到的電動力和熱上升力大為增加,弧柱在大氣中的游動加劇,更為彎曲,更有利于熄滅。相關(guān)機(jī)制尚有待進(jìn)一步的研究。對流散熱是潛供電弧自滅的主要因素之一,風(fēng)速和風(fēng)向?qū)ψ詼缢俣扔绊戄^大。中國電科院進(jìn)行的現(xiàn)有潛供電弧試驗(yàn)中主要采用較為簡單的人工風(fēng),通過調(diào)節(jié)人工風(fēng)筒來模擬風(fēng)。通過改變整流器和風(fēng)柵,變更風(fēng)機(jī)的位置獲得所需的風(fēng)速與風(fēng)向2。風(fēng)向與電動力方向

15、相反時,弧道在2個力作用下,不能延長,自滅較為緩慢,滅弧時間的分散性增大;風(fēng)向與弧道電動力發(fā)展方向相同時,自滅速度很快,滅弧時間短,同時分散性小。試驗(yàn)中,弧長不斷變化拉長,風(fēng)扇形成的風(fēng)速難以達(dá)到均勻,這導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分散性較大。盡管如此,風(fēng)對潛供電弧的影響作用亦不能夸大,由于實(shí)際中常出現(xiàn)電弧短時熄滅的情況,而此時風(fēng)對電弧的運(yùn)動影響很小,電弧長度還遠(yuǎn)來不及拉伸即已自滅。研究潛供電弧的介質(zhì)恢復(fù)特性對于深入理解潛供電弧的熄滅與重燃機(jī)制具有重要的意義。日本建立了潛供電弧的介質(zhì)恢復(fù)特性試驗(yàn)平臺,通過脈沖電弧回路產(chǎn)生脈沖電壓波形,在電流過零后延遲觸發(fā),通過大量的延續(xù)試驗(yàn)改變試驗(yàn)的延時間隔,以確定弧道的去游

16、離過程隨時間的上升特性,獲得潛供電弧的介質(zhì)恢復(fù)過程8。已有試驗(yàn)結(jié)果表明潛供電弧的介質(zhì)恢復(fù)過程與絕緣子串的結(jié)構(gòu)和類型、電弧電流的直流分量、短路電弧的持續(xù)時間等密切相關(guān)?，F(xiàn)有潛供電弧的模擬試驗(yàn)的基本假定條件為忽略2個端部的電極效應(yīng),在其余的全長弧道內(nèi),認(rèn)為每段弧道特性彼此一樣。從而在電流值、恢復(fù)電壓梯度值相同的情況下,取其部分長度進(jìn)行模擬研究。現(xiàn)有的大量文獻(xiàn)表明長弧和短弧具有明顯不同的物理特征,如何確定模擬試驗(yàn)中短電弧的臨界長度,使其能充分反映長間隙電弧的物理特性,現(xiàn)有試驗(yàn)中雖有定性的描述,但至今仍缺乏定量的分析與驗(yàn)證,這是模擬試驗(yàn)等價性的關(guān)鍵,亦是最大的難點(diǎn)。此外,現(xiàn)有潛供電弧的模擬試驗(yàn)多采用集

17、中參數(shù)進(jìn)行電路等效設(shè)計(jì),以靜電感應(yīng)為基礎(chǔ),忽略電磁感應(yīng)分量的影響。以單位長度電弧上恢復(fù)電壓值相等來等效模擬電弧的熄滅特性,無法反映電弧熄滅時刻線路恢復(fù)電壓上升率的影響,有一定的局限性。同時以工頻分量為基礎(chǔ),較少分析在串補(bǔ)線路等復(fù)雜工況下,帶低頻分量及電流過零次數(shù)減少時的潛供電弧熄滅特性,現(xiàn)有潛供電弧試驗(yàn)結(jié)果的適用范圍還有待商榷。2 潛供電弧的現(xiàn)場試驗(yàn)國內(nèi)外針對輸電線路潛供電弧進(jìn)行了大量的的現(xiàn)場試驗(yàn),并總結(jié)了很多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)。隨著輸電線路電壓等級的提高,超/特高壓輸電線路的建設(shè),相關(guān)的現(xiàn)場試驗(yàn)研究也在進(jìn)行,具有典型意義的現(xiàn)場試驗(yàn)如下所述。巴西CEPEL高電壓實(shí)驗(yàn)室,在戶外的500kV 線路試驗(yàn)段進(jìn)

18、行了潛供電弧的人工接地試驗(yàn)(燃燒軌跡如圖36所示。試驗(yàn)線路共包括3個桿塔結(jié)構(gòu),分為2段,電弧產(chǎn)生并實(shí)施監(jiān)測。在這次測試中,電弧電流通1s,頻率為60Hz,測量到的電弧電流等級分為:60、100、150、200A(有效值6。該試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證了潛供電弧的非線性特征,通過試驗(yàn)測量了潛供電弧的各次諧波含量,并在實(shí)際高壓線路上研究了長間隙電弧的運(yùn)動軌跡與熄滅特性,可作為比較和分析模擬試驗(yàn)的等價性與有效性。 圖3潛供電弧燃燒軌跡Fig. 3 Captured images of secondary arc in field test我國特高壓交流試驗(yàn)示范工程長南線的南陽站側(cè)進(jìn)行了人工C相瞬時接地試驗(yàn)13。

19、引弧線長度為11m,故障后40ms左右南陽站1000kV斷路器分閘,故障后約75ms長治站保護(hù)跳開1000kV斷路器,直至1s后兩側(cè)斷路器單相重合成功,拍攝的電弧圖像如圖413所示。試驗(yàn)時的風(fēng)速約為1.2m/s,北風(fēng),實(shí)測的燃弧時間為110ms。該試驗(yàn)結(jié)果表明微風(fēng)在短時間內(nèi)對長達(dá)11m的開放電弧的影響較小,電弧呈現(xiàn)為直線形狀。短路電弧的弧道粗、亮度大,潛供電弧弧道細(xì),亮度小。俄羅斯的1150kV特高壓輸電線路,線路長度 (a 短路電弧(b 潛供電弧圖4 拍攝的電弧圖像Fig. 4 Arc films in field test500 km ,線路首端安裝并聯(lián)電抗器3×300 Mvar

20、 ,線路末端安裝并聯(lián)電抗器2×(3×300 Mvar 。潛供電弧試驗(yàn)過程中,在線路的末端C 相的最后一基桿塔上的絕緣子串兩端串接一直徑為0.5 mm 的銅線10。線路末端斷路器始終斷開,當(dāng)線路首端斷路器合閘時,絕緣子串兩端的銅線迅速燃燒引燃短路電流,即模擬產(chǎn)生短路電弧。此時保護(hù)識別線路故障,信號發(fā)送到首端,打開故障相斷路器。其他兩相依舊運(yùn)行,潛供電弧在短路電弧通過的弧道上產(chǎn)生。紀(jì)錄并獲取了相關(guān)電壓、電流數(shù)據(jù)。實(shí)測的熄弧時間在0.30 s 附近。以上試驗(yàn)中,潛供電弧多在較短時間內(nèi)熄滅,其原因主要是:1由于條件限制,僅能在線路的兩端進(jìn)行引弧,而分析表明,線路越靠近中段時,其潛供

21、電流值較大,電弧往往越難以熄滅,這使得上述試驗(yàn)不能反映最嚴(yán)重工況;2由于電弧燃燒的隨機(jī)性與電弧試驗(yàn)次數(shù)的限制其熄滅時間有一定隨機(jī)性。盡管如此,上述現(xiàn)場試驗(yàn)仍是模擬試驗(yàn)和數(shù)學(xué)建模的重要基礎(chǔ)。美國、日本、匈牙利、德國有關(guān)學(xué)者針對潛供電弧也做了大量的現(xiàn)場試驗(yàn)和測量工作,在很大程度上豐富了潛供電弧的物理特性研究9, 11-12。國內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)通過進(jìn)行相關(guān)的模擬和現(xiàn)場試驗(yàn),總結(jié)相關(guān)的數(shù)據(jù),對潛供電弧的燃弧時間給出了簡化的函數(shù)關(guān)系式,以適應(yīng)工程需要。美國針對500 kV 線路模擬試驗(yàn),給出了潛供電弧的持續(xù)時間與其主要因素(潛供電流之間的數(shù)值關(guān)系11。前蘇聯(lián)針對超高壓輸電線路的潛供電弧問題,先后提出了

22、停電間隔時間t 的2種表達(dá)式:t = 0.25(0.1I +1;t =t r +0.2,其中I 為潛供電流的強(qiáng)制分量,t r 為潛供電流和恢復(fù)電壓的對應(yīng)函數(shù)14。我國華北電科院和中國電科院合作研究超高壓輸電線路的潛供電弧物理特性,進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn),對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸曲線擬合,給出了不同電位梯度下對應(yīng)的電弧熄滅時間t 90%的對應(yīng)公式15。如式(1和(2所示:4232(2式(1對應(yīng)起弧電位梯度E =13.5 kV/m ;式(2對應(yīng)起弧電位梯度E =8.1 kV/m 。上述試驗(yàn)大多基于特定的試驗(yàn)線路和環(huán)境,對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,反映了潛供電弧的熄滅時間與其部分重要影響因素之間的非線性關(guān)系,具有一定

23、的工程參考價值,但不能推廣至普通的輸電線路,更不能反映潛供電弧內(nèi)在的物理機(jī)制。3 潛供電弧的數(shù)學(xué)建模數(shù)學(xué)建模與仿真已成為研究潛供電弧的重要工具。電弧是一個復(fù)雜的動態(tài)物理與化學(xué)過程。在電弧模型的研究初期,Cassie 和Mayr 16提出了獲得普遍認(rèn)可的經(jīng)典黑盒模型。此后,許多學(xué)者對黑盒模型進(jìn)行了演繹和推導(dǎo),進(jìn)而提出適于長間隙電弧放電的數(shù)學(xué)模型:V . V . Terzijia 等17針對處于靜止和自由空氣中的長電弧進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和建模,將不規(guī)則的電弧電壓簡化成一個隨電流方向變化的方波,以測量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘處理,確定相關(guān)參數(shù)值;M. Farzaneh 等人18則對交直流絕緣子串覆冰表面的電弧特性進(jìn)

24、行了詳細(xì)研究。當(dāng)前,潛供電弧的數(shù)學(xué)模型多以長間隙電弧放電的物理模型為基礎(chǔ)進(jìn)行改進(jìn),通過對潛供電弧 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合來確定模型中的物理參數(shù)19-21。 A. T. Johns 等19-21基于改進(jìn)的Mary 公式-電弧電導(dǎo)微分方程16,建立了潛供電弧的EMTP 仿真模型,并被許多學(xué)者采用,作為研究單相自適應(yīng)重合閘的依據(jù)。人們在A. T. John 模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量改進(jìn)和完善工作,針對公式中的各個變量(電弧時間常數(shù)、電弧電壓梯度E 、靜態(tài)電弧電壓、電弧長度等給出了不同的表達(dá)式,并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的曲線擬合來確定變量值。俄羅斯學(xué)者基于上述模型,第1次給出了特高壓等級輸電線路潛供電弧模型的相關(guān)數(shù)據(jù)10

25、。中國電科院通過將電弧鏈?zhǔn)椒侄位?對潛供電弧進(jìn)行受力分析,數(shù)值計(jì)算電弧的運(yùn)動軌跡,并獲得電弧長度的變化,將結(jié)果嵌入到電弧電導(dǎo)微分方程中,進(jìn)行潛供電弧的電磁暫態(tài)仿真11。盡管如此,至今尚未有一個完善統(tǒng)一的電弧電導(dǎo)微分方程表達(dá)式。M. V . Dmitriev 等22基于能量守恒原理,將電弧假定為固定半徑的圓柱體結(jié)構(gòu),并忽略能量的輻射和對流,建立了潛供電弧的磁流體物理模型,對潛供電弧進(jìn)行了仿真計(jì)算;但該模型沒有考慮風(fēng)的作用,將電弧的長度固定化,其應(yīng)用范圍受到限制,同時與實(shí)際情況有較大差距?，F(xiàn)有潛供電弧物理模型的參量中,學(xué)界普遍認(rèn)為電弧的熄滅與電弧長度密切相關(guān),是關(guān)注的一個重點(diǎn)。因電弧在游動過程中不

26、斷延伸,形成扭曲或成為環(huán)狀,且絕大多數(shù)情況下,弧道在延伸出來的各個環(huán)狀彎曲處不斷被自身短接,其長度本身的測量就是一個難題。此外,電弧長度的變化與環(huán)境條件(風(fēng)速、風(fēng)向等以及電弧熱平衡狀態(tài)密切相關(guān),表現(xiàn)出很大的隨機(jī)性,有關(guān)文獻(xiàn)中給出了潛供電弧長度隨時間變化的近似表達(dá)式19, 23,但至今尚未有定論。在潛供電弧的內(nèi)在作用機(jī)制和等效模型上也存在較大的爭議性,特別是電孤的熄滅機(jī)制?，F(xiàn)有的潛供電弧熄滅判據(jù)主要包括介質(zhì)恢復(fù)理論與能量平衡理論:前者認(rèn)為電弧重燃是因外加電場將間隙擊穿的結(jié)果,即電擊穿;后者認(rèn)為電弧重燃是緣于零休階段弧隙的輸入能量大于弧隙的散出能量,即熱擊穿。2種理論在現(xiàn)有潛供電弧研究文獻(xiàn)中廣泛應(yīng)

27、用。前者在電流過零時,通過比較恢復(fù)電壓與介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度來判斷熄滅后的重燃現(xiàn)象;后者則計(jì)算零休階段單位長度的電弧瞬時電阻對時間的導(dǎo)數(shù),當(dāng)其超過某一設(shè)定閾值時,即判斷電弧熄滅,反之重燃。很多學(xué)者還基于實(shí)驗(yàn)研究給出了潛供電弧熄滅的簡化判據(jù)公式,如基于電弧長度的熄滅判據(jù)24,前蘇聯(lián)學(xué)者給出的潛供電弧熄滅時間與潛供電流穩(wěn)態(tài)值的函數(shù)關(guān)系式10,14,23。上述簡化判據(jù)公式的適用范圍仍十分有限,而且有些條件下與實(shí)際工況明顯不符。以基于電弧長度的熄滅判據(jù)為例,試驗(yàn)中常出現(xiàn)電弧來不及拉長而短時熄滅的情況,這與該判據(jù)完全矛盾。電弧熄滅重燃判據(jù)的數(shù)學(xué)建模是電弧建模的關(guān)鍵。因潛供電弧具有強(qiáng)烈的隨機(jī)性與不穩(wěn)定性,如何從大

28、量的數(shù)據(jù)中提取有價值的信息以分析潛供電弧的影響因素,也是一個重要的問題。曾有學(xué)者將潛供電弧的熄滅時間編制成曲線,將電弧熄滅時間分割在最大值與最小值區(qū)域之間,將某一概率下的數(shù)值連線,取中間概率作為有效值進(jìn)行分析25。區(qū)別于少量帶隨機(jī)性的電弧熄滅試驗(yàn)數(shù)據(jù),該研究基于大量的測量,可應(yīng)用于工程中作為判斷電弧概率熄滅時間,不用考慮相關(guān)因素的內(nèi)在影響,較為簡單。綜上所述,潛供電弧會受到諸多不確定性因素的影響,相關(guān)的試驗(yàn)中表現(xiàn)出很大的隨機(jī)性與不穩(wěn)定性。而空間環(huán)境變量、電磁場、流場以及潛供電弧微觀、宏觀參量瞬時快速變化,這是深入分析潛供電弧的物理特性并建立相關(guān)模型的最大難點(diǎn)所在。4 新型工況下潛供電弧的試驗(yàn)與

29、建模4.1 交直流同塔混架下潛供電弧特性研究交直流同塔混架是解決輸電線路走廊缺乏的有效措施26-27,相關(guān)研究已納入國家電網(wǎng)的科技發(fā)展議程。同塔混架下,當(dāng)直流極線發(fā)生故障時,盡管通過直流閥的控制可將直流故障線路電流的值減小到零,但交流線路對臨近直流輸電線路的工頻感應(yīng)將在直流極線故障點(diǎn)處形成潛供電弧,影響到直流極線故障的消除時間27。深入分析直流短路電弧對潛供電弧的影響,并考慮直流輸電極線兩端的元器件的布置,針對直流輸電線路的具體結(jié)構(gòu)開展相關(guān)的模擬試驗(yàn)與數(shù)學(xué)建模研究,對于確定直流閥的重啟動時間,提高直流輸電線路的供電可靠性具有重要的意義。4.2 特高壓半波長輸電線路潛供電弧特性研究超長距離特高壓

30、半波長交流輸電兼具技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,在我國應(yīng)用前景廣闊28-30。特高壓半波長輸電線路的電壓等級高,輸電距離超長,傳輸功率大,其潛供電弧表現(xiàn)出許多獨(dú)有的物理特征30: 1潛供電流和弧道恢復(fù)電壓的數(shù)值很大,使得電弧熄滅困難;2短路電流較大,其對潛供電弧的影響的物理機(jī)制尚待研究;3潛供電流的電磁感應(yīng)分量和靜電感應(yīng)分量與常規(guī)線路不同,其電流低頻成分復(fù)雜;4因線路結(jié)構(gòu)的特殊性,傳統(tǒng)的潛供電弧抑制方法已不再適用。半波長輸電線路潛供電弧既具有一般線路潛供電弧的通性,也具有其特殊性。開展相關(guān)理論探索與技術(shù)創(chuàng)新研究,具有重要的理論意義與工程價值。5 結(jié)論1潛供電弧涉及到等離子體物理學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁學(xué)等

31、多學(xué)科交叉,屬于前沿基礎(chǔ)性研究領(lǐng)域。開展相關(guān)的試驗(yàn)研究和數(shù)學(xué)建模可揭示電弧的內(nèi)在物理特性,是進(jìn)一步建立電磁暫態(tài)仿真模型的基礎(chǔ),也是后續(xù)故障分析,提出抑制新方法,制定單相重合閘策略的關(guān)鍵所在。新型輸電技術(shù)的發(fā)展,使得潛供電弧出現(xiàn)了新的特征,開展相應(yīng)的試驗(yàn)與建模研究具有重要意義。2試驗(yàn)回路的設(shè)計(jì)是潛供電弧模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵,其重點(diǎn)在于試驗(yàn)回路的等價性。選擇適當(dāng)?shù)碾娐方Y(jié)構(gòu)和電壓等級并反映輸電線路潛供電弧燃燒時的穩(wěn)態(tài)過程和熄滅重燃時的瞬態(tài)過程是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。現(xiàn)場試驗(yàn)對于確定輸電線路潛供電弧的實(shí)際特性具有重要的佐證意義,也是模擬試驗(yàn)的參考依據(jù)。3潛供電弧的黑盒模型簡單常用,但無法深入反映電弧的內(nèi)在物理本質(zhì),且

32、不存在統(tǒng)一的可推廣的參數(shù)表達(dá)式,其不能反映電弧陰陽極的特性對12 孫秋芹等：特高壓輸電線路潛供電弧的物理模擬與建模綜述 Vol. 35 No. 2 弧柱的影響，同時在弧柱的特性上做了很多的簡 化?；诖帕黧w動力學(xué)的潛供電弧的物理模型是潛 供電弧數(shù)學(xué)建模的發(fā)展方向。深入理解潛供電弧起 始、運(yùn)動、發(fā)展、熄滅與重燃的動態(tài)演化規(guī)律，納 入空間電磁場、空間流場與潛供電弧熄滅、重燃電 磁暫態(tài)過程的耦合效應(yīng)，是數(shù)學(xué)建模的關(guān)鍵，也是 最大的難點(diǎn)。 參考文獻(xiàn) 1 曹榮江，朱拱照，崔景春關(guān)于超高壓線路上潛供電弧持續(xù)現(xiàn)象 的研究：第一部分J高電壓技術(shù)，1975，1(1：72-77 Cao Rongjiang， Go

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