system: [SYSTEM]

user: 4. 合环开关解环过程中影响电弧电流仿真研究 在进行合环转供操作之后，通常需要对合环开关进行解环操作。然而在解环过程中，很容易产生电弧电流，严重时可能会危及工作人员的安全，因此对合环开关解环过程中的电弧电流的研究非常重要。本次研究采用电弧黑盒模型来描述电弧的特性，具体电弧模型表达式如式(13)所示 [ 13 ]。 u a ( t ) = u a 0 ( t ) [ 1 + A e B ( t − T i ) h ( t − T i ) ] (13) 式中， u a ( t ) 为电弧电压； u a 0 ( t ) 为电弧长度为某一常数时的电弧电压；A和B为决定弧长改变量的参数； T i 为电弧开始时间； h ( t ) 是赫维赛德函数。 利用ATP-EMTP软件建立的电弧黑盒模型如图9所示，图中Type-91R(t)是模拟电弧电阻，可以起到动态地改变电阻值的作用；MODELS为ATP-EMTP中的一种综合性编辑工具，可以在其内部编写程序进而控制Type-91R(t)的电阻值，二者结合可以模拟电弧电阻的动态变化。 图9. ATP-EMTP中的电弧模型图 利用ATP-EMTP软件建立断开旁路转供合环开关时的电弧电流仿真电路如图10所示。 图10. ATP-EMTP中断开合环开关时的电弧电流仿真图 图中LCC表示埋于地下1 m，型号为YJV22，长度为2000 m，截面积为300 mm 2 的电缆；电源 U S 1 的电压幅值为110 kV，A相的初相角为0˚；电源 U S 2 电压幅值为110 kV，A相的初相角为−1˚； R 1 、 R 2 、 L 1 、 R 3 、 R 4 、 L 2 表示合环开关两侧母线上级系统的等效总阻抗，其值分别为 R 1 = 100   Ω ， R 3 = 200   Ω ， R 2 = R 4 = 1   Ω ， L 1 = L 2 = 23.2   mH ； T 1 和 T 2 为110 kV/10.5kV等级的理想变压器； R 5 、 L 3 、 R 6 、 L 4 表示两母线所带的负荷，用阻抗表示，其值分别为 R 5 = 10   Ω ，   R 6 = 6   Ω ， L 3 = 12   mH ，   L 4 = 8   mH ；电弧参数为： U a = 10   V ，   U b = 12   V ， I 0 = 2000   A ， R δ = 0.015   Ω ， A = 0.45 ， B = 5.25 / s ；设电弧产生时间 T o p e n = 0.1   s 。 电弧电流的大小会受到分闸角、电缆导体层截面积、电缆长度的影响，此外根据第3节研究可知合环开关两侧母线负荷对称度、合环开关两侧母线电压相量差能够影响循环电流的大小，因此对电弧电流也有影响。针对上述五种影响因素，对母线负荷转供解环过程进行仿真实验，分析各种影响因素对电弧电流的影响情况。 4.1. 分闸角对电弧电流的影响仿真 在ATP-EMTP软件中调整电弧黑盒模型接入电路的时间进而调整分闸角的大小。当分闸角为0˚和分闸角为120˚时的电弧电流波形图如图11所示，其他分闸角的电弧电流仿真情况如表3所示。 图11. 不同分闸角下电弧电流波形(a) 分闸角为0˚；(b) 分闸角为120˚ Table 3 Effect of different opening angles on arc curren 参数 数值 分闸角(˚) 0 30 60 90 120 150 180 电弧电流有效值(A) 60.99 58.05 59.30 62.77 63.13 63.99 63.86 表3. 不同分闸角对电弧电流的影响 结合表3进行分析可知，合环开关分闸产生电弧的暂态过程中，随着分闸角的变化，电弧燃烧时间段内电弧电流有效值的变化幅度较小，在58.05 A到63.99 A范围内变化。分闸角为150˚时达到最大，分闸角为30˚时达到最小，总体变化趋势为先减小再增大再减小。从表3中可以得出分闸角对母线负荷转供解环暂态过程中的电弧电流的影响较小。 4.2. 电缆导体截面积对电弧电流的影响仿真 在ATP-EMTP软件中通过调整电缆模型的导体层半径进而调整截面积的大小，当导体层半径为12 mm和24 mm时的电弧电流波形如图12所示，其他电缆导体层半径下的电弧电流仿真情况如表4所示。 图12. 不同导体层半径下的电弧电流波形(a) 半径为12 mm；(b) 半径为24 mm Table 4 Effect of different conductor layer radius on arc curren 参数 数值 导体层半径(mm) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 电弧电流有效值(A) 49.63 52.92 55.00 57.97 58.76 60.34 62.32 64.84 65.21 66.09 66.68 表4. 不同导体层半径对电弧电流的影响 对表4进行分析可知，电缆导体层半径增大时即电缆的截面积增大时，电弧电流有效值随着电缆截面积的增大逐渐增大。随着电缆导体层半径增大的前期，电弧电流有效值增大较快；随着电缆导体层半径增大的后期，电弧电流有效值增大开始减缓。电弧电流有效值在49.63 A到66.68 A范围内变化，总体变化趋势为单调增大，因此电缆截面积能够在一定程度上起到影响电弧电流的作用。 4.3. 电缆长度对电弧电流的影响仿真 在ATP-EMTP软件中调整电缆模型的电缆长度研究对电弧电流的影响，当电缆长度等于1 km和4 km时的电弧电流波形图如图13所示，其他电缆长度下的电弧电流仿真情况如表5所示。 图13. 不同电缆长度下的电弧电流波形(a) 电缆长度为1 km；(b) 电缆长度为4 km Table 5 Effect of different cable lengths on arc curren 参数 数值 电缆长度(km) 0.1 0.3 0.5 1 2 4 电弧电流有效值(A) 244.2 191.1 151.6 102.4 65.32 35.46 表5. 不同电缆长度对电弧电流的影响 对表5进行分析可知，电弧电流有效值随着电缆长度的增大而迅速减小。电缆长度的变化使得电弧电流有效值也受到了巨大的影响，变化幅度很大，总体变化趋势为单调减小。因此可知电缆长度对电弧电流有效值的影响很大。 4.4. 合环开关两侧母线负荷对称度对电弧电流的影响仿真 调整ATP-EMTP模型中母线1或母线2负荷的大小，进而调整合环开关两侧母线负荷对称度，图14和图15分别为调整母线1负荷及母线2负荷电阻或电抗值大小时的电弧电流有效值变化情况。 图14. 调整母线1负荷时的电弧电流有效值 图15. 调整母线2负荷时的电弧电流有效值 根据控制变量原则仿真分析电弧电流有效值大小与负荷改变值的关系可知：通过控制母线1负荷的电阻减小，母线1负荷的电抗减小，母线2负荷的电阻提高，母线2负荷的电抗提高使合环点两侧负荷趋于对称，能减小母线负荷转供解环过程中的电弧电流有效值大小。 4.5. 调整变压器分接头对电弧电流的影响仿真 调整ATP-EMTP模型中变压器   T 1 或 T 2 的分接头，进而调整合环开关两侧母线的电压相量差，图16变压器   T 1 及 T 2 分接头调整过程中电弧电流有效值变化情况。 由图16可知，两台变压器分接头档位均在110 kV/10.5kV时，合环开关两侧电压相量差最小，母线负荷转供解环过程时有最小的电弧电流有效值，与第3节所研究的变压器分接头调整对循环电流大小的影响有相同的关系。 图16. 调整变压器分接头时的电弧电流有效值