基于MATLAB的高压断路器触头电寿命仿真研究
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胡文平, 尹项根, 张 哲, 吴杰余, 邵德军
( 华中科技大学电力系, 湖北武汉 430074)
α
EL ECTR ICAL END URANCE S I M ULAT I O N O F H IGH VOL TAGE C IRCU IT BREAKER CO NTACT BASED O N M ATLAB H u W enp ing, Y in X ianggen, Zhang Zhe, W u J ieyu, Shao D ejun
针对上述的电力系统模型, 可以得到它的数学 模型和用 S I MUL I N K 的仿真模型如下。 ) 1 发电机转子运动方程及控制关系:
1 ∃Ξ ( t) = 2H
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt m
s) 。 此处的开断电流是指高压断路器开断后, 与燃
(T ∫
0
- T e ) d t - K d ∃Ξ ( t) ;
弧时间对应的电流, 准确讲是燃弧电流。 可见, 触头 的电磨损量与开断电流 ib 和燃弧时间 ta 有关。 开断 电流越大, 燃弧时间越长, 触头磨损越严重, 但磨损 量与电弧能量不是直接的比例关系。 计算断路器电寿命的方法之一是开断电流累 计法, 它是根据触头的质量损耗计算电寿命, 是基 于高压断路器的电寿命曲线 (N — I b) 的累计法。 高 压断路器累计开断 n 次 的 电 磨 损 量 Q 为: Q =
第 15 卷第 6 期 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 V o l . 15 N o. 6 2003 年 12 月 P roceedings of the EPSA D ec. 2003
基于 M A TLAB 的高压断路器触头电寿命仿真研究
M A TLAB 进行仿真, 可以很方便地得出各种故障
4 断路器触头相对电磨损量的仿真计算
和结果分析
在 M A TLAB 仿真环境下, 仿真时间设置为 0. 5 s, 故障发生在线路 L 1 上, 并把故障线路电流 值记录到M A TLAB 的W O R KSPA CE。 在 0. 2 s 时 发生短路故障, 这时波形逐渐增大并出现尖峰, 电 流很大, 经过 0. 1 s 继电保护动作, 断路器断开, 切 除故障线路。 在运行完系统仿真时间后, 将线路电 流数据写入 W O R KSPA CE 后, 可以读出 Q m , I e 的 值, 这样就可以求出断路器触头相对电磨损量, 来 讨论触头磨损的问题。 4. 1 仿真计算 仿真设定高压 SF 6 断路器型号为 LW - 220 3 150, 额定电压 220 kV , 额定电流 3 150A , 断流容 量 15 000 M VA , 额定断流量 40 kA , 极限通过电流 100 kA , 固有分闸时间 0. 04 s, 合闸时间 0. 15 s, 额 定开断次数N = 16, 并取参数 [ 6 ] Α= 3, Β = 1. 7, 而
Ξ ( t) = ∃Ξ ( t) + Ξ0
6
图 3 发电机转子方程仿真模块
n
i= 1
I bi; 式中, Α为常数, 1 < Α< 2。 假定在额定短路
a
2) 励磁调节系统暂态方程:
T d 0′ Te
dE q′ = E qe - E q dt
开断电流下, 一次标准开断的电磨损为 m , 允许开 断 的次数 N 。 从统计平均和累计效应, 可认为该高 压断路器的允许磨损总量为 N × m 。 若定义一台 全新的高压断路器的触头允许磨损总量为 100◊ , 则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为: Q = 1 N ; 然后根据不同高压断路器的电寿命曲线, 即 N - I b 曲线, 求得任意大小开断电流 I b 的对应 允许开断次数 N 1 , 则对应的单次开断的相对电磨 损为: Q = 1 N 1; 此方法是忽略随机因素对燃弧时 间分散性及是否为首开相的对电磨损的影响, 也就 是说, 只用开断电流作高压断路器的电磨损的参照 量[ 5 ]。 其理由是: 因为大量的试验结果表明, 高压断 路器多次开断, 其平均燃弧时间是趋近稳定的。 高压断路器电寿命在线状态监测根据开断电 流加权累计法来计算电寿命, 并采用触头累积磨损 量作为判断其电寿命的依据[ 6, 7 ] , 设定新断路器, 其 触头寿命接近为 100◊ , 额定开断电流 I e 下可以开 断 N 次, 即额定开断次数为 N 次, 则每次开断额定 开断电流时的相对磨损量为 1 N 。 根据不同断路器 的等效磨损曲线 N - I , 可求出不同开断电流对应 的开断次数 N 1 , 对应的单次开断相对电磨损量为
W = K ∫
0
tΑ W
电寿命 L = L 0 - 6 Q m , L 0 ≤ 1 是电寿命的初始 值。 这样可以得出开断电流为 I c 时的相对电磨损: 1) 少油断路器的相对电磨损公式 1 ( I c I e ) Α1 I c > 10◊ I e; Qm =
N Qm =
6
Q m。 相对
ib ( t)
α 收稿日期: 2003202220; 修回日期: 2003210221
图 2 电力系统仿真模型
・10・
电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 2003 年第 6 期
2. 2 数学模型及 S I MUL I N K 仿真模块
ib ( t) 为开断电流 ( 单位: A ) ; ta 为燃弧时间 ( 单位:
1 引言
在电力系统运行中, 高压断路器是开合电流 的设备, 其电寿命一般比高压断路器整体寿命短。 决定高压断路器电寿命的是触头、 灭弧室等, 维修 更换相对容易。 可通过对高压断路器电寿命的在线 监测, 确定在其性能下降时及时检修或更换, 可延 长高压断路器的使用寿命, 另一方面, 也可以避免 盲目检修, 延长设备的使用期。 随着计算机技术的 发展和电寿命理论的不断完善, 对高压断路器触头 的电磨损情况进行分析研究已非常必要, 为实施高 压断路器状态检修迈出关键性的一步。
摘要: 介绍了高压断路器触头电寿命仿真的意义, 研究了 各种短路故障对断路器电寿命的影响。 采用先进的仿真软 件工具 M A TLAB 中的电力系统仿真工具箱, 建立各元件 的数学模型, 最后组成仿真模块, 对复杂电力系统断路器运 行进行动态仿真。 仿真结果表明, 不同的短路故障形式和 不同的短路故障部位对触头寿命影响很大, 本研究对电力 系统高压断路器的运行有积极意义。 关键词: 在线监测; 断路器; 电寿命; M A TLAB 仿真
2 基于 M A TLAB 的高压断路器仿真模型
我们以图 1 的电力系统接线为例, 设定在输电 线 路 L 1 上发生短路后, 研究断路器 DL 的触头电 寿命仿真计算。
图 1 高压断路器电寿命仿真系统图
在断路器触头电寿命仿真研究中选用两机电 力系统模型, 电力系统模型的仿真用 M A TLAB 中 的 电 力 系 统 模 块 组 成, 因 为 M A TLAB 中 SI MUL I N K 提供图形化的系统模型设计, 这样比 较形象, 简单。 首先要用 S I MUL I N K 构造这个电力系统的模 型, 发电机系统包括励磁系统和调速系统; 输电线 路采用 Π型电路来代替; 当故障发生后继电保护装 置开始动作, 断路器开断故障电流, 在故障发生后 设定开断时间 ( 包括继保装置动作时间和断路器开 断时间) , 这由断路器控制口所接的 tim er 阶跃波 控制。 分 别研究系统发生三相短路、 两相短路接地 时, 断路器触头的磨损计算。 当故障严重时, 触头磨 损量大, 使用次数明显减少。 下面用 M A TLAB 仿 真予以验证。 2. 1 电力系统仿真模型[ 1, 2 ] 的建立 电力系统仿真模型采用图 2 所示的网络结构, 包括发电机系统 ( 励磁、 调速) 和电力网。
1 N 1 , 定义为 Q m 。 累计相对电磨损为
d E qe = - E qe + Em ax dt
3) 原动机、 调速系统的暂态方程及框图: du = p dt d Pm du Tw = - 2Pm + 2u - 2T w dt dt
Ts
3 高压断路器电寿命仿真计算方法研究
在高压断路器触头电寿命的计算中, 影响断路 器电磨损量的因素有很多, 如: 开断电流, 分闸速 度, 首开相与后开相的燃弧时间, 三相中每一相作 为首开相的机率, 分闸时间与开断时间的稳定性, 合闸的弹跳与分闸的反弹以及真空灭弧室的触头 材料等。 如果分闸速度过慢, 使燃弧时间增长, 电弧 能量增加, 因热效应会使触头软化甚至熔焊, 烧损 加重。 故障情况下, 如果分闸时间过短, 开断时间也 会变短, 故障电流中的直流分量来不及衰减, 使灭 弧室的开断负荷加重。 对于真空高压断路器和某些 SF 6 高压断路器 来说, 影响电寿命的主要因素是电磨损, 包括触头、 灭弧室和灭弧介质三个部分[ 3 ]。 其中起决定作用的 通常是触头的电磨损。 触头的电磨损又取决于电弧 能量。 根据电接触理论[ 4 ] , 高压断路器单次开断电 流时, 触头的电磨损量与开断电流有如下关系:
Β
dt
1 ( I c I e ) Α2 I c ≤ 10◊ I e 2N
其中: W 为触头的磨损量 ( 单位 kg ) ; K W 为常数, 与灭弧介质、 冷却条件、 触头运动速度、 触头材料等 有关; Β 为常数, 与触头材料等有关, 1 < Β < 2;
2) SF 6 断路器相对电磨损公式
Qm =
当 0. 03 I e ≤ I c < 0. 15 I e 时, 开断次数采用线性 插值方法计算得出。 式中 Α 1、 Α 2、 Α 、 Β 为试验统计系 数。 参考断路器制造厂家技术参数。
且当 I c < 0. 15 I e 时, 认为 Q m = 0 没有磨损。 故障类型模拟在输电线路首端设置不同的短 路类型, 这样断路器的开断电流大小不一样计算触 头的磨损, 或者设置不同的短路点计算不同短路电 流的影响。 仿真算法采用 ode15 法, 可变阶次的数 值微分公式算法, 属多步解法, 可以解刚性问题。 用
(H uazhong U n iversity of Science and T echno logy, W uhan 430074, Ch ina )
ABSTRACT: T h is p ap er describes the m ean ing of electri2 ca l endu rance si m u la tion of h igh vo ltage circu it b reaker con tact. T he effects of m any k inds of sho rt circu it fau lts to h igh vo ltage circu it b reaker’electrica l endu rance a re stud 2 ied. W e u se M A TLAB , w h ich is a si m u la tion too l fo r pow 2 er system , to si m u la te com p lex electric pow er system. W e found m a th m odels of every com ponen t firstly. T hen si m u2 la ted m odu le is com po sed. T he si m u la ted resu lt confirm s tha t the differen t sho rt circu it fau lt fo rm s and differen t sho rt circu it fau lt p a rts affect’s endu rance grea tly. T he study is i m po rtan t to the runn ing of electric pow er system ’s h igh vo ltage circu it b reaker. Key W ords: on 2line m on ito ring; circu it b reaker; electrica l endu rance; M A TLAB si m u la tion
Qm =
1 5. 942 N ( 0. 35 I e I c ) Α 其中, 0. 15 I e ≤ I c < 0. 35 I e
2003 年第 6 期 胡文平等: 基于 M A TLAB 的高压断路器触头电寿命仿真研究
・1 1 ・
1 3. 247 N ( 0. 5 I e I c ) Β 其中, I c ≥ 0. 35 I e
( 华中科技大学电力系, 湖北武汉 430074)
α
EL ECTR ICAL END URANCE S I M ULAT I O N O F H IGH VOL TAGE C IRCU IT BREAKER CO NTACT BASED O N M ATLAB H u W enp ing, Y in X ianggen, Zhang Zhe, W u J ieyu, Shao D ejun
针对上述的电力系统模型, 可以得到它的数学 模型和用 S I MUL I N K 的仿真模型如下。 ) 1 发电机转子运动方程及控制关系:
1 ∃Ξ ( t) = 2H
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱt m
s) 。 此处的开断电流是指高压断路器开断后, 与燃
(T ∫
0
- T e ) d t - K d ∃Ξ ( t) ;
弧时间对应的电流, 准确讲是燃弧电流。 可见, 触头 的电磨损量与开断电流 ib 和燃弧时间 ta 有关。 开断 电流越大, 燃弧时间越长, 触头磨损越严重, 但磨损 量与电弧能量不是直接的比例关系。 计算断路器电寿命的方法之一是开断电流累 计法, 它是根据触头的质量损耗计算电寿命, 是基 于高压断路器的电寿命曲线 (N — I b) 的累计法。 高 压断路器累计开断 n 次 的 电 磨 损 量 Q 为: Q =
第 15 卷第 6 期 电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 V o l . 15 N o. 6 2003 年 12 月 P roceedings of the EPSA D ec. 2003
基于 M A TLAB 的高压断路器触头电寿命仿真研究
M A TLAB 进行仿真, 可以很方便地得出各种故障
4 断路器触头相对电磨损量的仿真计算
和结果分析
在 M A TLAB 仿真环境下, 仿真时间设置为 0. 5 s, 故障发生在线路 L 1 上, 并把故障线路电流 值记录到M A TLAB 的W O R KSPA CE。 在 0. 2 s 时 发生短路故障, 这时波形逐渐增大并出现尖峰, 电 流很大, 经过 0. 1 s 继电保护动作, 断路器断开, 切 除故障线路。 在运行完系统仿真时间后, 将线路电 流数据写入 W O R KSPA CE 后, 可以读出 Q m , I e 的 值, 这样就可以求出断路器触头相对电磨损量, 来 讨论触头磨损的问题。 4. 1 仿真计算 仿真设定高压 SF 6 断路器型号为 LW - 220 3 150, 额定电压 220 kV , 额定电流 3 150A , 断流容 量 15 000 M VA , 额定断流量 40 kA , 极限通过电流 100 kA , 固有分闸时间 0. 04 s, 合闸时间 0. 15 s, 额 定开断次数N = 16, 并取参数 [ 6 ] Α= 3, Β = 1. 7, 而
Ξ ( t) = ∃Ξ ( t) + Ξ0
6
图 3 发电机转子方程仿真模块
n
i= 1
I bi; 式中, Α为常数, 1 < Α< 2。 假定在额定短路
a
2) 励磁调节系统暂态方程:
T d 0′ Te
dE q′ = E qe - E q dt
开断电流下, 一次标准开断的电磨损为 m , 允许开 断 的次数 N 。 从统计平均和累计效应, 可认为该高 压断路器的允许磨损总量为 N × m 。 若定义一台 全新的高压断路器的触头允许磨损总量为 100◊ , 则每次额定短路开断电流开断时的相对磨损为: Q = 1 N ; 然后根据不同高压断路器的电寿命曲线, 即 N - I b 曲线, 求得任意大小开断电流 I b 的对应 允许开断次数 N 1 , 则对应的单次开断的相对电磨 损为: Q = 1 N 1; 此方法是忽略随机因素对燃弧时 间分散性及是否为首开相的对电磨损的影响, 也就 是说, 只用开断电流作高压断路器的电磨损的参照 量[ 5 ]。 其理由是: 因为大量的试验结果表明, 高压断 路器多次开断, 其平均燃弧时间是趋近稳定的。 高压断路器电寿命在线状态监测根据开断电 流加权累计法来计算电寿命, 并采用触头累积磨损 量作为判断其电寿命的依据[ 6, 7 ] , 设定新断路器, 其 触头寿命接近为 100◊ , 额定开断电流 I e 下可以开 断 N 次, 即额定开断次数为 N 次, 则每次开断额定 开断电流时的相对磨损量为 1 N 。 根据不同断路器 的等效磨损曲线 N - I , 可求出不同开断电流对应 的开断次数 N 1 , 对应的单次开断相对电磨损量为
W = K ∫
0
tΑ W
电寿命 L = L 0 - 6 Q m , L 0 ≤ 1 是电寿命的初始 值。 这样可以得出开断电流为 I c 时的相对电磨损: 1) 少油断路器的相对电磨损公式 1 ( I c I e ) Α1 I c > 10◊ I e; Qm =
N Qm =
6
Q m。 相对
ib ( t)
α 收稿日期: 2003202220; 修回日期: 2003210221
图 2 电力系统仿真模型
・10・
电 力 系 统 及 其 自 动 化 学 报 2003 年第 6 期
2. 2 数学模型及 S I MUL I N K 仿真模块
ib ( t) 为开断电流 ( 单位: A ) ; ta 为燃弧时间 ( 单位:
1 引言
在电力系统运行中, 高压断路器是开合电流 的设备, 其电寿命一般比高压断路器整体寿命短。 决定高压断路器电寿命的是触头、 灭弧室等, 维修 更换相对容易。 可通过对高压断路器电寿命的在线 监测, 确定在其性能下降时及时检修或更换, 可延 长高压断路器的使用寿命, 另一方面, 也可以避免 盲目检修, 延长设备的使用期。 随着计算机技术的 发展和电寿命理论的不断完善, 对高压断路器触头 的电磨损情况进行分析研究已非常必要, 为实施高 压断路器状态检修迈出关键性的一步。
摘要: 介绍了高压断路器触头电寿命仿真的意义, 研究了 各种短路故障对断路器电寿命的影响。 采用先进的仿真软 件工具 M A TLAB 中的电力系统仿真工具箱, 建立各元件 的数学模型, 最后组成仿真模块, 对复杂电力系统断路器运 行进行动态仿真。 仿真结果表明, 不同的短路故障形式和 不同的短路故障部位对触头寿命影响很大, 本研究对电力 系统高压断路器的运行有积极意义。 关键词: 在线监测; 断路器; 电寿命; M A TLAB 仿真
2 基于 M A TLAB 的高压断路器仿真模型
我们以图 1 的电力系统接线为例, 设定在输电 线 路 L 1 上发生短路后, 研究断路器 DL 的触头电 寿命仿真计算。
图 1 高压断路器电寿命仿真系统图
在断路器触头电寿命仿真研究中选用两机电 力系统模型, 电力系统模型的仿真用 M A TLAB 中 的 电 力 系 统 模 块 组 成, 因 为 M A TLAB 中 SI MUL I N K 提供图形化的系统模型设计, 这样比 较形象, 简单。 首先要用 S I MUL I N K 构造这个电力系统的模 型, 发电机系统包括励磁系统和调速系统; 输电线 路采用 Π型电路来代替; 当故障发生后继电保护装 置开始动作, 断路器开断故障电流, 在故障发生后 设定开断时间 ( 包括继保装置动作时间和断路器开 断时间) , 这由断路器控制口所接的 tim er 阶跃波 控制。 分 别研究系统发生三相短路、 两相短路接地 时, 断路器触头的磨损计算。 当故障严重时, 触头磨 损量大, 使用次数明显减少。 下面用 M A TLAB 仿 真予以验证。 2. 1 电力系统仿真模型[ 1, 2 ] 的建立 电力系统仿真模型采用图 2 所示的网络结构, 包括发电机系统 ( 励磁、 调速) 和电力网。
1 N 1 , 定义为 Q m 。 累计相对电磨损为
d E qe = - E qe + Em ax dt
3) 原动机、 调速系统的暂态方程及框图: du = p dt d Pm du Tw = - 2Pm + 2u - 2T w dt dt
Ts
3 高压断路器电寿命仿真计算方法研究
在高压断路器触头电寿命的计算中, 影响断路 器电磨损量的因素有很多, 如: 开断电流, 分闸速 度, 首开相与后开相的燃弧时间, 三相中每一相作 为首开相的机率, 分闸时间与开断时间的稳定性, 合闸的弹跳与分闸的反弹以及真空灭弧室的触头 材料等。 如果分闸速度过慢, 使燃弧时间增长, 电弧 能量增加, 因热效应会使触头软化甚至熔焊, 烧损 加重。 故障情况下, 如果分闸时间过短, 开断时间也 会变短, 故障电流中的直流分量来不及衰减, 使灭 弧室的开断负荷加重。 对于真空高压断路器和某些 SF 6 高压断路器 来说, 影响电寿命的主要因素是电磨损, 包括触头、 灭弧室和灭弧介质三个部分[ 3 ]。 其中起决定作用的 通常是触头的电磨损。 触头的电磨损又取决于电弧 能量。 根据电接触理论[ 4 ] , 高压断路器单次开断电 流时, 触头的电磨损量与开断电流有如下关系:
Β
dt
1 ( I c I e ) Α2 I c ≤ 10◊ I e 2N
其中: W 为触头的磨损量 ( 单位 kg ) ; K W 为常数, 与灭弧介质、 冷却条件、 触头运动速度、 触头材料等 有关; Β 为常数, 与触头材料等有关, 1 < Β < 2;
2) SF 6 断路器相对电磨损公式
Qm =
当 0. 03 I e ≤ I c < 0. 15 I e 时, 开断次数采用线性 插值方法计算得出。 式中 Α 1、 Α 2、 Α 、 Β 为试验统计系 数。 参考断路器制造厂家技术参数。
且当 I c < 0. 15 I e 时, 认为 Q m = 0 没有磨损。 故障类型模拟在输电线路首端设置不同的短 路类型, 这样断路器的开断电流大小不一样计算触 头的磨损, 或者设置不同的短路点计算不同短路电 流的影响。 仿真算法采用 ode15 法, 可变阶次的数 值微分公式算法, 属多步解法, 可以解刚性问题。 用
(H uazhong U n iversity of Science and T echno logy, W uhan 430074, Ch ina )
ABSTRACT: T h is p ap er describes the m ean ing of electri2 ca l endu rance si m u la tion of h igh vo ltage circu it b reaker con tact. T he effects of m any k inds of sho rt circu it fau lts to h igh vo ltage circu it b reaker’electrica l endu rance a re stud 2 ied. W e u se M A TLAB , w h ich is a si m u la tion too l fo r pow 2 er system , to si m u la te com p lex electric pow er system. W e found m a th m odels of every com ponen t firstly. T hen si m u2 la ted m odu le is com po sed. T he si m u la ted resu lt confirm s tha t the differen t sho rt circu it fau lt fo rm s and differen t sho rt circu it fau lt p a rts affect’s endu rance grea tly. T he study is i m po rtan t to the runn ing of electric pow er system ’s h igh vo ltage circu it b reaker. Key W ords: on 2line m on ito ring; circu it b reaker; electrica l endu rance; M A TLAB si m u la tion
Qm =
1 5. 942 N ( 0. 35 I e I c ) Α 其中, 0. 15 I e ≤ I c < 0. 35 I e
2003 年第 6 期 胡文平等: 基于 M A TLAB 的高压断路器触头电寿命仿真研究
・1 1 ・
1 3. 247 N ( 0. 5 I e I c ) Β 其中, I c ≥ 0. 35 I e