摘 要：

接地開關(guān)是電力系統(tǒng)中使用量較大、應(yīng)用較廣的設(shè)備之一，其穩(wěn)定性與可靠性對電網(wǎng)的運(yùn)行安全起著重要作用。仿真研究多觸指刀閘式接地開關(guān)短路關(guān)合過程的動(dòng)穩(wěn)定性。首先搭建接地開關(guān)短路關(guān)合故障系統(tǒng)模型，分析接地開關(guān)載流特點(diǎn);其次以接地開關(guān)為物理模型，分析關(guān)合過程狀態(tài)并進(jìn)行短路電流時(shí)域匹配;最后對接地開關(guān)關(guān)合過程中的動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明，接地開關(guān)短路電流時(shí)域匹配法可以分析接地開關(guān)關(guān)合過程中短路電流對動(dòng)穩(wěn)定性的影響，為大容量接地開關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研發(fā)提供參考。

關(guān)鍵詞：

接地開關(guān); 關(guān)合能力; 動(dòng)穩(wěn)定性; 時(shí)域匹配法

中圖分類號(hào)： TM564

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）05-0075-07

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.05.010

Simulation Analysis on Dynamic Stability During Short-Circuit Closing Process of MTKS-ES

WAN Yongfeng1， L Pengrui2， GUO Peng1

［1.Unit 91526， Zhanjiang 524000， China;

2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute （Group） Co.，Ltd.， Shanghai 200063， China］

Abstract：

Earthing switch （ES） is one of the widely used equipment in the power system，and its stability and reliability play an important role in the safe operation of the power grid.The dynamic stability simulation research on the short-circuit closing process of multi touch knife switch （MTKS） ES is conducted.Firstly，a simulation model of the short-circuit closing process of the ES is built and the characteristics of the current during short-circuit closing of the ES is analyzed.Secondly，the ES is used as the physical model to analyze the closing process status and perform the time-domain matching of short-circuit current.Finally，the dynamic stability during the closing process is simulated and analyzed.The results indicate that the time domain matching method for short-circuit current of ES can analyze the impact of short-circuit current on dynamic stability during the closing process of ES，which has certain guiding significance for the design and development of high capacity ES structures.

Key words：

earthing switch; closing ability; dynamic stability; time domain matching method

0 引 言

接地開關(guān)是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備。在電力系統(tǒng)故障檢修時(shí)，E1級接地開關(guān)需要頻繁進(jìn)行開合操作，為避免人為誤操作或設(shè)備故障導(dǎo)致接地開關(guān)誤動(dòng)作，接地開關(guān)須具備關(guān)合短路電流的能力。GB 1985—2004《高壓交流隔離開關(guān)和接地開關(guān)》規(guī)定，關(guān)合短路電流的能力是E1級接地開關(guān)承載電流能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，該類型的接地開關(guān)需要具備在額定關(guān)合電流下關(guān)合短路電流的能力［1-3］。

接地開關(guān)關(guān)合短路電流時(shí)，在短路沖擊電流作用下，瞬間感生的電動(dòng)力將使接地回路經(jīng)受嚴(yán)峻考驗(yàn)，甚至使回路結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形、斷裂，產(chǎn)生擊穿電弧，導(dǎo)致觸頭燒蝕或熔焊［4-7］。為保證接地開關(guān)關(guān)合短路電流的能力，提高接地開關(guān)的動(dòng)、熱穩(wěn)定性，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量理論分析與實(shí)驗(yàn)研究。文獻(xiàn)［8］采用數(shù)值模擬的方法，運(yùn)用有限元分析軟件對快速接地開關(guān)的熱穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得出短路狀態(tài)下熱效應(yīng)產(chǎn)生的溫度。文獻(xiàn)［9］通過多次關(guān)合短路電流試驗(yàn)和短時(shí)耐受能力試驗(yàn)，綜合分析接地開關(guān)關(guān)合過程中的動(dòng)、熱穩(wěn)定性，并優(yōu)化接觸部位的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)［10］通過研究XGN98系列環(huán)網(wǎng)柜接地開關(guān)，提出接地開關(guān)的關(guān)合速度對關(guān)合短路電流起關(guān)鍵性作用。文獻(xiàn)［11］對影響接地開關(guān)關(guān)合試驗(yàn)的幾個(gè)主要因素進(jìn)行分析并改進(jìn)方案設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的方案通過E1級50 kA額定短路電流關(guān)合試驗(yàn)。

綜上所述，隨著E1級接地開關(guān)對額定短路電流關(guān)合能力的要求不斷提升，對動(dòng)穩(wěn)定性要求也更高。本文對額定短路電流63 kA的大容量接地開關(guān)展開研究，基于短路電流時(shí)域匹配法，提出了一種用于提高大容量接地開關(guān)短路關(guān)合過程動(dòng)穩(wěn)定性的仿真方法。

1 短路關(guān)合電流分析

本文采用Simulink對接地開關(guān)短路關(guān)合時(shí)三相短路電流的暫態(tài)過程進(jìn)行模擬仿真。接地開關(guān)短路關(guān)合Simulink仿真圖如圖1所示。

仿真模型使用無窮大功率電源供電的三相對稱電路系統(tǒng)。接地開關(guān)三相短路關(guān)合模型電路原理圖如圖2所示。短路發(fā)生前，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)接地開關(guān)因誤操作導(dǎo)致三相短路合閘時(shí)，短路電流涌入接地開關(guān)，由此實(shí)現(xiàn)短路關(guān)合電流的模擬。

當(dāng)接地開關(guān)短路關(guān)合時(shí)，若短路電流發(fā)生在B相電壓過零點(diǎn)時(shí)，則該相將受到非周期分量最大的短路峰值電流沖擊。接地開關(guān)B相電壓電流變化曲線如圖3所示。

為了方便觀察短路沖擊電流變化曲線，將該相短路發(fā)生的電流曲線與穩(wěn)態(tài)電流進(jìn)行比較。短路發(fā)生后前50 ms的電流曲線如圖4所示。由仿真數(shù)據(jù)可知，短路沖擊電流為160 kA，約為短路電流周期分量幅值的1.8倍，短路電流周期分量有效值的2.55倍。

本文采用短路沖擊電流的暫態(tài)過程值進(jìn)行接地開關(guān)關(guān)合過程動(dòng)穩(wěn)定性仿真分析的激勵(lì)，計(jì)算接地開關(guān)短路關(guān)合過程中受到的電磁力。

2 關(guān)合過程中短路電流匹配

2.1 合閘過程分析

本文樣機(jī)采用多觸指刀閘式接地開關(guān)。接地開關(guān)整體結(jié)構(gòu)如圖5所示。關(guān)合過程分為2個(gè)階段：① 從分閘位置到彈簧死點(diǎn)位置，該過程靠外力作用完成彈簧的儲(chǔ)能;② 從彈簧死點(diǎn)位置到開關(guān)的合閘位置，該過程靠彈簧與重力做功實(shí)現(xiàn)接地開關(guān)的合閘。

接地開關(guān)載流關(guān)合的動(dòng)態(tài)過程中，依據(jù)動(dòng)靜觸頭的相對位置可以分為3個(gè)過程態(tài)，即預(yù)擊穿位置階段、單觸指接觸階段與雙觸指接觸階段（穩(wěn)定關(guān)合階段）。接地開關(guān)載流關(guān)合過程如圖6所示。

如圖6（a）預(yù)擊穿位置階段接地開關(guān)載流關(guān)合過程中，當(dāng)動(dòng)觸指運(yùn)動(dòng)到預(yù)擊穿位置，即觸頭間距小于電弧擊穿距離時(shí)，觸頭兩端產(chǎn)生擊穿電弧。擊穿電流會(huì)產(chǎn)生回路電動(dòng)力阻礙關(guān)合。其中電弧預(yù)擊穿距離可以通過均勻電場間隙擊穿電壓U0的經(jīng)驗(yàn)公式［2］計(jì)算得出，即

U0=24.55δd+6.66δd（1）

式中： δ——空氣相對密度，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下為1;

d——擊穿間隙。

本文取最嚴(yán)苛U0=12×2kV，得d=0.5 cm。也就是可以認(rèn)為動(dòng)靜觸頭相距5 mm時(shí)發(fā)生了預(yù)擊穿，產(chǎn)生電弧。

圖6（b）為接地開關(guān)的單觸指接觸狀態(tài)。三相短路關(guān)合電流均匯集到內(nèi)側(cè)觸指上，短路關(guān)合電流處于上升階段，需要分析該狀態(tài)下單對觸指能否承載回路中的上升電流。

圖6（c）為接地開關(guān)的雙觸指接觸階段，該階段的短路電流已經(jīng)上升到較高的值或已達(dá)到短路沖擊電流的峰值。

2.2 短路電流匹配

接地開關(guān)載流關(guān)合過程較復(fù)雜，且短路電流實(shí)時(shí)發(fā)生變化。因此，需要依據(jù)三相短路電流的時(shí)域特性，建立短路電流與合閘狀態(tài)在時(shí)間域上的匹配關(guān)系。

本文借助高速攝像機(jī)觀察接地開關(guān)的空載關(guān)合過程，并依據(jù)動(dòng)觸指與靜觸頭的相對運(yùn)動(dòng)位置將關(guān)合過程細(xì)分為5個(gè)階段，即電弧預(yù)擊穿階段、第一片觸指接觸階段、第二片觸指接觸階段、雙觸指滑移階段和回彈衰減階段。其中，第一、第二觸指接觸階段可以細(xì)分為觸指接觸、觸指彈跳與觸指滑動(dòng)階段。接地開關(guān)關(guān)合過程觸指狀態(tài)示意如圖7所示。

由圖7可見，0時(shí)刻接地開關(guān)動(dòng)觸指運(yùn)動(dòng)到電弧預(yù)擊穿位置，此時(shí)動(dòng)靜觸頭間產(chǎn)生擊穿電弧，直到第一片觸指與靜觸頭接觸時(shí)電弧熄滅。若0時(shí)刻對應(yīng)接地開關(guān)某相電壓過零點(diǎn)，則該相短路電流的非周期分量最大。經(jīng)數(shù)值計(jì)算，電弧預(yù)擊穿階段最大短路電流沖擊值約為1.20 kA。同理，將接地開關(guān)關(guān)合過程與短路電流匹配。短路關(guān)合電流時(shí)域匹配圖如圖8所示。

分析圖7、圖8可知，當(dāng)動(dòng)觸頭發(fā)生彈跳時(shí)，動(dòng)靜觸頭之間會(huì)發(fā)生二次燃弧。由于與電弧預(yù)擊穿階段間隔時(shí)間較短，且短路關(guān)合電流不斷上升，因此，選取第一片觸指彈跳結(jié)束時(shí)刻對應(yīng)的短路電流值作為電弧階段的電流峰值進(jìn)行電動(dòng)力計(jì)算，此時(shí)對應(yīng)的短路電流約為15.80 kA。同理，單觸指接觸狀態(tài)與雙觸指接觸狀態(tài)對應(yīng)的短路電流峰值分別為83.38 kA和158.90 kA。

3 仿真分析

本文對電流預(yù)擊穿狀態(tài)、單觸指接觸狀態(tài)及雙觸指接觸狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，主要研究接地開關(guān)關(guān)合的動(dòng)態(tài)過程中，動(dòng)觸指在X和Y方向上受到的電磁力，進(jìn)而評估接地開關(guān)關(guān)合過程中的動(dòng)穩(wěn)定性。其中，X方向?yàn)橛|指壓力方向;Y方向?yàn)殛P(guān)合時(shí)動(dòng)觸頭切入方向。接地開關(guān)電磁力受力分析如圖9所示。

3.1 預(yù)擊穿位置分析

當(dāng)動(dòng)觸頭運(yùn)動(dòng)到電弧預(yù)擊穿位置時(shí)，動(dòng)靜觸頭之間產(chǎn)生電弧。電弧的產(chǎn)生為電路中磁能的泄放提供通路，降低電路開路時(shí)產(chǎn)生的過電壓，同時(shí)作為限流電阻串入電路。對于多觸指型接地開關(guān)，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)對電流分布的影響，每一片觸指上流經(jīng)電流值不同，所以接地開關(guān)內(nèi)側(cè)的電磁感應(yīng)強(qiáng)度比外側(cè)要大。接地開關(guān)主回路電流密度分布云圖如圖10所示。

本文在模型處理時(shí)還需做出以下假設(shè)：

（1） 在接地開關(guān)關(guān)合過程中，A、B、C三相始終保持同期性，即三相動(dòng)觸頭同時(shí)運(yùn)動(dòng)到預(yù)擊穿位置，產(chǎn)生電弧;

（2） 每相中靜觸頭只與并排4枚動(dòng)觸指的其中1枚產(chǎn)生電弧。

接地開關(guān)預(yù)擊穿位置模型如圖11所示。在仿真模型處理時(shí)，將電弧擊穿位置點(diǎn)布置在電流密度與電磁感應(yīng)強(qiáng)度集聚的觸指上。電弧擊穿位置點(diǎn)示意如圖11（a）。同時(shí)考慮電弧弧根電流線收縮產(chǎn)生的Holm力，以及電弧弧根與觸頭接觸面產(chǎn)生的導(dǎo)電斑點(diǎn)的直徑和形狀。在設(shè)計(jì)仿真模型時(shí)，將預(yù)擊穿電弧的模型采用長度為5 mm、直徑為1 mm的圓柱形導(dǎo)電橋模型代替［12］。以A相為例，繪制的導(dǎo)電橋模型如圖11（b）。

對上述模型進(jìn)行有限元仿真，模型A、B、C三相分別施加120°、0°、120°相位角，峰值電流為15.80 kA，頻率為50 Hz的正弦交流激勵(lì)電源。預(yù)擊穿位置電磁場云圖如圖12所示。

由圖12可知，每一片觸指片上流經(jīng)的電流值不同，同時(shí)接地開關(guān)內(nèi)部的電磁感應(yīng)強(qiáng)度比外側(cè)要大。為了準(zhǔn)確分析每個(gè)觸指片受到的電磁力，需先計(jì)算出動(dòng)觸指片受到的沿關(guān)合方向及觸指壓力方向的力矩，再轉(zhuǎn)換成動(dòng)觸指在接觸點(diǎn)位置的受力。預(yù)擊穿位置動(dòng)觸指受力分析示意如圖13所示?？蜻x為接地開關(guān)主回路的動(dòng)觸指。預(yù)擊穿位置動(dòng)觸指受到的電磁力如圖14所示。

由圖14可知，在接地開關(guān)關(guān)合過程中，預(yù)擊穿階段產(chǎn)生的電弧對擊穿位置的觸頭產(chǎn)生較大的電磁斥力，不利于開關(guān)關(guān)合。

3.2 單觸指接觸分析

單觸指接觸狀態(tài)是接地開關(guān)關(guān)合過程中的一個(gè)重要過程態(tài)。該狀態(tài)只有單排觸指與靜觸頭滑動(dòng)接觸，電接觸面較小且不穩(wěn)定，其電接觸狀態(tài)較雙觸指接觸時(shí)更為復(fù)雜。該狀態(tài)的激勵(lì)電流為83.38 kA，單觸指接觸時(shí)電磁場云圖如圖15所示。

單觸指接觸狀態(tài)時(shí)動(dòng)觸指受到的電磁力如圖16所示。

由圖16可知，單觸指接觸時(shí)，在X方向上，動(dòng)觸指受到的電磁力分布較為復(fù)雜，但仍具有一定的規(guī)律。由于電流集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的影響，外側(cè)觸指受到的電磁力較大，內(nèi)側(cè)觸指受到的電磁力較小，此外，不同相的相鄰觸指受到的電磁力方向相反。在Y方向上，動(dòng)觸指受到的電磁力分布較為復(fù)雜且無明顯規(guī)律，主要與切入時(shí)的電源相角有關(guān)。但Y方向的合力與接地開關(guān)合閘切入方向相反，即表現(xiàn)為電磁斥力，阻礙開關(guān)關(guān)合。

3.3 雙觸指接觸分析

雙觸指接觸狀態(tài)時(shí)，接地開關(guān)必須能承受短路峰值電流，在短路電流電動(dòng)力的作用下不發(fā)生破壞或永久變形。因此，需要對雙觸指接觸狀態(tài)時(shí)，動(dòng)觸指受到的電磁力進(jìn)行仿真分析。激勵(lì)電流為160 kA，雙觸指接觸時(shí)電磁場云圖如圖17所示。

雙觸指接觸狀態(tài)時(shí)動(dòng)觸指受到的電磁力如圖18所示。

由圖18可知，雙觸指接觸時(shí)，X方向上各相外側(cè)4片觸指與觸指壓力同向，有利于合閘保持;內(nèi)側(cè)4片觸指與觸指壓力反向，表現(xiàn)為接觸斥力，不利于合閘保持。Y方向上內(nèi)側(cè)觸指受力與合閘動(dòng)觸頭切入方向相反，外側(cè)觸指受力與合閘動(dòng)觸頭切入方向相同，但Y方向上總合力方向與合閘動(dòng)觸頭切入方向一致，有利于合閘保持。

4 結(jié) 語

基于短路電流時(shí)域匹配法，通過對大容量接地開關(guān)關(guān)合過程的3個(gè)狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定性仿真分析，得出以下結(jié)論：

（1） 三相交流接地開關(guān)載流關(guān)合過程中，沿關(guān)合方向的電磁力與關(guān)合方向相反，阻礙接地開關(guān)載流關(guān)合。當(dāng)接地開關(guān)動(dòng)靜觸頭完全接觸時(shí)，該方向的電磁合力與關(guān)合方向相同，有利于合閘保持。

（2） 多對觸指刀閘式接地開關(guān)由于集膚效應(yīng)與鄰近效應(yīng)對電流分布的影響，每片觸指上流經(jīng)的電流值不同。在計(jì)算動(dòng)穩(wěn)定性時(shí)，需重點(diǎn)分析電流密度較大的觸指受到的電磁力，保證薄弱位置的可靠性。

【參 考 文 獻(xiàn)】

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收稿日期： 20231124