摘 要：【目的】電力系統(tǒng)的不同故障類型會(huì)產(chǎn)生不同的短路電流及電弧特性，研究這些特性對(duì)斷路器成功切除故障起到至關(guān)重要的作用。為準(zhǔn)確識(shí)別出電力系統(tǒng)中的不同故障類型，提出一種通過(guò)觀測(cè)電弧及其弧后特性的方法?！痉椒ā坎捎昧Ｗ幽M和電弧觀測(cè)技術(shù)，模擬研究斷路器在單相接地短路、兩相短路和三相接地短路這三種故障類型下的電弧特性?！窘Y(jié)果】研究發(fā)現(xiàn)，電弧及其弧后特性與不同故障類型的預(yù)警之間存在密切關(guān)系，不同故障類型下的電弧粒子和電勢(shì)二維分布特征各異?！窘Y(jié)論】真空電弧及弧后特性能反映出故障的具體類型，且以三相接地短路故障的真空電弧弧后粒子濃度最高、擴(kuò)散時(shí)間最長(zhǎng)，對(duì)弧后的介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程產(chǎn)生不利影響。這一發(fā)現(xiàn)為電力系統(tǒng)故障診斷和斷路器設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；故障類型；電弧特性

中圖分類號(hào)：TM89 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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

電力系統(tǒng)發(fā)生的故障會(huì)威脅到電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。不同類型的故障產(chǎn)生的危害不同，變電站需要對(duì)不同故障做出快速判斷，并以最快速度解決故障，減少電力設(shè)備的受損程度。

真空斷路器是一種閉合或斷開(kāi)交直流電路的電氣設(shè)備，可在真空中關(guān)合開(kāi)斷電流。在真空環(huán)境中，電子和離子的自由路徑變得非常長(zhǎng)，導(dǎo)致電弧在真空中消失的速度非常快［1-3］。真空斷路器因具有高效、可靠、低維護(hù)和環(huán)保的特性，已成為現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的首選設(shè)備。

在斷路器斷開(kāi)過(guò)程中，當(dāng)真空斷路器的觸點(diǎn)開(kāi)始分離時(shí)，電流并不會(huì)立即中斷。在電場(chǎng)的作用下，電子從陰極開(kāi)始釋放，并在兩個(gè)觸點(diǎn)間形成一個(gè)電導(dǎo)通道，即產(chǎn)生電?。?-5］。真空電弧可分為電子發(fā)射、電離過(guò)程、電弧的形成和維持這三個(gè)階段。當(dāng)觸點(diǎn)開(kāi)始分離時(shí)，較高的電場(chǎng)促使觸點(diǎn)上的金屬表面發(fā)射出電子。這些電子在移動(dòng)到陽(yáng)極的過(guò)程中會(huì)碰撞觸點(diǎn)間的金屬蒸氣分子，導(dǎo)致金屬蒸氣電離，從而生成更多的電子和正離子［6-10］。由于這一連續(xù)的電離過(guò)程，一個(gè)穩(wěn)定的電弧通道會(huì)在兩觸點(diǎn)之間形成并維持，直到電流下降到零或電弧被強(qiáng)制熄滅。真空電弧具有距離短、滅弧快、弧壓低、蒸氣少、噪聲低等特點(diǎn)，其主要特點(diǎn)如圖1所示。

真空斷路器的電弧燃燒與電力系統(tǒng)不同故障類型有一定聯(lián)系，在初級(jí)階段、電弧增長(zhǎng)階段、電弧穩(wěn)定燃燒階段、電弧熄滅階段及弧后階段，真空電弧都可與不同故障類型建立起聯(lián)系［11-14］。隨著燃弧的結(jié)束，真空電弧弧后階段的介質(zhì)恢復(fù)決定了斷路器能否可靠開(kāi)斷，弧后階段的殘余等離子體分布及電弧熄滅階段的陰極斑點(diǎn)演變與故障的發(fā)生有著一定關(guān)系［15-20］。

目前，關(guān)于真空斷路器開(kāi)斷的弧后特性研究往往是以單一短路故障為初始條件來(lái)設(shè)置電弧特性的，而實(shí)際真空斷路器開(kāi)斷時(shí)，故障類型有很多，不同短路故障會(huì)產(chǎn)生不同的電弧發(fā)展特性。例如，單相接地故障、相間短路故障、三相接地短路故障等。需要對(duì)不同故障類型的電弧發(fā)展特性進(jìn)一步研究。

由于電力系統(tǒng)不同故障類型下的短路電流發(fā)展特性是不同的，短路電流的不同會(huì)影響斷路器的開(kāi)斷特性，因此有必要對(duì)不同故障類型下的電弧特性展開(kāi)研究。本研究對(duì)不同故障類型下的電弧發(fā)展特性進(jìn)行了仿真分析研究，以真空斷路器為研究對(duì)象，對(duì)電弧特性與故障類型間的關(guān)系展開(kāi)研究，為變電站對(duì)不同故障做出快速判斷提供依據(jù)。

1 真空電弧與系統(tǒng)故障的關(guān)系

真空電弧的一個(gè)重要階段是弧后介質(zhì)恢復(fù)過(guò)程，弧后介質(zhì)恢復(fù)可間接反映真空電弧的燃燒過(guò)程，尤其是電弧的記憶效應(yīng)影響電弧的發(fā)展和陰極斑點(diǎn)的熄滅位置?；『蠼橘|(zhì)恢復(fù)過(guò)程包括熄弧后的初級(jí)階段、介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)階段和穩(wěn)定階段。在初級(jí)階段，電流過(guò)零，金屬蒸氣開(kāi)始冷凝，自由電子與陽(yáng)離子開(kāi)始重新組合；在介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)階段，在瞬態(tài)恢復(fù)電壓的作用下，電場(chǎng)重新建立，真空水平恢復(fù)，觸頭間隙的介質(zhì)強(qiáng)度會(huì)逐漸增加；在最后穩(wěn)定階段，介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)，準(zhǔn)備再次開(kāi)斷。發(fā)生故障后，真空電弧能否順利開(kāi)斷則取決于介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度和弧后瞬態(tài)恢復(fù)電壓，因此需要對(duì)弧后瞬態(tài)恢復(fù)電壓作用下的弧后粒子和弧后電勢(shì)分布展開(kāi)研究。

電力系統(tǒng)中發(fā)生的故障與電弧關(guān)系極為復(fù)雜，二者的相互作用會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。故障會(huì)為電弧的形成提供條件，電弧也會(huì)加大故障產(chǎn)生的影響。由于大電流的作用，在電力系統(tǒng)中，短路故障常常會(huì)導(dǎo)致流過(guò)電路的電流急劇增加。這種增加的電流會(huì)迅速超過(guò)電線和設(shè)備設(shè)計(jì)的電流承載能力，導(dǎo)致電線和設(shè)備的溫度升高。當(dāng)電流足夠高時(shí)，即使在空氣或其他絕緣介質(zhì)中，也有可能產(chǎn)生電弧。這是因?yàn)楦唠娏鲿?huì)導(dǎo)致周圍介質(zhì)的電離，形成一個(gè)導(dǎo)電通路，從而引發(fā)電弧。如果絕緣材料的絕緣失效，那么電流會(huì)泄漏到不應(yīng)有電流的部分。在短路故障的情況下，如果絕緣材料出現(xiàn)老化、物理?yè)p傷或因高溫而退化，就會(huì)失去絕緣性能，使得原本應(yīng)該隔離導(dǎo)體之間形成電弧。

電弧產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生直接威脅。電弧的溫度高達(dá)幾千攝氏度，足以熔化大多數(shù)金屬（包括電線和電氣設(shè)備部件）。這種高溫不僅會(huì)燒毀電路元件，還會(huì)引發(fā)火災(zāi)，特別是在有易燃物質(zhì)的環(huán)境中。另外，電弧在形成和維持過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁場(chǎng)。這些電磁波會(huì)干擾電力系統(tǒng)中的信號(hào)傳輸，影響控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。在某些情況下，電磁干擾甚至能導(dǎo)致保護(hù)裝置錯(cuò)誤動(dòng)作或失效，從而使系統(tǒng)進(jìn)一步暴露在未受保護(hù)的狀態(tài)中。電弧會(huì)損害系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，電弧的存在不僅加劇了局部的設(shè)備損害，還可能影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，電弧可能導(dǎo)致重要的保護(hù)設(shè)備失效，使得本應(yīng)隔離的故障區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，增加系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。此外，電弧的隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性使得及時(shí)檢測(cè)和應(yīng)對(duì)措施落實(shí)變得更加困難。

2 仿真分析

2.1 仿真參數(shù)設(shè)置

本研究使用VSim軟件進(jìn)行粒子模擬仿真，VSim是一款用于對(duì)電磁、等離子體和粒子動(dòng)力學(xué)模擬的高級(jí)仿真軟件，廣泛應(yīng)用于物理、工程和其他科學(xué)領(lǐng)域的研究和設(shè)計(jì)中。VSim具有多物理場(chǎng)模擬、靈活建模、高性能計(jì)算、用戶界面友好、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛、模塊可擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，并具有精確計(jì)算微觀粒子的演化狀態(tài)，可以達(dá)到其他仿真軟件無(wú)法達(dá)到的計(jì)算精度。

根據(jù)短路故障類型的不同，設(shè)置不同的仿真參數(shù)，包括粒子初始濃度、初始粒子溫度、瞬態(tài)電壓下降率。不同故障類型的初始條件設(shè)置是不同的，初始條件設(shè)置見(jiàn)表1。

對(duì)電力系統(tǒng)三相接地短路、兩相相間短路和單相接地故障下的真空電弧弧后粒子消散過(guò)程進(jìn)行仿真研究，設(shè)定不同等離子體初始濃度大小和不同瞬態(tài)恢復(fù)電壓下降率，用以模擬不同故障短路類型，得到初始階段、發(fā)展階段和結(jié)束階段弧后粒子分布與不同故障類型之間的關(guān)系。

按照上述參數(shù)設(shè)置，對(duì)真空電弧弧后發(fā)展過(guò)程進(jìn)行仿真分析，觀察弧后不同階段的粒子與電勢(shì)分布。仿真得到真空電弧的弧后初始階段、發(fā)展階段和結(jié)束階段的結(jié)果如下。

2.2 真空電弧弧后初始階段仿真結(jié)果分析

弧后初始階段（t=1 μs）單相接地故障、相間短路故障和三相接地短路故障下弧后粒子和弧后電勢(shì)如圖2所示。

由圖2可知，在初始階段，單相接地故障的弧后粒子向上下兩側(cè)擴(kuò)散，且粒子濃度相對(duì)較低，電勢(shì)主要沿弧后陰極分布，等勢(shì)線分布較稀疏；相間短路故障時(shí)，粒子兩端擴(kuò)散減小，粒子濃度相對(duì)較大，等勢(shì)線沿著弧后陰極分布較密集；三相接地故障時(shí)，粒子濃度最密，電勢(shì)線主要沿弧后陽(yáng)極分布。

2.3 真空電弧弧后發(fā)展階段仿真結(jié)果分析

弧后發(fā)展階段（t=4 μs）單相接地故障、相間短路故障和三相接地短路故障下弧后粒子和弧后電勢(shì)如圖3所示。

由圖3可知，在發(fā)展階段，單相接地故障的弧后粒子向上下兩側(cè)繼續(xù)擴(kuò)散，且粒子濃度降低明顯，電勢(shì)主要沿弧后陰極分布，等勢(shì)線分布較稀疏，此時(shí)電勢(shì)充滿整個(gè)間隙，鞘層完全形成；相間短路故障時(shí)，粒子兩端擴(kuò)散逐漸收縮，等勢(shì)線仍然沿著弧后陰極分布；三相接地故障時(shí)，粒子濃度最密，粒子分布出現(xiàn)畸變現(xiàn)象，電勢(shì)線沿著弧后陽(yáng)極分布，逐漸向弧后陽(yáng)極發(fā)展。

2.4 真空電弧弧后結(jié)束階段仿真結(jié)果分析

弧后初始階段（t=8 μs）單相接地故障、相間短路故障和三相接地短路故障下弧后粒子和弧后電勢(shì)如圖4所示。

由圖4可知，在結(jié)束階段，單相接地故障的弧后粒子向上下兩側(cè)繼續(xù)擴(kuò)散，且粒子濃度繼續(xù)降低，電勢(shì)主要沿著弧后陰極分布充滿整個(gè)間隙；相間短路故障時(shí)，粒子兩端擴(kuò)散繼續(xù)收縮，等勢(shì)線仍然沿著弧后陰極分布充滿整個(gè)間隙；三相接地故障時(shí)，粒子濃度最密，粒子主要沿弧后陰極分布，電勢(shì)線沿著弧后陽(yáng)極分布，并充滿整個(gè)間隙。

綜上所述，單相接地故障時(shí)的弧后粒子濃度相對(duì)較低，弧后等勢(shì)線分布比較稀疏；相間短路故障時(shí)的粒子分布逐漸向觸頭收縮，電勢(shì)線分布較密集；三相接地故障時(shí)的粒子分布出現(xiàn)畸變，電勢(shì)線主要沿著弧后陽(yáng)極分布。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究對(duì)弧后特性與電力系統(tǒng)不同故障類型的關(guān)系進(jìn)行分析。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)真空電弧弧后特性來(lái)對(duì)故障類型進(jìn)行評(píng)估，真空電弧的弧后特性可為電弧故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒和指導(dǎo)。

真空電弧及其弧后特性可以反映出不同故障類型，可以根據(jù)弧后特性快速判斷出單相接地、相間故障和三相接地故障類型。其中，單相接地弧后粒子分布均勻，三相接地故障粒子分布分散，相間短路粒子分布則位于二者之間。

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