Mayr电弧模型下GIS中快速暂态过电压的仿真分析

SF6气体绝缘封闭组合开关(GIS)中隔离开关进行分合母线时,产生快速暂态过电压(VFTO),幅值高且上升速率极快,威胁GIS及相邻设备的绝缘。选取某800 kV GIS隔离开关分合母线的试验电路为研究对象,采用电磁暂态程序(EMTP/ATP)进行建模仿真,隔离开关燃弧时采用Mayr电弧模型,分析其对VFTO的影响,得出考虑Mayr电弧模型时操作隔离开关、断路器侧隔离开关及变压器侧隔离开关的电压波形,并与考虑时变电阻模型的VFTO进行对比。对VFTO波形进行离散傅里叶分析,得到过电压频率、幅值的变化特征,研究结果为GIS绝缘设计提供参考。

配电网间歇性重燃电弧模型的建立与断续弧光接地故障特征分析研究

电弧间歇性重燃是配电网单相接地故障最显著的特征。现有的电弧模型甚少考虑电弧间歇性重燃特性,导致无法精确描述断续弧光接地特征,进而影响继电保护动作。为此,论文提出一种间歇性重燃电弧模型的建立方法,并在此基础上对断续弧光接地故障特征进行了分析。弧道阻抗的随机变化是电弧间歇性重燃的重要标志,故论文重点围绕弧道阻抗变化的随机性和重燃时间间隔的随机性开展间歇性重燃电弧模型的研究。黑盒电弧模型中,Cassie-Mayr联合模型能完整的描述电弧电流从大电流到小电流的变化过程,但存在从大电流变化为小电流的判据模糊,转换过程突变的问题。为此,论文通过引入连续过渡函数解决上述问题。同时,为描述弧道电阻的变化特性,利用Fermi函数对联合模型中Mayr模型和Cassie模型进行权重分配。以改进的Cassie-Mayr单次燃弧模型为基础,根据工频熄弧理论,通过设置燃弧时间长短表征间歇性重燃的随机性,从而建立了间歇性重燃电弧模型。利用该模型,对典型10kV配电网单辐射型网架结构的接地故障进行模拟仿真,采用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)和小波包分析提取了不同条件下故障电压、电流、高次谐波、零序分量以及频率分布等故障特征。研究结果表明:改进后Cassie-Mayr联合模型不但解决了电弧电流从大电流到小电流的转换突变问题,且不同模型权重占比的分配更能准确地表征实际燃弧弧道阻抗变化的随机性;通过设置电弧燃弧时间长短,准确地描述间歇性重燃的随机性;电弧断续时刻为非整数周期下的过电压、过电流幅值高于整数周期;电缆线路增大了故障线路电流,过电流可达3.81~7.20pu,不利于熄弧;大电流系统故障相零序电流主频在0~400Hz,小电流系统故障相零序电流主频在1200~1600Hz。

基于函数型数据分析算法的电阻性本质安全电路电弧放电模型

区别于电感性和电容性本质安全电路,电阻性本质安全电路的电弧放电波形因具有三种类型一直无法被准确描述,且电阻性电路本质安全判据的不完善描述会导致实际运行条件下爆炸事故的多发性。对此,该文首先考虑电阻性本质安全电路的放电过程及波形特征,基于函数型数据分析回归算法,建立了高维、参数强相关、适用范围广的电阻性电路电弧放电数学模型,并基于模型建立了相应的本质安全能量判据;然后采用该模型模拟电阻性电路放电过程并提出了一种电弧放电波形分类方法,发现在特定电路参数条件下,当电路正常工作电流I≤0.15 A或I≥0.6 A时,电弧放电基本呈现典型放电形式;最后搭建火花放电试验平台,验证了所建电弧模型的可行性与预测效果的准确性。

基于双温度磁流体电弧仿真改进Mayr电弧模型的特快速暂态过电压仿真方法

特快速暂态过电压(VFTO)仿真研究中,传统电弧黑盒模型因电弧时间常数和散热功率常取经验值会引起VFTO计算结果出现较大误差。对此,该文提出了一种基于双温度磁流体电弧仿真的改进Mayr电弧模型建立方法。首先,建立了双温度磁流体电弧模型,并通过该仿真研究了上述关键参数与电弧电导的关系,建立了改进Mayr电弧模型;其次,搭建了VFTO仿真模型,采用改进Mayr电弧模型和多种传统电弧数学模型计算了特高压GIS隔离开关切合空载短母线过程的VFTO波形;最后,对比分析了各电弧模型的仿真结果与实测结果波形特征的相对误差。结果表明,改进Mayr电弧模型的VFTO仿真结果与实测结果的相对误差较小,计算准确度较高。

基于自编码器模型的光伏系统故障电弧检测研究

以光伏系统中直流串联电弧的检测为研究对象,基于自编码器模型提出了一种通用且复杂度相对较低的故障电弧检测方法。首先,通过MATLAB/Simulink仿真进行理论预演,并构建了模拟实际光伏系统应用场景的实验平台。该实验平台为深度学习算法生成训练数据,并从实验正常运行状态数据中提取编码特征。然后,使用训练完成的深度学习模型,对实验平台生成的故障电弧数据进行分析。通过各项指标评价,验证了该算法在光伏系统中检测直流串联电弧的性能和有效性。实验结果表明,该方法能够准确地检测光伏系统中的故障电弧,为提高系统安全性和防止火灾危险提供了可行的解决方案。

基于Schavemaker模型和小波分析的航空EWIS故障电弧检测技术

针对航空线路系统故障电弧检测问题,在分析故障电弧的成因和基本特征的基础上,设计一种基于小波分析的故障电弧检测算法。分析基于Schavemaker电弧模型的交流串联故障电弧发生电路,采用sym5小波对故障电弧电流数据进行分解,提取出电流的高频部分,并提出基于高频分量d_3标准差的故障电弧检测方法,基于Simulink对该算法进行仿真验证。仿真结果表明:该方法比传统的小波分解后直接设定阈值检测故障电弧方法区分度高,能快速准确地确定故障电弧的存在,为工程实践提供有益参考。

电动汽车驱动电机与负载模拟系统建模及电弧故障仿真研究

电弧故障是引发电动汽车电气火灾的重要原因之一。电动汽车行驶工况复杂,电机及其驱动系统电压高、电流大,且其电弧故障随机性强、隐蔽性高导致真车故障实验难以开展,因此提出一种借助小功率电机与负载系统模拟故障的方法,以便快速开展大量实验,研究电弧故障特性。首先,在电动汽车负载转矩计算和等效缩放的基础上搭建了模拟实验平台,采集三相永磁同步电机线路串联电弧故障电流。其次,运用MATLAB软件构建空间矢量脉宽调制控制的电动汽车驱动电机与负载模拟系统,引入Cassie电弧故障模型并进行改进,对电动汽车三相永磁同步电机线路串联电弧故障展开仿真分析。最后,采用基于平肩宽度占比和小波包分解能量占比的特征提取方法,将仿真数据与实测数据进行比较并定量评价。结果表明,所提出的高斯电弧故障复合模型的相对平均误差最小,仅为7.6%。所构建的仿真系统可有效模拟实际线路的电弧故障,对电动汽车电气火灾的防控具有重要意义。

辅丝对摇动电弧窄间隙GMA焊接温度场的影响

【目的】旨在建立主辅丝同步的摇动电弧窄间隙GMA焊温度场模型。【方法】从宏观传热学出发,综合考虑横断面几何形状特征、主丝和辅丝的运动及焊缝表面形状对电弧热流分布特征的影响,并利用ANSYS软件对不加辅丝和主辅丝同步摇动两种情况下的电弧瞬态温度场及热循环曲线进行了模拟计算。【结果】焊缝横断面的计算结果、测温特征点热循环曲线的计算结果,与试验结果接近。【结论】证明模型可以真实反映添加辅丝的摇动电弧的移动轨迹及分布特征,具有较高的准确性。不加辅丝时,焊缝横断面底部有明显“双峰”特征,主辅丝同步摇动时,“双峰”特征明显减弱。主辅丝同步摇动情况下的热影响区宽度略有增加。

覆冰绝缘子直流闪络双电弧动态电路模型

绝缘子覆冰对输电线路的正常运行造成重大隐患,研究覆冰绝缘子闪络模型有利于指导运行在冰雪地区输电线路的绝缘状态评估。鉴于现有闪络模型电弧电阻表征不明确,充分考虑实际覆冰绝缘子闪络时电弧由冰面电弧和空气间隙电弧组成,将电弧电阻区分为空气间隙与冰面时变电弧电阻之和,修正了电弧发展判据。通过观测现场覆冰绝缘子直流闪络路径得知,整条闪络通道由高压端及低压端2段相向发展的电弧组成。基于该闪络路径,建立了覆冰绝缘子直流闪络双电弧动态电路模型。研究结果表明,动态电路模型计算获得的闪络电压及临界闪络电流与试验结果相近,两者之间的误差分别为11.9%与8.9%,试验值与模型计算值吻合较好。而且,模型计算得到的泄漏电流波形和电弧发展速度与实测临近闪络前的泄漏电流和电弧发展速度基本一致。

阻性负载下含分段噪声的间歇性直流电弧阻抗模型

构建准确且能够较为全面地反映出电弧特征的阻抗模型,对于电弧故障定位与检测的研究具有重要意义。针对现有的电弧阻抗模型无法反映出间歇性和完整噪声特性的问题,提出了含分段噪声的间歇性电弧阻抗模型。首先,通过对阻性负载条件下间歇性直流电弧的实验数据进行时频域特征分析,其结果表明时域上电弧阻抗随电流变化且随机性较强,频域上电弧噪声在高、低频段呈现的频谱分布存在差异。然后,提出了具有概率分布规律的阻抗模型以反映电弧在时域上的随机性与间歇性,同时采用分段噪声模型来体现其频域上噪声频谱分布的特点。最后,基于实验数据验证了模型的性能,结果表明所提出的模型能够同时在时域和频域上准确刻画出间歇性电弧的随机特性。

大电流真空电弧开断过程瞬态特性仿真分析

针对开断过程中传统稳态模型无法表征真空电弧动态特性问题,以工频电流下开断峰值为10 kA大电流真空电弧为研究对象,搭建等离子体弧柱区二维物理模型,在已有双温磁流体动力学稳态模型中引入密度、温度、压力及速度等流场参数时变项,同时利用动网格技术控制弧柱区变化速率,模拟触头分闸过程,综合考虑电流及开距变化情况下等离子体各物理场参数变化,以获取开断时电弧微观流场瞬态特性,探究开断过程中电弧形态及能量变化。分析结果可知:离子压力、温度、电子温度和阳极表面能流密度均随动、静触头分离而减小;离子速度无明显变化;等离子体不断向外扩散,由于电流减小,金属蒸汽源也逐渐减少,极间等离子体密度降低,阳极尚未达到活跃程度,最终电弧熄灭。

基于电弧模型的直流开关振荡回路参数研究

振荡回路在直流开关开断过程中通过提供振荡电流来创造“过零点”,振荡过程对成功开断与否具有决定性作用,因此亟须研究振荡回路参数对开断的影响。现有研究尚未在结合开断回路电弧特性的基础上考虑振荡回路寄生参数,存在参数不匹配、准确性低等局限性。该文首先根据实际工程参数,建立了含寄生参数的等效多电容组合的振荡回路改进模型。然后,基于Simulink仿真平台对振荡回路改进模型开展仿真研究;同时开展了振荡回路本体特性实验,验证了仿真的正确性。最后,在考虑电弧特征的基础上,深入研究振荡回路参数对开断过程的影响机理,得出了RLC参数与开断特性间的映射关系。

低压直流串联故障电弧研究综述

直流串联故障电弧发生时隐蔽性较高、检测难度大,是低压直流系统发生火灾的重要原因。主要从低压直流串联故障电弧模型、电弧特征及其检测方法、检测标准及装置等3个方面进行综述。基于电弧仿真模型了解电弧演化过程,分析常用故障电弧模型的原理、适用范围和局限性;基于故障电弧的物理、电气信号特征构建及检测方法,阐述不同特征检测方法的优缺点;最后对直流串联故障电弧相关标准进行解读,并讨论试验平台及产品的研究现状和不足,展望未来低压直流故障电弧相关领域的研究方向。

冷金属过渡电弧增材制造高强钢过程中温度场的数值模拟

基于冷金属过渡(CMT)高频熄弧的特性,在双椭球热源模型的基础上建立了动态热源模型,采用ABAQUS软件建立了高强钢CMT电弧增材制造单道十层成形件的有限元模型,对成形过程中的温度场进行模拟,并与试验结果进行对比;采用模拟方法研究了层间冷却时间(30,60,90 s)和基板预热温度(20,200,300℃)对温度场的影响规律。结果表明:模拟得到基板表面距焊道中心20.5 mm处的热循环曲线的变化趋势与试验结果基本一致,波峰和波谷温度的相对误差均在10%以内,证明了模型的准确性。沉积下一层时仅对前一层起到重熔作用;在沉积过程中,熄弧端的峰值温度高于起弧端,而在冷却过程中,两端温度差逐渐降低。随着层间冷却时间的延长,熔池最高温度降低且熔池存在的时间变短,在冷却阶段的冷却速率增大但其增大的程度降低,成形件两端温度差降低,最佳层间冷却时间为90 s;随着基板预热温度的升高,熔池的最高温度和熔池尺寸均增加,最大波谷温度差先减小后增大,在基板预热200℃条件下,成形件的最大波谷温度差最小,温度分布更加均匀。

用黑盒电弧模型的爆炸开关中直流电弧的仿真

爆炸开关是一种由炸药驱动、快速响应、高可靠性的直流断路器,已在ITER、EAST等多种失超保护系统中得到应用。作为一种直流断路器,电弧是决定其换流过程的主要因素,其水下燃弧、熄弧的特性的相关研究是目前此类断路器设计中的空白。电弧动态模型是研究电弧特性的常用方法,当建立的模型与试验过程中所观察到的断路器性能有良好的对应关系时,模型可用于建立爆炸开关的结构设计和换相特性之间的关系,为开关的设计优化提供理论依据。通过分析对比了几种不同的电弧模型,给出了适用于爆炸开关设计过程中的黑盒电弧模型,应用了Parameter Sweeping Strategy,研究了电弧模型中的参数取值规律,并结合试验验证了这种模型的可行性,为中国核聚变工程试验堆(CFETR)失超保护系统中爆炸开关中的研制提供了理论依据。

电弧炉炼钢钢铁料消耗评价模型研究

钢铁料消耗是衡量炼钢生产技术水平的重要经济指标,在炼钢过程中钢铁料消耗成本占总成本的80%以上,有效降低钢铁料消耗是减少炼钢成本、提高企业竞争力的重要途径。通过对电弧炉炼钢过程进行机理分析,研究电弧炉炼钢过程物料转化规律,建立电弧炉炼钢输入输出平衡关系,得到理论出钢量计算方法。考虑原料特性对于钢铁料消耗的影响,提出以实际出钢量与理论出钢量的比值作为钢铁料消耗评价指标,评价电弧炉炼钢过程中的冶炼操作对钢铁料消耗的影响。采用SQL Server 2012数据库软件与Visual Studio2013开发工具,开发电弧炉炼钢钢铁料消耗评价模型,实现电弧炉冶炼操作对钢铁料消耗影响的评价。为进一步获得各种冶炼操作与钢铁料消耗之间的关系,建立钢铁料消耗优化操作制度奠定基础。

基于ATP⁃EMTP的空气绝缘隔离开关分闸电弧模型

空气绝缘隔离开关需要具备一定的容性小电流开断能力,但隔离开关无灭弧功能,其在分闸过程中会产生严重的电弧,且电源侧电容电压和电弧电流会产生脉冲波,对设备绝缘造成威胁。采用高分辨率相机拍摄空气绝缘隔离开关分闸过程的电弧,发现电弧并未熄灭,不同于气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)中隔离开关的电弧特征。基于此现象,文中对传统的双指数型高频电弧电阻模型进行改进,认为在分闸过程中电弧熄灭前,空气间隙的绝缘强度并未完全恢复,电弧电阻未达到1012Ω。在ATP⁃EMTP中搭建了隔离开关开断容性小电流的电路,经过分析可以发现仿真结果与试验结果趋势基本一致。该模型的建立对空气绝缘隔离开关开断容性小电流的研究具有一定的理论指导价值。

电弧炉项目建设输变电工程造价模型研究

电弧炉项目建设输变电工程造价传统方法主要分析指数间的系数,忽略了电弧炉项目建设工程造价管理模型的准确性,为此提出基于结构导向的电弧炉项目建设输变电工程造价管理模型研究方法。分析电弧炉项目建设输变电工程造价的指标体系,计算电弧炉项目建设输变电工程正常报价的总价,建立电弧炉项目建设输变电工程投标的优化模型,利用工程造价的三角分布参数计算概率密度函数,计算电弧炉项目建设输变电结构的期望值和方差,并对电弧炉项目建设输变电工程造价进行风险评估,完成对电弧炉项目建设输变电工程造价管理模型的研究。实验结果表明,提出方法电弧炉项目建设输变电工程造价管理模型准确性和管理效率均较高。

中频真空电弧边缘击穿现象及仿真研究

为深入掌握航空变频(360~800 Hz)电力系统中真空电器电弧特性,该文围绕中频灭弧室弧后发生的边缘击穿现象,以双温磁流体动力学仿真结合实验的研究方法,得到了以下结论:中频真空电弧离子数密度的最大值为2.6×10^(19)m^(-3),离子温度的范围为0.30~0.91eV,电子温度的范围为1.50~2.43 eV;电子与离子之间存在能量交换,电子温度的变化会引起离子温度的变化;最高离子温度出现在阳极触头边缘处,与实验发现的边缘击穿位置重合,证明了此处确实存在能量集中;中频真空电弧是超声速流体,速度在边界处减慢,根据动能热能互换原理,中频真空电弧的质量流运动规律是边缘击穿的本质原因。

10 kV复合避雷器组合绝缘子雷电冲击污闪特性及模型

雷击与污秽会威胁电网安全稳定运行,因此,该文对具有雷电防护功能的复合避雷器组合绝缘子的冲击污闪模型进行了研究。首先,分析了适用于组合绝缘子的冲击电压闪络模型;其次,以双指数波形为输入,基于双指数函数与伏秒特性交点法建立了组合绝缘子冲击闪络电压与电弧路径计算模型,并从迭代求解变量U(冲击闪络电压)出发,将单方程两未知量问题转换为单未知量的非线性方程求解问题以实现模型求解;最后,进行了复合避雷器组合绝缘子雷电冲击污闪试验。研究发现,复合避雷器组合绝缘子闪络路径分为绝缘和间隙两类,且随着等值附盐密度在0.03~0.2 mg/cm^(2)范围内增加,污闪电压在90.79~97.15 kV之间先增加后降低,并对闪络电压随着等值附盐密度增加呈现非单调递增这一现象进行了分析。对该文所提模型进行验证发现,基于交点法的冲击闪络电压计算结果与试验结果的最大误差为8.1%,平均误差为4.5%,且可以判断电弧路径的位置。该文揭示了复合避雷器组合绝缘子特殊的放电特性,研究结果可为组合绝缘子的设计、优化及运维提供参考。