中低壓電力系統電弧短路故障機理和建模研究

《中低壓電力系統電弧短路故障機理和建模研究》是依託南京師範大學，由吳華仁擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：中低壓電力系統電弧短路故障機理和建模研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：吳華仁
• 依託單位：南京師範大學

項目摘要

電力系統發生短路故障時，在短路點通常會出現電弧。這種電弧短路故障不僅影響電力系統運行，還可能危及設備和人身安全。但是目前國內外電弧短路故障研究成果還不多，應該對電弧短路故障進行深入研究，以便減少故障的發生和減小故障造成的損失。本項目主要研究中低壓電力系統電弧短路故障問題。研究重點是電弧短路故障機理、建模和3D多物理場仿真。具體內容是: 1.用流體模型研究短路故障電弧的微觀粒子行為，並且考慮電漿鞘層、電極燒蝕和金屬蒸氣的影響。 2.進行電弧短路實驗，根據理論研究和實驗結果，研究電弧能量轉換機理以及確定各部分能量的比值。 3.研究短路故障電弧的弧根運動、電弧長度和直徑變化、電弧混沌特性和電弧電壓的特性，建立計算最大電弧能量和最小短路電流的數學模型。 4.以磁流體力學為基礎，研究短路故障電弧的3D溫度場、電磁場、壓力場和流場仿真，建立短路故障電弧3D多物理場精確仿真方法。

結題摘要

電力系統中的任何電氣設備都有可能發生短路故障，例如開關櫃、變壓器、發電機、電動機、母線和線路等可能由於絕緣損壞等原因發生短路。短路故障可能損壞電氣設備，影響電力系統安全運行。因為在短路點通常會出現電弧，這種大電流電弧可能危及設備和人身安全，為此有必要深入研究電力系統電弧短路故障，以便採取措施減小短路故障造成的危害。 要採取措施保障電氣設備和電力系統的安全運行，必須知道短路電流的大小。低壓電力系統大量使用限流斷路器，研究了限流斷路器開關電弧的電壓電流特性，建立了限流斷路器電弧的電壓模型。該新模型能用於準確計算限流斷路器開斷的短路電流。 根據在變電所進行的將近100個短路實驗的結果，分析了短路電弧電壓和電流特性，建立了三相電弧短路數學模型。用這個新模型可以計算不同電弧長度、不同電網參數的短路電流和電弧能量等物理量。這些物理量可用於電氣設備選擇、繼電保護整定以及制定防電弧措施。 研究了變壓器有載分接開關局部放電和短路電弧的特性，發明了變壓器有載分接開關線上故障診斷新算法，可以在有載分接開關發生電弧短路之前告警，保障變壓器的安全運行。 為了仿真計算短路電弧3D多物理場，對Fluent軟體進行了二次開發。短路電弧3D電磁場、溫度場、壓力場和流場的仿真能考慮電極區電壓降、電極燒蝕和金屬蒸氣的影響。這有助於理解短路電弧的發展和變化過程，對於電氣設備的設計製造以及保障人身安全有重要意義。 以電子和離子的速度和溫度作為變數建立離子和電子模型，再包括麥克斯韋方程，得到短路電弧雙溫磁流體動力學模型。用Fluent軟體仿真，計算電子和離子的密度、速度、溫度和壓力等物理量。通過短路電弧中電子和離子微觀運動分析，進一步了解了電弧短路故障機理。 研究了電弧能量轉換和平衡，得知電弧能量轉換為輻射、壓力和弧根效應等能量的大致比值。 研製了基於DSP的短路電弧壓力和熱量測量裝置、電氣設備無線測溫裝置以及改善了電弧光保護裝置。 分析了電弧短路對電力系統運行的影響，研究了電弧短路情況下電力系統的智慧型控制以及電網電壓的控制和計算。電弧短路故障發生後，要求繼電保護迅速動作切除短路故障。為此研究了電力系統電弧短路特性，改進了廣域保護、微電網保護和高壓電抗器保護算法。