一種基於平波電抗器內部故障與油流速關係建模的方法與流程
2024-04-03 21:33:05 1
本發明屬於繼電保護技術領域，是一種考慮平波電抗器內部電性故障對瓦斯繼電器油流速影響建模的方法。
技術背景
目前我國已建成多項大型直流輸電工程，隨著這些直流輸電工程的投運，直流輸電的運行穩定工作顯得日益重要。平波電抗器是換流站直流系統中一個重要的組成部件，它的作用主要有：限制故障電流的上升速率；平抑直流電流的波紋；防止直流低負荷時直流電流的間斷；與直流濾波器組成濾波網，濾掉部分諧波。統計數據表明，油浸式平波電抗器瓦斯繼電器誤動是其保護誤動的主要情況之一。由靈寶換流站發生的幾期瓦斯誤動事件，分析其原因可歸於平波電抗器的瓦斯繼電器油流速整定不能有效區分內外部故障導致的油流速變化，如平波電抗器連續發生換向失敗而導致瓦斯繼電器誤動作。因此，在對平波電抗器瓦斯保護油流速進行整定時，應充分考慮區內外故障對油流速的影響有何不同。
與油浸式變壓器瓦斯保護作用相似，油浸式平波電抗器的瓦斯保護在平波電抗器發生內部故障時，在氣體和油流的作用下接通信號迴路發送報警信號，或接通跳閘迴路將平波電抗器從直流輸電迴路中切除，起到保護平波電抗器的作用。平波電抗器的內部故障，就其故障現象來看，主要有熱性故障和電性故障。其他故障如平波電抗器搬動過程發生震動或電應力造成的機械性故障，或內部進水受潮導致絕緣效果降低最終都會以熱性故障或電性故障表現出來。
文獻《電力變壓器瓦斯繼電器保護的探討》定量地分析和計算了電力變壓器瓦斯繼電器合理的整定流速以及壓力釋放閥整定值的匹配問題。通過計算得到了當變壓器內部故障時油的離解能量及產生的氣體流速之間的關係，證明了傳統的流速整定值不靈敏。為了限制故障範圍到可能最小的程度，建議較大幅度降低整定值。文獻《電力變壓器狀態評估方法的研究》提出產氣速率與故障所消耗的能力大小、故障部位、故障性質和故障點溫度等情況有直接關係。文獻《+800kV換流變壓器油流溫升計算分析》運用流體力學詳細計算了油流和繞組溫升。文獻《分接 開關油室瓦斯繼電器的選用與驗證》用壓力計從瓦斯繼電器入口處測試不同整定油流速度的瓦斯繼電器檔扳的動作力值，介紹了一種瓦斯繼電器的實際油流速度的計算方法。
上述文獻在油流速方面的研究有分析變壓器內部故障時油的離解能量與氣體流速的關係，也有計算故障產氣速率得出一種油流速的計算方法。但是，很少有文獻對瓦斯繼電器油流速與平波電抗器內部故障關聯性進行具體分析，考慮到油流速與平波電抗器內部故障有很大關係，有必要建立油流速與內部故障的關聯性模型，分析油流速與內部故障故障的具體關係。
技術實現要素：
針對現有技術中對平波電抗器瓦斯繼電器誤動作的成因與其機理建模分析方面存在的問題，有必要對平波電抗器內部發生的故障進行分析。本發明專利以平波電抗器內部電弧故障和高能電場對絕緣油分解為基礎，提出了一種考慮瓦斯繼電器中以油流速與內部故障關聯性建模及分析的方法。首先建立平波電抗器內部電弧故障模型，再由此得出產氣量與電弧故障的關係表達式，然後通過電場與產氣速率的關係式以及產氣速率與平波電抗器內部油麵氣壓關係式得出產氣速率與高能電場分解絕緣油的關係，構建氣體產氣速率與油流速關係的數學模型。
為實現上述目的，本發明擬採用以下技術方案：
1、平波電抗器內部故障電弧能量模型；
2、產氣量與電弧故障能量的關係；
3、產氣速率與高能電場分解絕緣油的關係；
4、油流速與產氣速率關係的數學模型。
本發明是對平波電抗器內瓦斯繼電器油流速與電抗器內部點故障關聯性建模分析和研究，為以後瓦斯保護整定實驗性測試提供理論基礎，對瓦斯繼電器整定來規避區外故障、分辨區內故障提供指導依據。
附圖說明
圖1是本發明的算法總體流程圖；
圖2是平波電抗器匝間短路故障等效電路圖；
具體實施方式
本發明包括以下步驟：
1.平波電抗器內部故障電弧能量模型
當平波電抗器發生短路故障時，由於其內部具有特殊絕緣結構，因此故障點處有短路電弧，所產生的電弧能量為：
<![CDATA[ W a r c = 0 Δ t u a r c i a r c d t - - - ( 1 - 1 ) ]]>
式中：Warc為電弧能量；Δt為電弧持續時間；uarc為電弧兩端電壓降；iarc為電弧電流。
為使式(1-1)便於積分，可認為電弧電壓uarc總為正值，即將電弧電流iarc取絕對值：
<![CDATA[ W a r c = 0 Δ t u a r c | i a r c | d t - - - ( 1 - 2 ) ]]>
通常，不計近極區電壓降並忽略燃弧和熄弧尖峰，即認為在燃弧的每一電流半波期間弧柱中單位長度的電場強度為常數。因此電弧電壓uarc僅與電弧長度有關:
uarc＝E0·larc (1-3)
式中：E0為單位長度的電場強度，取值為100V/cm；larc為電弧長度，一般與故障嚴重程度相關。
本發明以平波電抗器發生匝間短路故障為例，討論平波電抗器短路故障電弧能量的求取方法。其故障等效電路如圖2所示。
根據節點電流定律，電弧電流iarc為電抗器電流i11與故障匝內環流i12之和，即：
iarc＝i11+i12 (1-4)
鑑於其短路故障模型存在缺陷，而差異主要集中於模型電抗和電感參數的近似程度。本處利用業界主流方法進行短路電流的求取並計算電 弧能量，接受其間產生的誤差。因此，針對平波電抗器匝間短路故障，其電弧能量為：
<![CDATA[ W a r c = E 0 l a r c 0 Δ t | i 11 + i 12 | d t - - - ( 1 - 5 ) ]]>
2.產氣量與電弧故障能量的關係
根據法國SERGI公司通過實驗得到的變壓器內部電弧故障能量與產氣量之間近似關係式為：
Vgas＝0.44ln(warc+5474.3)-3.8 (2-1)
由於平波電抗器的電弧故障反應機理與變壓器類似，則該式也可以適用於平波電抗器。
3.產氣速率與高能電場分解絕緣油的關係
3.1產氣速率與電場的關係
絕緣油在受高能電場能量的作用時，在絕緣油中溶解的氣體在電場作用下發生游離，會分解產氣。氣體游離過程中要釋放出高能電子，它與油分子發生碰撞，有可能擊斷C-H或C-C鍵，把其中的H原子或CH3原子團游離出來，形成游離基，促使產生二次氣泡：
H*+H*→H2
2CnH2n+1→CnH2n+2+CnH2n
上述反應只要電場能量足夠即可發生。產氣速率取決於化學鍵強度，鍵強度越高，產氣速率越低。同時產氣速率亦與電場強弱和液相表面氣體的壓力有關。這可以用經驗關係式描述：
<![CDATA[ dv g d t = k ( u - u s ) n p r - - - ( 3 - 1 ) ]]>
式中——產氣速率；
k——常數，為0.06；
u——工作電壓，kV；
us——析氣時起始電壓，一般為(3±0.5)kV；
p——油麵氣體壓力；
n——常數，為1.82；
γ——常數，為0.16。
3.2產生油氣體積與平波電抗器內部壓強的關係式
高能電場使油分解產氣的主要成分為氫氣、乙炔、甲烷、乙烯、一氧化碳、二氧化碳。
設總產氣量為Vg(假定產氣量都是在標準狀況下的體積：0攝氏度、1.01*105Pa，其具體求法在下面給出表達式)，則其中氫氣佔Vg1％，乙炔佔Vg2％，甲烷佔Vg3％，乙烯佔Vg4％，一氧化碳佔Vg5％，二氧化碳佔
Vg6％，其中則產氣後的各部分氣體的物質的量分別為：氫氣的物質的量為乙炔的物質的量為甲烷的物質的量為乙烯的物質的量為一氧化碳的物質的量為二氧化碳的物質的量為其中Vm是標況下1mol氣體的體積，一般取22.4L。由氣體的狀態方程：
pV＝nRT (3-2)
其中p是氣體壓強，V是氣體體積，n是氣體物質的量，R是常數，T是氣體溫度。
得
從而有
其中由於V1、V2為變壓器內部油麵氣體體積，則有V1＝V2，p1為穩態運行時油麵的氣壓，且化簡式有：
則綜合考慮平波電抗器內部電故障與高能電場對絕緣油分解所產生的氣體總體積，有產氣總體積與時間的關係：
<![CDATA[ V g = t 1 t 2 dv g d t d t + V g a s = t 1 t 2 k u ( t ) - u s n p ( p 1 ) γ d t + V g a s - - - ( 3 - 6 ) ]]>
4.油流速與產氣體積關係的數學模型
產生的不溶氣體混雜在油中，全部與油一起推動擋板，則由於產生氣體所造成的油流速
<![CDATA[ v = 1 S dV g d t - - - ( 4 - 1 ) ]]>
則平波電抗器油流速與產氣體積關係的數學模型為：
<![CDATA[ v = 1 S dV g d t = k u ( t ) - u s n p ( p 1 ) γ S + 1 S dV g a s d t - - - ( 4 - 2 ) ]]>
式中：k——常數，為0.06；
u——工作電壓，kV；
us——析氣時起始電壓，一般為(3±0.5)kV；
p——油麵氣體壓力；
p1——穩態運行時油麵的氣壓；
n——常數，為1.82；
γ——常數，為0.16；
Vg——為總產氣量；
S——瓦斯繼電器管具截面積；
Vgas——為內部電弧故障產氣量。