基于招弧角建弧的直流接地极线路闪络故障电路模型、分析方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及直流输电技术领域，特别是涉及一种基于招弧角建弧的直流接地极线 路闪络故障电路模型，以及一种基于招弧角建弧的直流接地极线路闪络故障分析方法和系 统。
【背景技术】
[0002] 接地极线路是连接直流换流站中性母线与接地极址的导流线路，是将直流电流引 入大地的线路。对于双极直流输电系统，当一极导线或一极换流器停止工作时，仍可利用另 一极换流器、接地极线路、大地形成回路，输送一半容量的电能，因此接地极线路对直流输 电系统的灵活运行具有重要作用。但由于接地极线路运行电压很低，一般不足10kV，且又按 照35kV或110kV等级线路要求设计，使得线路本身绝缘水平较低，造成接地极线路发生闪 络故障概率较高。
[0003] 目前，关于接地极线路故障的研宄，以故障测距方法为主，一是优化电路模型，包 括利用贝杰龙模型、R-L模型、31 /T型等效电路等；二是改进计算方法，包括利用直流分量、 频域、直流/谐波分量等。上述研宄较好的解决了直流接地极线路故障测距问题，但结合线 路运行维护现状，现有线路故障分析方法仍有待完善，主要体现在以下两个方面：
[0004] (1)以系统运行分析为主，计算建模中未充分考虑线路闪络建弧过程，过渡电阻也 并不明确，接地位置电气特性模拟有待改进。
[0005] (2)主要从继电保护角度开展故障分析，计算过程较复杂，缺乏操作简便性，不便 于输电线路维护人员进行线路故障分析时采用。
[0006] 考虑到接地极线路以闪络故障为主，而这类闪络故障往往以绝缘子并联间隙为放 电通道，涉及招弧角稳定建弧过程。而对于直流线路，在有直流续流条件下，招弧角空气间 隙在冲击闪络后，形成稳定直流电弧与空气间隙形成直流电弧的伏安特性及回路电阻等有 关。
[0007] 由此，有必要对考虑招弧角稳定建弧的接地极线路闪络故障电路模型及其分析方 法进行研宄，并以此为理论依据，开发一套适用于线路运维人员的直流接地极线路闪络故 障分析系统。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的是考虑招弧角稳定建弧的接地极线路闪络故障电路模型及其分析 方法和系统，以用于直流接地极线路故障的研宄，简化闪络故障分析中的计算过程。
[0009] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
[0010] 基于招弧角建弧的直流接地极线路闪络故障电路模型，包括运行电流Ie的等效 电流源、接地极址的等效电阻Re，所述运行电流Ie分流至两条等长并联支路，两条并联支 路再汇流至所述接地极址，其中第一支路为接地极线路正常运行的一组导线，等效为分导 线全电阻R1，第二支路为接地极线路发生闪络故障的另一组导线，等效为换流站侧分导线 电阻R2和接地极侧分导线电阻R3，在换流站侧分导线电阻R2和接地极侧分导线电阻R3之 间连接有故障杆塔等效分路，该故障杆塔等效分路包括依次串接的由线路故障导线至杆塔 的电弧等效电阻Rare、故障杆塔接地电阻Rt，以及与接地电阻Rt并联连接的分流效应等效 电阻Rp。
[0011] 针对上述电路模型，本发明还提出了一种基于招弧角建弧的直流接地极线路闪络 故障分析方法，包括以下步骤：
[0012] 步骤A、将所述直流接地极线路闪络故障电路模型中的电弧等效电阻Rare以外电 路部分等效为线性含源一端口网络，并求解该一端口网络的负载线；
[0013] 步骤B、建立所述电弧等效电阻Rare的电弧静态伏安曲线；
[0014] 步骤C、由所述一端口网络的负载线和电弧静态伏安曲线的交点，确定电弧稳定燃 烧点；
[0015] 步骤D、若存在电弧稳定燃烧点，则根据所述电弧稳定燃烧点的电压、电流值，计算 直流接地极线路闪络故障状态的各个电气参量；若不存在电弧稳定燃烧点，则断开所述故 障杆塔等效分路，计算直流接地极线路正常运行状态各个电气参量。
[0016] 所述步骤A包括：
[0017] 求解所述一端口网络的开路电压％，其计算式为：
[0019] 求解所述一端口网络的短路电流Is，其计算式为：
[0021] 在以电压为纵坐标轴、以电流为横坐标轴的坐标系中，画出过点（ls，0)和点（0， Uo)的线段，获得一端口网络的负载线。
[0022] 所述电弧静态伏安曲线的表达式为：
[0024] 其中，Uh为直流电弧端电压，U'为电弧近极压降，1为电弧长度，I h为电弧电流， U'、c、n为常数。
[0025] 所述闪络故障状态电气参量包括：
[0026] 故障杆塔电压
[0027]接地极址电压 UKe= (I e_IaJ Re
[0028] 闪络线总电流
[0029]非闪络线电流，InOT= I e_If
[0030] 中性母线电压Un= U
[0031]不平衡电流A I= |If-InOT|〇
[0032] 相应地，为使上述方法得以应用，本发明还提出了一种基于招弧角建弧的直流接 地极线路闪络故障分析系统，包括：
[0033] 电弧外电路等效一端口网络负载线建立模块，用于根据所述直流接地极线路闪络 故障电路模型，将电弧等效电阻Rare以外电路部分等效为线性含源一端口网络，并求解其 负载线；
[0034] 电弧伏安曲线建立模块，用于建立所述电弧等效电阻Rare的电弧静态伏安曲线；
[0035] 稳定燃烧点确立模块，用于由所述一端口网络负载线和电弧静态伏安曲线的交 点，确定电弧稳定燃烧点；
[0036] 电气参量计算模块，用于根据所述电弧稳定燃烧点计算直流接地极线路闪络故障 状态的各个电气参量。
[0037] 本发明的优点是：
[0038] 1、从招弧角稳定建弧的角度出发，提出了一个合理的用于接地极线路闪络故障分 析的电路模型，在基础上，计算杆塔招弧角闪络故障时的各个电参量，实现具体故障原因的 分析，为故障预防及排除等提供支撑；
[0039] 2、计算电参量仅需利用简单的线路运行参数，其计算误差小，过程简便，容易编程 实现计算过程的自动化；
[0040] 3、计算原理较传统分析方法更适用于线路运维人员开展线路故障分析工作，可降 低故障分析难度同时提高故障分析的准确性，保证直流输电系统的稳定、可靠运行，并降低 工作强度；
[0041] 4、根据电路模型，可计算线路发生闪络故障并且可能导致系统重启的临界运行电 流值，评估不同运行情况下接地极线路闪络故障风险，为系统调度人员、变电输电运行人员 提供技术指导。
【附图说明】
[0042] 图1(a)是本发明的电路模型示意图；
[0043]图1 (b)是本发明电路模型的等效分析图；
[0044]图2是外电路伏安曲线坐标轴交点值计算电路模型图；
[0045] 图3是电弧稳定燃烧点图解分析图；
[0046] 图4是线路闪络故障状态下电气参量计算电路模型图；
[0047] 图5是本发明实例中杆塔C闪络故障时接地极线路录波数据图。
【具体实施方式】
[0048] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实 施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0049] 实施例
[0050] 招弧角能否建立稳定直流电弧主要取决于招弧角间稳定电弧的静态伏安曲线与 电弧以外电路等效而成的线性含源一端口网络的负载线的相互配合，即招弧角建弧的前提 是电弧伏安曲线与一端口网络负载线存在交点。因此，本发明的基本思想是围绕电弧及外 电路回路建立模型，通过两部分电路伏安曲线、负载线的交点确定招弧角电弧电流（直流 续流）及电压，再以此为基础，计算接地极线路闪络故障情况下的各电气参量。
[0051] 首先，对本发明提出的基于招弧角的直流接地极线路闪络故障电路模型进行说 明。
[0052] 接地极线路一般由两组导线支路并联组成，运行电流通过两条分支路从换流站流 入接地极址。正常运行时，分导线电流相等，均为50%运行电流。招弧角闪络故障初期，线 路保护未动作，接地极线路运行总电流大小不变；出现闪络的分导线电流通过招弧角间隙 流入故障杆塔，会使该分导线电流增加；未发生闪络的另一条分导线电流降低；因而两分 导线电流出现明显差值。
[0053] 图1(a)为本发明提出的发生闪络故障状态下接地极线路的电路模型，包括运行 电流Ie的等效电流源、接地极址的等效电阻Re、接地极线路两组分导线等效的两条并联支 路，以及故障杆塔等效分路（含电弧等效电阻Rare、杆塔的接地电阻Rt、分流效应的等效电 阻 Rp)。
[0054] 基于图1(a)的电路模型，以下对本发明提出的基于招弧角建弧的直流接地极线 路闪络故障分析方法进行详细说明。
[0055] (1)电弧外电路建模
[0056] 电弧外电路是指除电弧之外包含接地极线路及故障杆塔在内所有电气设备、电气 参量的等效电路，主要包括接地极线路、故障杆塔两部分。
[0057] ①接地极线路部分
[0058] 运行电流16为接地极运行总电流，分导线全电阻1为换流站至接地极址间分导线 总电阻（即非闪络线总电阻），换流站侧分导线电阻馬为换流站至故障杆塔间闪络线电阻， 接地极侧分导线电阻馬为故障杆塔至接地极址间闪络线电阻，接地极址的等效电阻R e为极 址实测电阻。
[0059] 记接地极线路全长、故障杆塔至换流站距离12、单根导线单位长度直流电阻r、 分支路导线分裂数N，可求得图1电路模型中的
[0060] R:= rl :/N (1)
[0061] R2= rl 2/N (2)
[0062] R3= r (1 fl2)/N = (3)
[0063] ②故障杆塔部分
[0064] 电弧电流（直流续流）一部分通过故障杆塔接地电阻Rt入地；另一部分通过故障 杆塔地线分流至相邻杆塔，分流效应等效为并联电阻R p。&及Rp均可实测得到，在已知R t 的条件下，以杆塔分流60%计，一般可取：
[0065] Rp= 1. 5Rt (4)
[0066] ③建立电弧外电路等效一端口网络负载线
[0067] 电弧外电路等效一端口网络负载线由电弧以外电路的回路方程确定，是一条与电 流的横轴相交于（I s，〇)、与电压的纵轴相交于（〇，U。）的直线，其斜率为 为一端口网络等效内阻）。
[0068] 其中开路电压U。、短路电流Is可由图2所示等效电路图计算求得：
[0069] U0= I e(Re+0. 5R3) (5)
[0071] 具体求解过程如下：
[0072] 如图2(a)，求解所述一端口网络的开路电压％，其计算式为：
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