高压气体断路器开断性能评估方法和系统与流程

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种高压气体断路器开断性能评估方法和系统。

背景技术：

高压气体断路器(GCB)尤其是高压六氟化硫(SF6)断路器，由于具有优良的开断性能，被广泛应用于电力系统中。在断路器大容量、小型化的发展过程中，一个突出的问题就是如何通过灭弧室的优化设计及其与操作机构的特性配合，来加速弧后热恢复过程，提高弧后介质恢复强度，以降低重燃概率。

近年来，国内外对高压气体断路器电弧的磁流体动力学(MHD)仿真做了大量工作，为高压断路器设计与优化提供了一种非常有效的方法。另一方面，为进一步研究零点附近的电弧特性，特别针对其热击穿和电击穿特性，一些学者对零区电弧模型以及折合临界击穿场强的理论计算进行了研究。

尽管评估高压断路器开断性能对于产品的优化设计和性能提高的非常重要，但目前还没有针对高压气体断路器弧后热击穿和电击穿特性的综合评估方法或手段。

技术实现要素：

本发明的目的在于一种高压气体断路器开断性能评估方法和系统，可以实现对高压气体断路器弧后热击穿和电击穿特性的综合评估。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种高压气体断路器开断性能评估方法，包括：

对高压气体断路器的燃弧过程进行磁体动力学仿真，获得第一仿真结果，所述第一仿真结果包括电弧电流过零前的总电弧电压和电弧电流；

采用遗传算法拟合方式提取预设的零区电弧模型的模型参数；

以所述总电弧电压和所述电弧电流作为初始条件，根据所述模型参数、所述零区电弧模型和预设的瞬态恢复电压求解所述瞬态恢复电压作用下的弧后电流；

根据所述弧后电流的变化趋势判断所述高压气体断路器在开断过程中是否发生热击穿，得到判定结果；

在所述判定结果表明所述高压气体断路器在开断过程中未发生热击穿时，通过所述磁体动力学仿真获取第二仿真结果，所述第二仿真结果包括在弧后电流作用下的灭弧室内的压强分布和温度分布，并根据所述压强分布和所述温度分布获取灭弧室内的各点对应温度和对应压强下的临界击穿场强；

将灭弧室内的各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强分别与对应的临界击穿场强进行比较，获得灭弧室内场强与临界击穿场强的比值分布；

根据所述比值分布确定所述灭弧室内各点发生电击穿的概率。

一种高压气体断路器开断性能评估方法，包括：

仿真单元，用于对高压气体断路器的燃弧过程进行磁体动力学仿真，获得第一仿真结果，所述第一仿真结果包括电弧电流过零前的总电弧电压和电弧电流；

提取单元，用于采用遗传算法拟合方式提取预设的零区电弧模型的模型参数；

第一求解单元，用于以所述总电弧电压和所述电弧电流作为初始条件，根据所述模型参数、所述零区电弧模型和预设的瞬态恢复电压求解所述瞬态恢复电压作用下的弧后电流；

判断单元，用于根据所述弧后电流的变化趋势判断所述高压气体断路器在开断过程中是否发生热击穿，得到判定结果；

获取单元，用在在所述判定结果表明所述高压气体断路器在开断过程中未发生热击穿时时，通过所述磁体动力学仿真获取第二仿真结果，所述第二仿真结果包括在弧后电流作用下的灭弧室内的压强分布和温度分布，并根据所述压强分布和所述温度分布获取灭弧室内的各点对应温度和对应压强下的临界击穿场强；

比较单元，用于将灭弧室内的各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强分别与对应的临界击穿场强进行比较，获得灭弧室内场强与临界击穿场强的比值分布；

处理单元，用于根据所述比值分布确定所述灭弧室内各点发生电击穿的概率。

根据上述本发明方案，其是对高压气体断路器的燃弧过程进行磁体动力学仿真，获得第一仿真结果，所述第一仿真结果包括电弧电流过零前的总电弧电压和电弧电流，采用遗传算法拟合方式提取预设的零区电弧模型的模型参数，以所述总电弧电压和所述电弧电流作为初始条件，根据所述模型参数、所述零区电弧模型和预设的瞬态恢复电压求解所述瞬态恢复电压作用下的弧后电流，根据所述弧后电流的变化趋势判断所述高压气体断路器在开断过程中是否发生热击穿，得到判定结果，在所述判定结果表明所述高压气体断路器在开断过程中未发生热击穿时，通过所述磁体动力学仿真获取第二仿真结果，所述第二仿真结果包括在弧后电流作用下的灭弧室内的压强分布和温度分布，并根据所述压强分布和所述温度分布获取灭弧室内的各点对应温度和对应压强下的临界击穿场强，将灭弧室内的各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强分别与对应的临界击穿场强进行比较，获得灭弧室内场强与临界击穿场强的比值分布，根据所述比值分布确定所述灭弧室内各点发生电击穿的概率，本发明方案中综合评估了高压气体断路器弧后热击穿和电击穿特，本发明方案对于压气式断路器、自能式断路器等各种高压气体断路器的热击穿特性和电击穿特性评估均适用，为高压断路器开断性能(包括热击穿特性和电击穿特性)的综合评估提供了一种有效方式。

附图说明

图1为本发明实施例一的高压气体断路器开断性能评估方法的实现流程示意图；

图2为零前电弧电压的磁体动力学仿真结果和遗传算法拟合结果的比较图；

图3为弧后电流计算结果图；

图4为基于容性静电场计算得到的灭弧室内等电位线；

图5为灭弧室内的电场强度等值线；

图6为灭弧室内临界击穿场强等值线(10⁴V/mm)；

图7为灭弧室内场强与临界击穿场强的比值的等值线(10⁴V/mm)；

图8为灭弧室的临界击穿电压与恢复电压的比较图；

图9为本发明实施例二的高压气体断路器开断性能评估系统的组成结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

实施例一

本发明实施例一提供一种高压气体断路器开断性能评估方法。参见图1所示，为本发明实施例一的高压气体断路器开断性能评估方法的实现流程示意图。如图1所示，本实施例的高压气体断路器开断性能评估方法包括如下步骤：

步骤S101：对高压气体断路器的燃弧过程进行磁体动力学仿真，获得第一仿真结果，所述第一仿真结果包括电弧电流过零前的总电弧电压和电弧电流；

考虑到高压断路器结构的对称性，可以采用二维轴对称电弧模型来进行电弧进行磁体动力学仿真，在进行电弧进行磁体动力学仿真时所采用的控制方程如下：

式中，p为局部压强，ρ为密度，为速度矢量，w和v分别为轴向的速度分量和径向的速度分量，μ_l和μ_t分别为层流粘度和湍流粘度，J_r和J_z分别为轴向电流密度和径向电流密度，B_θ磁场的环向分量，h为焓，k_l和k分别为轴向的热导率和径向热导率，σ为电导率，c_p为定压比热，为电势，E为电场，q为辐射损耗，为粘度项，为粘度耗散，μ₀表示真空磁导率时间t表示时间，z表示轴向坐标，r表示径向坐标。

在具体实现时，采用二维轴对称电弧模型来对断路器的燃弧过程进行磁体动力学仿真，得到电弧电流过零前30微秒内的总电弧电压和电弧电流。

步骤S102：采用遗传算法拟合方式提取预设的零区电弧模型的模型参数；

这里，所述零区电弧模型由三个修正的迈耶尔电弧模型串联组成，具体地，如公式(7)～公式(9)。

其中，式(7)、(8)和(9)代表三个串联的可变电阻，这三个串联的可变电阻分别在慢过程、中过程和快过程中起主导作用。三个电阻流过相同的电流，总电弧电压为三个可变电阻上的电弧电压之和。该零区电弧模型中，A₁、A₂和A₃为电弧散热功率的倒数，τ₁、τ₂和τ₃为电弧时间常数，它们之间存在以下关系：τ₁＝k₁τ₂、τ₂＝k₂τ₃、A₃＝k₃A₂，因此，该零区电弧模型包含六个独立参数，分别是τ₁、A₁、A₂、k₁、k₂和k₃，其中，τ₁、A₁和A₂为电弧参数，k₁、k₂和k₃为断路器参数，上述的模型参数包括该电弧参数和断路器参数；u₁、u₂和u₃为三个串联的可变电阻上的电弧电压，g₁、g₂和g₃为电弧电导。为了提高计算结果的精度，以上微分方程(7)、(8)和(9)采用四阶Runge-Kutta数值计算方法来求解。

上述微分方程(7)、(8)和(9)描述了电流零区的电弧电压和电弧电流之间的定量关系，在给定参数和初始条件的前提下，可以通过电弧电流来求解电弧电压或通过电弧电压来求解电弧电流，因而可以通过求解最优化问题的方法来提取以上六个参数。在这里，通过电弧电流来求解电弧电压，在采用遗传算法拟合方式提取预设的零区电弧模型的模型参数时，是以电弧电导与所述第一仿真结果最相近为目标寻求最优的断路器参数和电弧参数。由于零区电弧模型的参数较多，因而采用适用于多变量优化问题的遗传算法来进行拟合，提取零区电弧模型的参数，其中，选取电弧电导作为所述遗传算法的适应度函数，适应度函数如公式(10)所示。

这里i_a(t)表示电弧电流，u_a，_MHD(t)表示磁体动力学仿真得到的总电弧电压，u_a，Cal(t)为最优化拟合计算得到的电弧电压，g_a，MHD(t)和g_a，Cal(t)分别表示磁体动力学仿真和最优化拟合计算得到的电弧电导。

如图2所示，为零前的总电弧电压的磁体动力学仿真结果和遗传算法拟合结果对比图，可见，采用遗传算法拟合方式提取预设的零区电弧模型的模型参数的可行性较高。

步骤S103：以所述总电弧电压和所述电弧电流作为初始条件，根据所述模型参数、所述零区电弧模型和预设的瞬态恢复电压求解所述瞬态恢复电压作用下的弧后电流；

具体地，零区电弧模型描述了电弧电压和电弧电流的微分定量关系，因而在给定起始条件的情况下，可以给定电弧电压来求解电弧电流。电弧电流过零后，可以利用上述步骤S102中提取到的模型参数(电弧参数和断路器参数)，以及预设的瞬态恢复电压，基于步骤S101中得到的述总电弧电压和所述电弧电流作为初始条件，通过四阶Runge-Kutta数值计算方法来求解解零区电弧模型的微分方程，获得瞬态恢复电压作用下的弧后电流。如图3所示，为某次的弧后电流计算结果。

步骤S104：根据所述弧后电流的变化趋势判断所述高压气体断路器在开断过程中是否发生热击穿，得到判定结果；

具体地，若所述弧后电流的变化趋势表明弧后电流是先增大后减小最后逐渐归零(如图3所示)，则确定所述高压气体断路器在开断过程中不会发生热击穿，若所述弧后电流的变化趋势表明弧后电流持续增大，则确定所述高压气体断路器在开断过程中发生热击穿，若发生热击穿，说明开断失败。

步骤S105：在所述判定结果表明所述高压气体断路器在开断过程中未发生热击穿时，通过所述磁体动力学仿真获取第二仿真结果，所述第二仿真结果包括在弧后电流作用下的灭弧室内的压强分布和温度分布，并根据所述压强分布和所述温度分布获取灭弧室内的各点对应温度和对应压强下的临界击穿场强；

根据所述压强分布和所述温度分布获取灭弧室内的各点对应温度和对应压强下的临界击穿场强的具体过程可以是，首先，根据所述温度分布获取各点处的温度值；根据所述压强分布获取各点处的压强值；再根据预设的温度值和压强值与临界击穿场强的对应关系，以及各点处的温度值和压强值获取灭弧室内的各点对应温度下和对应压强下的临界击穿场强。

步骤S106：将灭弧室内的各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强分别与对应的临界击穿场强进行比较，获得灭弧室内场强与临界击穿场强的比值分布；

具体地，首先考虑弧后电流对于电弧熄灭后灭弧室内气体的欧姆加热作用，计算在弧后电流作用下的灭弧室内的气流场分布，在此基础上，通过容性静电场计算灭弧室内该气流场条件(灭弧室内的气流场分布)下由瞬态恢复电压引起的电场分布(如图4所示)，由该电场分布确定灭弧室内的各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强(电场强度)，如图5所示，为某次确定的灭弧室内电场强度等值线；再将灭弧室内的各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强分别与对应的临界击穿场强(图6为灭弧室内临界击穿场强等值线)进行一一比较，获得灭弧室内场强与临界击穿场强的比值分布，即灭弧室内各点的场强与对应的临界击穿场强的比值。如图7所示，为某次计算得到的灭弧室内的场强与临界击穿场强的比值的等值线，图7中的等值线可以表征各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强分别与对应的临界击穿场强的大小关系。

其中，电弧电流过零后，先经历热恢复阶段，再经历电恢复阶段，两个过程持续时间分别为数微妙和数百微妙。因此，在热恢复阶段，以步骤S103中计算得到的弧后电流作为电流通量边界，计算该弧后电流作用下的气流场分布，并将该气流场分布作为电恢复阶段的初始条件；在电恢复阶段，以瞬态恢复电压作为电位边界，计算容性静电场下灭弧室内的电场分布以及气流场变化情况，得到了灭弧室内各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强。

步骤S107：根据所述比值分布确定所述灭弧室内各点发生电击穿的概率；

在其中一个实施例中，所述根据所述比值分布确定所述灭弧室内各点发生电击穿的概率包括：对于灭弧室内的任意一点，若所述比值分布表明该点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强高于对应的临界击穿场强，确定该点处为易击穿处，若所述比值分布表明该点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强不高于对应的临界击穿场强，确定该点处为非易击穿处。

具体地，对于灭弧室内的任意一点，还可以用该点处的场强与临界击穿场强的比值表征该点发生电击穿的概率。

此外，本发明的高压气体断路器开断性能评估方法，还可以包括步骤：改变所述瞬态恢复电压的上升率，求解得到临界热击穿情况下的恢复电压上升率，用所述恢复电压上升率表征断路器的开断能力和开断裕量。如图8所示，为灭弧室的临界击穿电压与恢复电压的比较图。具体地，通过不断地改变瞬态恢复电压的上升率，若在某次改变瞬态恢复电压的上升率前，所述高压气体断路器在开断过程中未发生热击穿，而在该次改变瞬态恢复电压的上升率后，所述高压气体断路器在开断过程中发生热击穿，在将该次改变瞬态恢复电压前的瞬态恢复电压作为临界热击穿情况下的恢复电压上升率。临界热击穿情况下的恢复电压上升率越高，则说明该高压气体断路器的开断能力越高。若该恢复电压上升率远高于标准规定的额定恢复电压上升率(例如，恢复电压上升率高于额定恢复电压上升率与一个大于1的正整数的乘积)，则表明该断路器仍有很大的开断裕量，因此，所述恢复电压上升率可以表征断路器的开断能力和开断裕量。

据此，根据上述本实施例的方案，其是对高压气体断路器的燃弧过程进行磁体动力学仿真，获得第一仿真结果，所述第一仿真结果包括电弧电流过零前的总电弧电压和电弧电流，采用遗传算法拟合方式提取预设的零区电弧模型的模型参数，以所述总电弧电压和所述电弧电流作为初始条件，根据所述模型参数、所述零区电弧模型和预设的瞬态恢复电压求解所述瞬态恢复电压作用下的弧后电流，根据所述弧后电流的变化趋势判断所述高压气体断路器在开断过程中是否发生热击穿，得到判定结果，在所述判定结果表明所述高压气体断路器在开断过程中未发生热击穿时，通过所述磁体动力学仿真获取第二仿真结果，所述第二仿真结果包括在弧后电流作用下的灭弧室内的压强分布和温度分布，并根据所述压强分布和所述温度分布获取灭弧室内的各点对应温度和对应压强下的临界击穿场强，将灭弧室内的各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强分别与对应的临界击穿场强进行比较，获得灭弧室内场强与临界击穿场强的比值分布，根据所述比值分布确定所述灭弧室内各点发生电击穿的概率，本发明方案中综合评估了高压气体断路器弧后热击穿和电击穿特，本发明方案对于压气式断路器、自能式断路器等各种高压气体断路器的热击穿特性和电击穿特性评估均适用，为高压断路器开断性能(包括热击穿特性和电击穿特性)的综合评估提供了一种有效方式。

实施例二

根据上述实施例中的高压气体断路器开断性能评估方法，本发明还提供一种高压气体断路器开断性能评估系统。图9为本发明实施例二的高压气体断路器开断性能评估系统的组成结构示意图。图9中示出了本发明实施例二的高压气体断路器开断性能评估系统的一个较佳的组成结构示意图。依据不同的考虑因素，在具体实现本发明的高压气体断路器开断性能评估系统时，可以包含图9中所示的全部，也可以只包含图9中所示的其中一部分，以下就针对其中的几个高压气体断路器开断性能评估系统的具体实施例进行详细说明。

在其中一个实施例中，本发明的高压气体断路器开断性能评估的系统，包括仿真单元201、提取单元202、第一求解单元203、判断单元204、获取单元205、比较单元206和处理单元207，其中：

仿真单元201，用于对高压气体断路器的燃弧过程进行磁体动力学仿真，获得第一仿真结果，所述第一仿真结果包括电弧电流过零前的总电弧电压和电弧电流；

提取单元202，用于采用遗传算法拟合方式提取预设的零区电弧模型的模型参数；

第一求解单元203，用于以所述总电弧电压和所述电弧电流作为初始条件，根据所述模型参数、所述零区电弧模型和预设的瞬态恢复电压求解所述瞬态恢复电压作用下的弧后电流；

判断单元204，用于根据所述弧后电流的变化趋势判断所述高压气体断路器在开断过程中是否发生热击穿，得到判定结果；

获取单元205，用在在所述判定结果表明所述高压气体断路器在开断过程中未发生热击穿时时，通过所述磁体动力学仿真获取第二仿真结果，所述第二仿真结果包括在弧后电流作用下的灭弧室内的压强分布和温度分布，并根据所述压强分布和所述温度分布获取灭弧室内的各点对应温度和对应压强下的临界击穿场强；

比较单元206，用于将灭弧室内的各点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强分别与对应的临界击穿场强进行比较，获得灭弧室内场强与临界击穿场强的比值分布；

处理单元207，用于根据所述比值分布确定所述灭弧室内各点发生电击穿的概率。

在其中一个实施例中，仿真单元201在对高压气体断路器开断过程中产生的电弧进行磁体动力学仿真时，采用的是二维对称电弧模型。

在其中一个实施例中，提取单元202在采用遗传算法拟合方式提取预设的零区电弧模型的模型参数时，是以电弧电导与所述第一仿真结果最相近为目标寻求最优的模型参数，且选取电弧电导作为所述遗传算法的适应度函数；

所述零区电弧模型为：其中，g₁、g₂和g₃为电弧电导，A₁、A₂和A₃为电弧散热功率的倒数，τ₁、τ₂和τ₃为电弧时间常数，u₁、u₂和u₃为电弧电压，τ₁＝k₁τ₂、τ₂＝k₂τ₃、A₃＝k₃A₂，τ₁、A₁和A₂为电弧参数，k₁、k₂和k₃为断路器参数，所述模型参数包括所述电弧参数和所述断路器参数。

在其中一个实施例中，处理单元207对于灭弧室内的任意一点，若所述比值分布表明该点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强高于对应的临界击穿场强，确定该点处为易击穿处，若所述比值分布表明该点处的由瞬态恢复电压作用引起的场强不高于对应的临界击穿场强，确定该点处为非易击穿处。

在其中一个实施例中，如图9所示，本发明的高压气体断路器开断性能评估系统，还可以包括：

第二求解单元208，用于改变所述瞬态恢复电压的上升率，求解得到临界热击穿情况下的恢复电压上升率，用所述恢复电压上升率表征断路器的开断能力和开断裕量。

本发明实施例提供的高压气体断路器开断性能评估系统，需要指出的是：以上对于高压气体断路器开断性能评估系统的描述，与上述高压气体断路器开断性能评估方法的描述是类似的，并且具有上述高压气体断路器开断性能评估方法的有益效果，为节约篇幅，不再赘述；因此，以上对本发明实施例提供的高压气体断路器开断性能评估系统中未披露的技术细节，请参照上述提供的高压气体断路器开断性能评估方法的描述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。