一种弧光接地故障物理模拟仿真实验装置、方法和系统与流程

1.本发明属于配电网弧光接地故障的模拟仿真测试领域，具体涉及一种弧光接地故障物理模拟仿真实验装置、方法和系统。


背景技术：

2.随着配电网高速发展，城市电网中电缆线路不断增加，智能变电站中全封闭sf6气体绝缘装置也得到广泛应用，这些都大幅增加了系统中的电容电流，使得单相接地引发的弧光过电压风险逐渐增加。弧光接地故障数字仿真为理想化的，或者拟合的，不能直观描述配电网现场的弧光放电过程，而为了真实反映弧光的发生发展过程和特性，最接近真实的实验是在10kv中压配电网线路上进行，一方面为研究弧光接地故障特征、识别定位算法、抑制措施等科学问题提供实验手段，另一方面也为弧光接地识别和定位装置、弧光抑制装置等的检测提供平台。但该方式风险较大高压实验一次结构的调整比较繁琐，且具有危险性，不可作为常规手段，也有部分研究机构专门搭建实验场地，进行真实实验，如河南漯河真型实验场，部分研究机构选择采用物理模拟仿真实验装置的方式进行实验，根据需要设置不同的实验条件和环境，该方式也比较接近真实配电网弧光现象，但目前的配电网弧光接地故障模拟装置程控能力较弱，各项功能也不完善。


技术实现要素：

3.为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种弧光接地故障物理模拟仿真实验装置，包括：
4.第一石墨棒、第二石墨棒、支撑绝缘子、可调阻抗、步进电机组合和控制模块；
5.所述第一石墨棒的放电尖端与所述第二石墨棒的放电尖端平行对立放置，所述第一石墨棒放置在支撑绝缘子上，尾端接入配电线路，所述第二石墨棒固定在所述控制模块上，棒体通过可调阻抗接地；
6.所述可调阻抗用于根据实验所需的放电强度调整线路阻抗值；
7.所述步进电机组合分别与所述第二石墨棒和所述控制模块连接，用于基于所述控制模块的控制指令，控制所述第二石墨棒与第一石墨棒的放电尖端相互靠近，达到击穿间隙,两尖端之间形成电弧；
8.所述步进电机组合包括第一步进电机组合和第二步进电机组合，所述第一步进电机组合用于控制放电距离，所述第二步进电机组合用于控制放电频率和放电相角。
9.优选的，所述控制模块，包括：
10.快速开关和可编程控制器；
11.所述快速开关连接在配电线路中，用于控制所述仿真实验装置运行和停止；
12.所述可编程控制器分别与步进电机组合和快速开关相连，用于执行程序控制步进电机组合的运行和停止，以及快速开关的开启和闭合。
13.优选的，所述第一步进电机组合，包括：
14.一步进个电机；
15.所述一个步进电机连接第二石墨棒，用于带动所述第二石墨棒放电尖端靠近第一石墨棒放电尖端，使两石墨棒尖端距离达到击穿间隙,形成电弧。
16.优选的，所述第二步进电机组合，包括：
17.第一步进电机和第二步进电机；
18.所述第一步进电机连接第二石墨棒，用于使第二石墨棒在摆动平面内平面摆动，所述第二步进电机连接第一步进电机，用于带动第二石墨棒放电尖端靠近第一石墨棒放电尖端，使两石墨棒尖端距离和相角达到击穿间隙，形成电弧。
19.基于同一发明构思，本发明还提供了一种弧光接地故障物理模拟仿真实验方法，包括：
20.根据实验所模拟的弧光放电强度，调整预先构建的弧光接地故障物理模拟仿真实验装置中的可调阻抗的阻抗值；
21.根据实验所控制的放电距离或频率和相角，选择并计算对应的步进电机组合的运行时间或速度和角速度；
22.在接通电源后，基于控制模块的控制指令，所述步进电机组合按照运行时间或速度和角速度控制步进电机组合运动，间接控制第二石墨棒靠近放置在支撑绝缘子上的第一石墨棒的距离或频率和相角，从而产生放电距离、放电频率或放电相角可控的弧光放电现象；
23.其中，所述弧光接地故障物理模拟仿真实验装置采用如前所述任一所述的一种弧光接地故障物理模拟仿真实验装置。
24.优选的，所述基于控制模块的控制指令，所述步进电机组合按照运行时间或速度和角速度控制步进电机组合运动，包括：
25.所述控制模块中的可编程控制器对所述控制模块中的快速开关发出控制指令，经过第一延迟时间后，快速开关开始闭合，所述可编程控制器对步进电机组合发出指令，经过第二延迟时间后，步进电机组合按照预先计算得到的运行时间或速度和角速度运动；
26.所述预先计算得到的速度是基于比例积分算法，通过调节电机运行速度计算得到的。
27.优选的，所述调节电机运行速度，包括：
28.测量从可编程控制器发出指令到快速开关闭合的延迟时间，得到第一延迟时间，测量从可编程控制器发出指令到步进电机组合运行的延迟时间，得到第二延迟时间；
29.基于第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电尖端放电时所处的位置，得到放电尖端位置差；
30.基于所述第一延迟时间、第二延迟时间和放电尖端位置差结合速度的计算公式进行计算，得到第一运行速度；
31.以所述第一运行速度为比例积分算法调节的对象，在放电尖端位置差不变的条件下按照设定比例增大第一运行速度减小第一延迟时间和第二延迟时间到设定范围内，将使第一延迟时间和第二延迟时间减小到设定范围内的第一运行速度作为步进电机组合的速度。
32.优选的，所述基于第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电尖端放电时所处
的位置，得到放电尖端位置差，包括：
33.在第一步进电机组合中，基于第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电时所处的位置之间的距离，得到放电尖端位置差；
34.在第二步进电机组合中，基于第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电时所处的位置之间角度差，得到放电尖端位置差。
35.优选的，所述基于所述第一延迟时间、第二延迟时间和放电尖端位置差结合速度的计算公式进行计算，得到第一运行速度，包括；
36.基于第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电时所处的位置之间的距离、所述第一延迟时间和第二延迟时间，结合速度的计算公式计算步进电机组合的直线运行速度；
37.基于第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电时所处的位置之间角度差、所述第一延迟时间和第二延迟时间，结合角速度的计算公式计算步进电机组合运行的角速度。
38.优选的，所述速度的计算公式如下式所示：
[0039][0040]
式中，v为步进电机组合的直线运行速度，δt为可编程控制器发出指令到快速开关闭合的延迟时间，δl为第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电时所处的位置之间的的距离，δt
′
为可编程控制器发出指令到电机组合运行的延迟时间。
[0041]
优选的，所述角速度的计算公式如下：
[0042][0043]
式中，v
θ
为步进电机组合运行的的角速度，δθ为第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电时所处的位置之间角度差，δt为可编程控制器发出指令到快速开关闭合的延迟时间，δt
′
为可编程控制器发出指令到电机组合运行的延迟时间。
[0044]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种弧光接地故障物理模拟仿真实验系统，包括：
[0045]
实验参数设定模块、实验自动控制模块和电机速度调节模块；
[0046]
所述实验参数模块，用于根据所述放电距离或频率和相角，计算对应的步进电机运行时间或速度和角速度，根据实验所模拟的弧光放电强度，调整预先构建的弧光接地故障物理模拟仿真实验装置中的可调阻抗的阻抗值；
[0047]
所述实验自动控制模块，用于在接通电源后，基于控制模块的控制指令，控制所述步进电机组合按照运行时间或速度和角速度控制步进电机组合运动，间接控制第二石墨棒靠近放置在支撑绝缘子上的第一石墨棒的距离或频率和相角，从而产生放电距离、放电频率或放电相角可控的弧光放电现象；
[0048]
所述电机速度调节模块，用于以所述第一运行速度为比例积分算法调节的对象，在放电尖端位置差不变的条件下按照设定比例增大第一运行速度减小第一延迟时间和第二延迟时间到设定范围内，将使第一延迟时间和第二延迟时间减小到设定范围内的第一运行速度作为步进电机组合的速度。
[0049]
优选的，所述放电尖端位置差，包括：
[0050]
第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电时所处的位置之间的距离或角度差。
[0051]
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
[0052]
本发明提供了一种弧光接地故障物理模拟仿真实验装置、方法和系统，包括：第一石墨棒、第二石墨棒、支撑绝缘子、可调阻抗、步进电机组合和控制模块；所述第一石墨棒的放电尖端与所述第二石墨棒的放电尖端平行对立放置，所述第一石墨棒放置在支撑绝缘子上，尾端接入配电线路，所述第二石墨棒固定在所述控制模块上，棒体通过可调阻抗接地；所述可调阻抗用于根据实验所需的放电强度调整线路阻抗值；所述步进电机组合分别与所述第二石墨棒和所述控制模块连接，用于基于所述控制模块的控制指令，控制所述第二石墨棒与第一石墨棒的放电尖端相互靠近，达到击穿间隙,两尖端之间形成电弧；所述步进电机组合包括第一步进电机组合和第二步进电机组合，所述第一步进电机组合用于控制放电距离，所述第二步进电机组合用于控制放电频率和放电相角。本发明通过设计一种弧光接地故障物理模拟仿真实验装置解决了以往配电网弧光接地故障模拟装置功能单一、操作不方便、配置不灵活的缺点，本发明可实现配电网弧光接地故障不同放电频率、相位、接地电阻的可控，并能自动将故障波形录波，直观观察弧光接地放电过程，自动化程度高，操作方便，安全可靠。
附图说明
[0053]
图1为本发明提供的一种弧光接地故障物理模拟仿真实验装置结构示意图；
[0054]
图2为本发明提供的步进电机组合控制弧光发生原理图；
[0055]
图3为本发明提供的直线运行相位补偿示意图；
[0056]
图4为本发明提供的摆式可控弧光发生装置图；
[0057]
图5为本发明提供的摆式运动相位补偿示意图；
[0058]
图6为本发明提供的控制论弧光模型放电流电压波形图；
[0059]
图7为本发明提供的一种弧光接地故障物理模拟仿真实验方法流程示意图；
[0060]
图8为本发明提供的一种弧光接地故障物理模拟仿真实验系统结构示意图。
具体实施方式
[0061]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
[0062]
实施例1：
[0063]
本发明提供的一种弧光接地故障物理模拟仿真实验装置结构示意图如图1所示，包括：
[0064]
第一石墨棒、第二石墨棒、支撑绝缘子、可调阻抗、步进电机组合和控制模块；
[0065]
所述第一石墨棒的放电尖端与所述第二石墨棒的放电尖端平行对立放置，所述第一石墨棒放置在支撑绝缘子上，尾端接入配电线路，所述第二石墨棒固定在所述控制模块上，棒体通过可调阻抗接地；
[0066]
所述可调阻抗用于根据实验所需的放电强度调整线路阻抗值；
[0067]
所述步进电机组合分别与所述第二石墨棒和所述控制模块连接，用于基于所述控
制模块的控制指令，控制所述第二石墨棒与第一石墨棒的放电尖端相互靠近，达到击穿间隙,两尖端之间形成电弧；
[0068]
所述步进电机组合包括第一步进电机组合和第二步进电机组合，所述第一步进电机组合用于控制放电距离，所述第二步进电机组合用于控制放电频率和放电相角。
[0069]
其中，所述控制模块，包括：
[0070]
快速开关和可编程控制器；
[0071]
所述快速开关连接在配电线路中，用于控制所述仿真实验装置运行和停止；
[0072]
所述可编程控制器分别与步进电机组合和快速开关相连，用于执行程序控制步进电机组合的运行和停止，以及快速开关的开启和闭合；
[0073]
其中，所述第一步进电机组合，包括：
[0074]
一个步进电机；
[0075]
所述一个步进电机连接第二石墨棒，用于带动所述第二石墨棒放电尖端靠近第一石墨棒放电尖端，使两石墨棒尖端距离达到击穿间隙,形成电弧。
[0076]
其中，所述第二步进电机组合，包括：
[0077]
第一步进电机和第二步进电机；
[0078]
所述第一步进电机连接第二石墨棒，用于使第二石墨棒在摆动平面内平面摆动，所述第二步进电机连接第一步进电机，用于带动第二石墨棒放电尖端靠近第一石墨棒放电尖端，使两石墨棒尖端距离和相角达到击穿间隙，形成电弧。
[0079]
实施例2：
[0080]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种弧光接地故障物理模拟仿真实验方法。
[0081]
该方法流程示意图如图7所示，包括：
[0082]
步骤1：根据实验所模拟的弧光放电强度，调整预先构建的弧光接地故障物理模拟仿真实验装置中的可调阻抗的阻抗值；
[0083]
步骤2：根据实验所控制的放电距离或频率和相角，选择并计算对应的步进电机组合的运行时间或速度和角速度；
[0084]
步骤3：在接通电源后，基于控制模块的控制指令，所述步进电机组合按照运行时间或速度和角速度控制步进电机组合运动，间接控制第二石墨棒靠近放置在支撑绝缘子上的第一石墨棒的距离或频率和相角，从而产生放电距离、放电频率或放电相角可控的弧光放电现象；
[0085]
其中，所述弧光接地故障物理模拟仿真实验装置采用上述任一所述的一种弧光接地故障物理模拟仿真实验装置。
[0086]
具体的，步骤1包括：
[0087]
根据实验所模拟的弧光放电强度，调整预先构建的弧光接地故障物理模拟仿真实验装置中的可调阻抗的阻抗值。
[0088]
步骤2包括：
[0089]
根据实验所控制的放电距离或频率和相角，选择并计算对应的步进电机组合的运行时间或速度和角速度。
[0090]
其中，第一步进电机组合通过m控制间距和行进速度，以达到实现弧光放电距离可控，其原理如图2所示。在已知某放电间距情况下，通过控制快速开关k(也可以考虑采用电
力电子开关)的开关，在任意电角度导通并发生弧光放电。为了补偿由于快速开关k的延迟造成的相位误差，算法上要进行相位补偿，相位补偿示意图如图3所示。首先根据需要放电的相位，计算后续的放电时刻tf，根据现在时刻，计算出现在时刻与放电时刻之间的时间差δt，根据尖端所处位置与放电点之间的位置差δl，计算控制步进电机运行的速度v，并考虑cpu发出指令到步进电机运行的延迟时间δt’，计算出控制步进电机运行速度v。
[0091][0092]
另外为了实现相角和频率可控，本发明基于摆式可控弧光发生机制设计了第二步进电机组合，其原理图如图4所示，两个步进步进电极sm1和sm2，sm1控制在碳棒的摆动频率以实现间歇性弧光放电，以及控制到达放电间隙位置时的相角，sm2控制碳棒的放电间隙。为了实现在相同的相位弧光接地放电实验，依据上述原理，在放电距离固定的情况下，根据需要放电的相位，计算后续的放电时刻t，根据现在时刻，计算出现在时刻与放电时刻之间的时间差δt，根据尖端所处位置与放电点之间的角度差δθ，计算控制步进电机运行的角速度v
θ
，并考虑cpu发出指令到步进电机运行的延迟时间δt’，计算控制出控制步进电机运行速度v
θ
：其相位补偿示意图如图5所示。
[0093][0094]
本发明可以“控制论”电弧模型进行模拟，“控制论”电弧在传统模型的基础上引入电弧长度l，电弧电压uh＝eh×
l；整个电弧的功率损失p0＝p
loss
×
l；令为稳态电导则“控制论”电弧模型的表达式为：
[0095][0096]
通常运用该电弧模型时，时间常数τs′
和稳态电导gs′
的经验公式为：
[0097][0098][0099]
其中β为常量系数，一般取2.85
×
10-5
；ih为瞬时电弧电流，is为小电流接地系统金属性接地故障稳态电流的幅值。公式(3)中v
s0
′
为弧隙每厘米压降是常数。
[0100]
为了实现上述模型的物理模拟，采用微米级高精度步进电机控制l，利用录波装置采集ih，v
s0
′
，通过(3)计算得到稳态电导gs′
，为了滤除噪声，多次测量求平均，得到最终的稳态电导gs′
，同理也可以得到is，通过(2)计算得出时间常数τs′
。实验装置所测得波形趋势如图6所示。
[0101]
步骤3包括：
[0102]
在接通电源后，基于控制模块的控制指令，所述步进电机组合按照运行时间或速度和角速度控制步进电机组合运动，间接控制第二石墨棒靠近放置在支撑绝缘子上的第一石墨棒的距离或频率和相角，从而产生放电距离、放电频率或放电相角可控的弧光放电现象；
[0103]
实施例3：
[0104]
基于同一发明构思，本发明还提供一种弧光接地故障物理模拟仿真实验系统，其结构示意图如图8所示，包括：
[0105]
实验参数设定模块、实验自动控制模块和电机速度调节模块；
[0106]
所述实验参数模块，用于根据所述放电距离或频率和相角，计算对应的步进电机运行时间或速度和角速度，根据实验所模拟的弧光放电强度，调整预先构建的弧光接地故障物理模拟仿真实验装置中的可调阻抗的阻抗值；
[0107]
所述实验自动控制模块，用于在接通电源后，基于控制模块的控制指令，控制所述步进电机组合按照运行时间或速度和角速度控制步进电机组合运动，间接控制第二石墨棒靠近放置在支撑绝缘子上的第一石墨棒的距离或频率和相角，从而产生放电距离、放电频率或放电相角可控的弧光放电现象；
[0108]
所述电机速度调节模块，用于以所述第一运行速度为比例积分算法调节的对象，在放电尖端位置差不变的条件下按照设定比例增大第一运行速度减小第一延迟时间和第二延迟时间到设定范围内，将使第一延迟时间和第二延迟时间减小到设定范围内的第一运行速度作为步进电机组合的速度。
[0109]
其中，所述放电尖端位置差，包括：
[0110]
第二石墨棒放电尖端初始时所处的位置与放电时所处的位置之间的距离或角度差。
[0111]
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本技术的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本技术进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本技术后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。