中低压电力系统电弧短路故障机理和建模研究

电力系统发生短路故障时，在短路点通常会出现电弧。这种电弧短路故障不仅影响电力系统运行，还可能危及设备和人身安全。但是目前国内外电弧短路故障研究成果还不多，应该对电弧短路故障进行深入研究，以便减少故障的发生和减小故障造成的损失。本项目主要研究中低压电力系统电弧短路故障问题。研究重点是电弧短路故障机理、建模和3D多物理场仿真。具体内容是: 1.用流体模型研究短路故障电弧的微观粒子行为，并且考虑等离子体鞘层、电极烧蚀和金属蒸气的影响。 2.进行电弧短路实验，根据理论研究和实验结果，研究电弧能量转换机理以及确定各部分能量的比值。 3.研究短路故障电弧的弧根运动、电弧长度和直径变化、电弧混沌特性和电弧电压的特性，建立计算最大电弧能量和最小短路电流的数学模型。 4.以磁流体力学为基础，研究短路故障电弧的3D温度场、电磁场、压力场和流场仿真，建立短路故障电弧3D多物理场精确仿真方法。

电力系统中的任何电气设备都有可能发生短路故障，例如开关柜、变压器、发电机、电动机、母线和线路等可能由于绝缘损坏等原因发生短路。短路故障可能损坏电气设备，影响电力系统安全运行。因为在短路点通常会出现电弧，这种大电流电弧可能危及设备和人身安全，为此有必要深入研究电力系统电弧短路故障，以便采取措施减小短路故障造成的危害。. 要采取措施保障电气设备和电力系统的安全运行，必须知道短路电流的大小。低压电力系统大量使用限流断路器，研究了限流断路器开关电弧的电压电流特性，建立了限流断路器电弧的电压模型。该新模型能用于准确计算限流断路器开断的短路电流。. 根据在变电所进行的将近100个短路实验的结果，分析了短路电弧电压和电流特性，建立了三相电弧短路数学模型。用这个新模型可以计算不同电弧长度、不同电网参数的短路电流和电弧能量等物理量。这些物理量可用于电气设备选择、继电保护整定以及制定防电弧措施。. 研究了变压器有载分接开关局部放电和短路电弧的特性，发明了变压器有载分接开关在线故障诊断新算法，可以在有载分接开关发生电弧短路之前告警，保障变压器的安全运行。. 为了仿真计算短路电弧3D多物理场，对Fluent软件进行了二次开发。短路电弧3D电磁场、温度场、压力场和流场的仿真能考虑电极区电压降、电极烧蚀和金属蒸气的影响。这有助于理解短路电弧的发展和变化过程，对于电气设备的设计制造以及保障人身安全有重要意义。. 以电子和离子的速度和温度作为变量建立离子和电子模型，再包括麦克斯韦方程，得到短路电弧双温磁流体动力学模型。用Fluent软件仿真，计算电子和离子的密度、速度、温度和压力等物理量。通过短路电弧中电子和离子微观运动分析，进一步了解了电弧短路故障机理。. 研究了电弧能量转换和平衡，得知电弧能量转换为辐射、压力和弧根效应等能量的大致比值。. 研制了基于DSP的短路电弧压力和热量测量装置、电气设备无线测温装置以及改善了电弧光保护装置。. 分析了电弧短路对电力系统运行的影响，研究了电弧短路情况下电力系统的智能控制以及电网电压的控制和计算。电弧短路故障发生后，要求继电保护迅速动作切除短路故障。为此研究了电力系统电弧短路特性，改进了广域保护、微电网保护和高压电抗器保护算法。