西安交通大学等单位崔建、孙帅 等：基于双温度磁流体电弧仿真改进Mayr电弧模型的特快速暂态过电压仿真方法

阅读提示：本文约 2000 字

气体绝缘组合电器隔离开关切合空载短母线的过程中会产生特快速暂态过电压，对设备绝缘造成严重威胁，影响电力系统的安全稳定运行。本文提出一种基于双温度磁流体电弧仿真改进Mayr电弧模型，为特高压GIS隔离开关切合空载短母线过程的VFTO波形仿真分析提供了新的思路。

研究背景

气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）隔离开关切合空载短母线的过程中会产生特快速暂态过电压（Very Fast Transient Overvoltage,VFTO），对GIS及其相连设备的绝缘造成威胁，污染二次设备的电磁环境，严重影响电力系统的安全稳定运行。VFTO仿真计算的准确性与隔离开关的等效电弧模型紧密相关。因此，建立一种能更准确地表征暂态电弧特性的电弧模型，对于特高压GIS隔离开关中VFTO现象的分析研究具有重要意义。

论文所解决的问题及意义

传统电弧数学模型在很大程度上只考虑了电弧电阻的变化趋势，其中的关键参数需要根据经验或实验设置，难以准确计算VFTO。本文提出的方法通过建立隔离开关燃弧过程中的双温度磁流体模型，依据仿真结果建立电弧暂态数学模型，在一定程度上弥补了传统电弧模型缺乏准确性或对实验数据过分依赖的缺点。

论文方法及创新点

1 双温度磁流体电弧模型

本文以特高压单断口GIS隔离开关切合空载短母线为例，考虑电弧等离子体中重粒子和电子分别处于不同的平衡态以及时变电磁场的影响，建立了双温度磁流体电弧模型，通过电子能量和重粒子能量方程，计算每个流体微团内的能量，从而获得隔离开关燃弧过程中的电弧时间常数、散热功率等关键数据。

图1 特高压GIS隔离开关切合空载短母线电弧形态

图2 双温度模型仿真电子温度分布云图

2 改进Mayr 电弧模型的建立

基于双温度磁流体电弧仿真模型，计算不同燃弧条件下的电弧时间常数、散热功率和电弧电导等数据，通过最小二乘法进行参数拟合，获得了电弧时间常数、散热功率和电弧电导的函数关系，建立了改进Mayr电弧模型。

图3 改进Mayr电弧模型的建立流程

(a) 电弧时间常数与电弧电导的关系

(b) 散热功率与电弧电导的关系

图4 改进Mayr电弧模型参数拟合结果

3 改进Mayr 电弧模型准确性验证

利用改进Mayr电弧模型，建立特高压GIS隔离开关切合空载短母线试验回路的电磁暂态仿真模型，进行VFTO仿真，计算了特高压GIS隔离开关切合空载短母线过程的VFTO波形，并与其他电弧模型仿真结果和实测波形进行对比，通过幅值、频率和波前上升时间等VFTO波形特征的误差分析，验证了改进Mayr电弧模型的准确性。

图5 VFTO仿真结果及实测波形的对比

结论

基于双温度磁流体电弧仿真计算不同燃弧条件下的电弧时间常数、散热功率和电弧电导，通过对仿真结果进行拟合获得电弧模型参数与电弧电导的函数关系，建立改进Mayr电弧模型，进行VFTO仿真，可以在一定程度上代替大量实验，为特高压领域VFTO的分析研究提供一种新途径。相对传统电弧模型，改进Mayr电弧模型能够更为准确地表征特高压GIS隔离开关切合空载短母线过程中的电弧暂态特性，提高了VFTO计算准确度。

团队介绍

西安交通大学智能电器研究团队长期致力于电力设备及系统的智能化理论与技术研究工作，主要从事电力设备智能化理论与技术、储能与新能源电力系统、环境友好电力设备技术、电弧等离子体及应用方向的科研工作。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等国家级、省部级和其他项目数十项，相关研究成果获国家技术发明/科技进步二等奖2项，省部级一等奖3项。

崔建

博士研究生，研究方向为电弧等离子体及其输运现象。

孙帅

硕士研究生，研究方向为磁流体仿真模拟。

张国钢

教授，博士生导师，研究方向为智能电器理论与工程、储能与新能源电力系统、电弧等离子体与电接触。

本工作成果发表在2024年第16期《电工技术学报》，论文标题为“基于双温度磁流体电弧仿真改进Mayr电弧模型的特快速暂态过电压仿真方法“。本课题得到国家电网有限公司科技项目的支持。

引用本文

崔建, 孙帅, 张国钢, 陈允, 崔博源. 基于双温度磁流体电弧仿真改进Mayr电弧模型的特快速暂态过电压仿真方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(16): 5149-5161. Cui Jian, Sun Shuai, Zhang Guogang, Chen Yun, Cui Boyuan. The Very Fast Transient Overvoltage Simulation Method Based on Two-Temperature MHD Arc Simulation to Improve Mayr Arc Model. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(16): 5149-5161.

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