絕緣子串電弧放電計算機仿真

李 林，馬 杰，孫安國，王邦惠，鮑忠偉，王玥婷，王安寧，李乃永

（1.山東電力集團公司 煙臺供電公司，山東 煙臺 264001；2.山東電力集團公司 調(diào)度中心，山東 濟南 250001）

污穢絕緣子串在運行電壓下發(fā)生電弧放電危害線路安全運行，故而絕緣子串電弧放電一直是研究熱點.文獻［1－3］在實驗室中對一片絕緣子或少數(shù)幾片連成的串進行了試驗，而實際高壓架空線路絕緣子串由十幾片到幾十片絕緣子組成，運行電壓比實驗電壓大得多，且實驗回路中往往包含附加電阻、電容等裝置，這些裝置使實驗放電回路與實際放電回路差異較大；文獻［4］也提到實驗室空氣與戶外差異較大，絕緣子周圍電磁環(huán)境與實際有很大不同.文獻［5－6］在ATPDraw仿真環(huán)境中構(gòu)建了單片絕緣子電弧放電仿真模型，但由于其對模型參數(shù)的設(shè)置不盡合理，其仿真結(jié)果與實際電弧放電現(xiàn)象不符.

本文對110kV架空線路中應(yīng)用非常廣泛的盤形懸式瓷絕緣子串的電弧放電進行研究，在ATPDraw中建立了污穢絕緣子串電弧放電仿真模型.該模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)置與實際更加接近，仿真結(jié)果也驗證了這一點.本文采用研究污穢絕緣子電弧放電的普遍假設(shè)，即一片絕緣子表面只出現(xiàn)一條電弧，積污和受潮均勻.污穢層電導(dǎo)率在電弧的發(fā)展過程中變化很小，可視為恒定［7］.由實驗結(jié)果［1］可知，從干帶電弧產(chǎn)生到其開始延伸經(jīng)過2s左右，在幾個工頻周期內(nèi)，不考慮電弧長度延伸和剩余污穢層長度縮短.

1 污穢絕緣子串仿真模型

1.1 單個污穢絕緣子的仿真模型

本文在ATPDraw中構(gòu)建了表面污穢無電弧、表面有局部電弧和表面閃絡(luò)的單片絕緣子模型，如圖1所示.

圖1 各種狀態(tài)的單片絕緣子仿真模型

圖1（a）為表面污穢但無電弧絕緣子，R和C為絕緣子本體電阻和本體電容，Rp為表面污穢層電阻.

圖1（b）為輕污穢電弧放電絕緣子，Rp為剩余污穢層電阻，Cd為干帶電容，非線性電阻元件Rd為電弧電阻，壓控開關(guān)元件控制電弧的熄滅與重燃.

圖1（c）所示為輕污穢閃絡(luò)絕緣子，Cs為表面電容，Rf為閃絡(luò)電弧電阻.

圖1（d）為重污穢電弧放電的絕緣子，與（b）、（c）相比，Rp阻值減小，由Rd實現(xiàn)電弧一旦燃起就不再熄滅的現(xiàn)象.

圖1（e）為重污穢閃絡(luò)絕緣子.

1.2 污穢絕緣子串電弧放電仿真模型

由于絕緣子金具對桿塔和線路電容CE和CL的存在，造成串中各部位電壓分布不均，最靠線路幾個絕緣子出現(xiàn)電弧概率最大，其次是靠桿塔的，中間位置出現(xiàn)電弧概率較小.

110kV線路絕緣子串電弧放電仿真模型如圖2所示.圖中（a）為輕污穢放電模型，電弧的周期性燃起與熄滅動態(tài)特性由非線性電阻與壓控開關(guān)元件的串聯(lián)支路實現(xiàn)，（b）為重污穢模型，非線性電阻實現(xiàn)電弧燃起后不再熄滅的現(xiàn)象.

模型中線路A相線路某處污穢絕緣子串運行電壓下產(chǎn)生電弧.最靠線路1號絕緣子發(fā)生閃絡(luò)；2、3、6和7號絕緣子只有局部電弧；中間位置4和5號絕緣子無電弧.

圖2 ATPDraw仿真模型

2 仿真參數(shù)設(shè)置

2.1 電弧參數(shù)設(shè)置

電弧具有非線性伏安特性，總體趨勢為電流小，電阻大；電流大，電阻小.本文采用電弧仿真建模普遍方法確定電弧電阻，即假設(shè)原則上合理的伏安特性曲線形狀，然后反復(fù)嘗試電壓、電流數(shù)值并修改伏安特性，直至得到與實際較為相符的結(jié)果.本文確定的伏安特性曲線［8］如圖3所示，該曲線在一、三象限基本對稱.

圖3 電弧電阻伏安特性

ATPDraw中提供的非線性電阻可以設(shè)置是否啟用內(nèi)置間隙.啟用間隙，滿足電弧燃起條件時，間隙被電弧短接，這時該電阻單獨可實現(xiàn)電弧燃起后不熄滅斷開的功能；也可不用該間隙，這時要與壓控開關(guān)串聯(lián)才可實現(xiàn)電弧周期性燃起與熄滅.

污穢層電導(dǎo)率為19μs時可以認為為輕污穢，電弧有熄滅與重燃現(xiàn)象:1號絕緣子閃絡(luò)，閃絡(luò)電壓有效值大致為26kV［9］，壓控開關(guān)V－fl參數(shù)設(shè)置為37000V；6號絕緣子干帶最短，V－fl設(shè)置為7000V；7號絕緣子干帶最長，V－fl設(shè)置為31000V；2號絕緣子V－fl設(shè)置為19000V；3號絕緣子V－fl設(shè)置為12000V.所有壓控開關(guān)的Imar參數(shù)均設(shè)置為0.1A，電流低于該值，電弧均熄滅.

污穢層電導(dǎo)率為30μs時認為為重污穢，電弧燃起后不再熄滅:1號絕緣子閃絡(luò)，閃絡(luò)電壓有效值大致為22kV［10］，非線性電阻V－fl參數(shù)設(shè)置為31000 V；6號絕緣子干帶最短，V－fl設(shè)置為6000V；7號絕緣子干帶最長，V－fl設(shè)置為21000V；2號絕緣子V－fl設(shè)置為16000V；3號絕緣子V－fl設(shè)置為10000V.

2.2 污穢層電阻計算

絕緣子等效盤徑Deq、泄露距離L和形狀系數(shù)F的關(guān)系［11］如公式（1）所示:

單位長度污穢層電阻rp、等效盤徑Deq和污穢層電導(dǎo)率σs的關(guān)系［11］如公式（2）所示:

普通盤形懸式瓷絕緣子泄露距離為305mm，形狀系數(shù)0.7［11］.依據(jù)污穢層電導(dǎo)率與鹽密 的關(guān)系［10］，重污穢時污穢層電導(dǎo)率約為30μs，單位長度污穢層電阻約為764Ω／cm；輕污穢時電導(dǎo)率約為19μs，單位長度污穢層電阻約為1200Ω／cm.

3 仿真結(jié)果與分析

輕污穢電弧放電時在各片絕緣子上測得對地電壓波形如圖3所示.

圖3 輕污穢電弧放電時各片絕緣子對地電壓

6號絕緣子最先出現(xiàn)電弧，該絕緣子干帶壓降分擔到其他各絕緣子上，其他絕緣子對地電壓突增.隨后其他絕緣子出現(xiàn)電弧時也有類似現(xiàn)象.

輕污穢電弧放電時泄露電流波形如圖4所示.

圖4 絕緣子串電弧放電泄露電流

波形中每一個電流突增表示電弧的燃起，電流過零點附近，電弧熄滅，泄露電流突降為零，起弧電流大于熄弧電流，且各個周期波形并不完全相同，這些都與試驗所得波形十分相近.

重污穢時在各片絕緣子上對地電壓波形如圖5所示.同樣有類似圖3中的現(xiàn)象.

泄露電流波形如圖6所示.泄露電流幅值較輕污穢時有明顯增大.

電流波形在過零點附近無間斷，由于電弧電阻的非線性特性，過零點附近波形不是純正弦.該波形與試驗所得波形極其相近.

圖5 重污穢電弧放電時各片絕緣子對地電壓

圖6 重污穢絕緣子串電弧放電泄露電流

4 結(jié)束語

根據(jù)電弧電流實驗數(shù)據(jù)確定電弧電阻的伏安曲線和污穢層電阻的阻值；通過研究絕緣子串不同位置多條電弧在燃起時的先后關(guān)系和熄滅條件，設(shè)定壓控開關(guān)和非線性電阻的功能參數(shù).仿真結(jié)果顯示，本文所構(gòu)建模型能仿真較為準確的仿真絕緣子串的電弧放電現(xiàn)象，泄漏電流波形能反映電弧電阻的非線性以及電弧燃起和熄滅現(xiàn)象，串中各個絕緣子對地電壓不同時的突變說明各條電弧發(fā)展變化時的相互影響.

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