高電壓技術(shù)中氣隙局部放電的仿真研究

李青青，王小鵬中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院；山東科瑞機(jī)械制造有限公司

高電壓技術(shù)中氣隙局部放電的仿真研究

李青青1，王小鵬2
1中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院；2山東科瑞機(jī)械制造有限公司

高電壓技術(shù)是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程，也是電氣比較重要的一門?？普n程，因此本文利用M A T L A B/s i m u l i n k中含有的simpowersystems工具箱，對(duì)高電壓技術(shù)課程中的局部放電進(jìn)行建模仿真，并且對(duì)仿真的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

應(yīng)用技術(shù)型；Matlab軟件；局部放電；電力系統(tǒng)過(guò)電壓

一、引言

在高電壓課程中，對(duì)于氣體介質(zhì)的放電理論，是用微觀理論解釋我們發(fā)現(xiàn)的宏觀現(xiàn)象，因此對(duì)于學(xué)生而言是比較抽象，比較難于理解。如果在教學(xué)過(guò)程中，利用Matlab軟件建立模型，對(duì)氣隙局部放電進(jìn)行仿真研究，可以更好地幫助學(xué)生理解和掌握介質(zhì)內(nèi)部氣體放電的過(guò)程，并對(duì)影響放電的相關(guān)因素進(jìn)行深入把握，這是使學(xué)生進(jìn)一步的理解局部放電的過(guò)程的重要的途徑。

二、對(duì)介質(zhì)局部放電的仿模型搭建與仿真

在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真領(lǐng)域中，以MATLAB平臺(tái)為基礎(chǔ)的simulink仿真語(yǔ)言，可謂是非常有名的仿真集成環(huán)境。目前，該仿真集成環(huán)境已廣泛應(yīng)用在許多領(lǐng)域中[1]。借助simulink模塊庫(kù)對(duì)高電壓技術(shù)中氣隙局部放電進(jìn)行建模并仿真。由于利用simulink模塊庫(kù)可以用來(lái)構(gòu)建一般的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型，本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電力系統(tǒng)專業(yè)模塊庫(kù)，來(lái)建立模型，對(duì)氣隙局部放電進(jìn)行仿真研究。

1、仿真電路的搭建

我們仿真采用的是單氣隙絕緣試樣中局部放電阻容模型為研究對(duì)象，如圖1所示。我們充分考慮在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可能存在的各種因素會(huì)對(duì)放電造成誤差，因此在放電的模型中采用引入氣隙電阻的半導(dǎo)電化的過(guò)程，對(duì)模型進(jìn)行修正。其中R1為氣隙絕緣電阻，R2為氣隙沿面絕緣電阻，Rc是由R1和R2組成的。

圖1 單氣息局部放電模型

在單氣隙內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，則氣隙中的電阻將被半導(dǎo)電化,也就是此時(shí)的電阻R1或是R2分別會(huì)變化到它們對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)電化電阻R1′或是R2′。

利用simulink模塊庫(kù)，對(duì)單氣隙局部放電仿真的等效電路中的電阻、電容元件及交流電壓源所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行構(gòu)建模型。由于在單氣隙試樣中發(fā)生局部放電時(shí)，需要建立模型，對(duì)氣隙內(nèi)部局部放電放電過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，本文綜合考量了仿真過(guò)程中可能出現(xiàn)的放電過(guò)程。

2、仿真電路

在仿真過(guò)程中，首先假設(shè)該氣隙的放電是在瞬間就能完成,那么在等效電路中，氣隙此時(shí)的電阻也瞬間減為它的半導(dǎo)電化電阻電阻值，在仿真過(guò)程中，我們采用的開(kāi)關(guān)為理想開(kāi)關(guān)控制.在上述仿真電路圖中，氣隙兩端的電壓是用電壓測(cè)量器進(jìn)行測(cè)量的；然后通過(guò)Abs模塊，對(duì)電壓求絕對(duì)值；在仿真電路圖中采用了信號(hào)延遲器，如果在仿真過(guò)程中，作用在氣隙兩端的電壓值，要明顯高于起始電壓值時(shí)，信號(hào)延遲器輸出為高電平；當(dāng)作用在氣隙兩端的電壓值小于能夠使氣隙放電的熄滅的電壓值時(shí)，信號(hào)延遲器輸出就為低電平。如果在仿真過(guò)程中，信號(hào)延遲器輸出高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)就會(huì)發(fā)生閉合，由此就會(huì)輸出低電平,此種情況下，連接在R2兩端的理想開(kāi)關(guān)就會(huì)打開(kāi)。在開(kāi)始放電的時(shí)候，理想開(kāi)關(guān)就會(huì)閉合，相應(yīng)地，R2減小到其電阻R2′。待到結(jié)束放電后，理想開(kāi)關(guān)就會(huì)斷開(kāi)[2]。在仿真回路中，氣隙回路中的電流值是由電流測(cè)量器進(jìn)行測(cè)量的；由于信號(hào)顯示器所對(duì)應(yīng)的顯示界面和我們所用的示波器十分接近，因此對(duì)于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真結(jié)構(gòu)我們采用信號(hào)顯示器進(jìn)行定型的分析，另外信號(hào)顯示器還可以方便的對(duì)系統(tǒng)模塊中指定的信號(hào)進(jìn)行定性的分析。在我們的仿真電路圖中，對(duì)于氣隙局部放電過(guò)程中所對(duì)應(yīng)的交流電壓源的波形、氣隙兩端的電壓波形、以及放電脈沖觸發(fā)波形等，這些波形均可在信號(hào)顯示器1上進(jìn)行呈現(xiàn)。顯示器2主要是顯示氣隙兩端的電壓波形和放電中的電流波形。

3、仿真結(jié)果

在教學(xué)實(shí)踐中，教師可以選擇文獻(xiàn)中一個(gè)環(huán)氧絕緣試樣參數(shù)進(jìn)行仿真，各元件參數(shù)具體可見(jiàn)文獻(xiàn)。其結(jié)果如下圖2所示。

圖2 局部放電仿真結(jié)果

只要科學(xué)控制放電起始電壓，并確保放電熄滅電壓值在合理范圍內(nèi)，就可以對(duì)氣隙擊穿工程進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并得到圖2的局部放電電壓波形，是一系列接近正弦波的放電脈沖。這些仿真波形與其它軟件的仿真波形不一樣，其它一些軟件仿真結(jié)果大多是鋸齒波，而本文仿真結(jié)果更接近真實(shí)放電波形。這表明，本文仿真結(jié)果更為準(zhǔn)確。

三、結(jié)論

綜上所述，在研究氣隙局部放電過(guò)程中，利用simulink仿真語(yǔ)言建模和不同氣隙擊穿過(guò)程數(shù)值仿真，能夠提高絕緣試樣中氣隙局部放電仿真精確度，并能使計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)際放電波形。除此之外，教師在開(kāi)展高電壓技術(shù)課程教學(xué)時(shí)，應(yīng)結(jié)合學(xué)生的具體情況，對(duì)教學(xué)難度較大的過(guò)電壓實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整處理，合理應(yīng)用matlab/simulink來(lái)進(jìn)行教學(xué)，從而幫助學(xué)生更好地理解電力系統(tǒng)過(guò)電壓的相關(guān)知識(shí)，促進(jìn)課堂教學(xué)有效性提升。

[1]姚俊，馬松輝.SIMULINK建模與仿真[M].西安∶西安電子科技人學(xué)出版社，2002.

[2]劉家會(huì)，胡漢梅，黃景光.M A T L A B/s i m u l i n k在高電壓技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].中國(guó)電力教育，2007，（9）：53-54.