高電壓技術中氣隙局部放電的仿真研究

李青青，王小鵬中國石油大學勝利學院；山東科瑞機械制造有限公司

高電壓技術中氣隙局部放電的仿真研究

李青青1，王小鵬2
1中國石油大學勝利學院；2山東科瑞機械制造有限公司

高電壓技術是一門實踐性非常強的課程，也是電氣比較重要的一門專科課程，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，對高電壓技術課程中的局部放電進行建模仿真，并且對仿真的結果進行驗證。

應用技術型；Matlab軟件；局部放電；電力系統過電壓

一、引言

在高電壓課程中，對于氣體介質的放電理論，是用微觀理論解釋我們發現的宏觀現象，因此對于學生而言是比較抽象，比較難于理解。如果在教學過程中，利用Matlab軟件建立模型，對氣隙局部放電進行仿真研究，可以更好地幫助學生理解和掌握介質內部氣體放電的過程，并對影響放電的相關因素進行深入把握，這是使學生進一步的理解局部放電的過程的重要的途徑。

二、對介質局部放電的仿模型搭建與仿真

在動態系統仿真領域中，以MATLAB平臺為基礎的simulink仿真語言，可謂是非常有名的仿真集成環境。目前，該仿真集成環境已廣泛應用在許多領域中[1]。借助simulink模塊庫對高電壓技術中氣隙局部放電進行建模并仿真。由于利用simulink模塊庫可以用來構建一般的動態系統模型，本文在此基礎上，結合電力系統專業模塊庫，來建立模型，對氣隙局部放電進行仿真研究。

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象，如圖1所示。我們充分考慮在實際運行過程中，可能存在的各種因素會對放電造成誤差，因此在放電的模型中采用引入氣隙電阻的半導電化的過程，對模型進行修正。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

在單氣隙內部發生局部放電時，則氣隙中的電阻將被半導電化,也就是此時的電阻R1或是R2分別會變化到它們對應的半導電化電阻R1′或是R2′。

利用simulink模塊庫，對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應的標準模塊進行構建模型。由于在單氣隙試樣中發生局部放電時，需要建立模型，對氣隙內部局部放電放電過程進行仿真模擬，本文綜合考量了仿真過程中可能出現的放電過程。

2、仿真電路

在仿真過程中，首先假設該氣隙的放電是在瞬間就能完成,那么在等效電路中，氣隙此時的電阻也瞬間減為它的半導電化電阻電阻值，在仿真過程中，我們采用的開關為理想開關控制.在上述仿真電路圖中，氣隙兩端的電壓是用電壓測量器進行測量的；然后通過Abs模塊，對電壓求絕對值；在仿真電路圖中采用了信號延遲器，如果在仿真過程中，作用在氣隙兩端的電壓值，要明顯高于起始電壓值時，信號延遲器輸出為高電平；當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，信號延遲器輸出就為低電平。如果在仿真過程中，信號延遲器輸出高電平時，開關就會發生閉合，由此就會輸出低電平,此種情況下，連接在R2兩端的理想開關就會打開。在開始放電的時候，理想開關就會閉合，相應地，R2減小到其電阻R2′。待到結束放電后，理想開關就會斷開[2]。在仿真回路中，氣隙回路中的電流值是由電流測量器進行測量的；由于信號顯示器所對應的顯示界面和我們所用的示波器十分接近，因此對于動態系統的仿真結構我們采用信號顯示器進行定型的分析，另外信號顯示器還可以方便的對系統模塊中指定的信號進行定性的分析。在我們的仿真電路圖中，對于氣隙局部放電過程中所對應的交流電壓源的波形、氣隙兩端的電壓波形、以及放電脈沖觸發波形等，這些波形均可在信號顯示器1上進行呈現。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、仿真結果

在教學實踐中，教師可以選擇文獻中一個環氧絕緣試樣參數進行仿真，各元件參數具體可見文獻。其結果如下圖2所示。

圖2 局部放電仿真結果

只要科學控制放電起始電壓，并確保放電熄滅電壓值在合理范圍內，就可以對氣隙擊穿工程進行實現，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果大多是鋸齒波，而本文仿真結果更接近真實放電波形。這表明，本文仿真結果更為準確。

三、結論

綜上所述，在研究氣隙局部放電過程中，利用simulink仿真語言建模和不同氣隙擊穿過程數值仿真，能夠提高絕緣試樣中氣隙局部放電仿真精確度，并能使計算結果更接近實際放電波形。除此之外，教師在開展高電壓技術課程教學時，應結合學生的具體情況，對教學難度較大的過電壓實踐教學進行相應的調整處理，合理應用matlab/simulink來進行教學，從而幫助學生更好地理解電力系統過電壓的相關知識，促進課堂教學有效性提升。

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

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