帶電斷開(kāi)110千伏空載架空線電弧研究與仿真

南方電網(wǎng)昭通供電局 劉毅 范江波

1 引言

云南電網(wǎng)目前存在局部電網(wǎng)薄弱因素，特別是夏、冬季用電高峰期，部分線路用電負(fù)荷過(guò)大，不能及時(shí)停電對(duì)線路進(jìn)行消缺處理，造成長(zhǎng)時(shí)間帶病運(yùn)行，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成很大的影響[1]。為了減少停電時(shí)間和提高用電的可靠性以及保證帶電作業(yè)人員的安全，因此開(kāi)展110千伏架空線路帶電作業(yè)過(guò)程的暫態(tài)研究十分必要。

2 基于PSCAD的架空線仿真分析

2.1 仿真模型建立

以110千伏架空線路為例在PSCAD中建立仿真模型圖如圖1所示。電源可簡(jiǎn)化為理想三相電源，電壓為10.5千伏，容量為無(wú)窮大，不考慮其它的影響因素。變壓器采用Δ-Y型連接方式，變壓器二次側(cè)與110千伏架空線路相連，因此變比設(shè)為10.5/110。為了仿真分析架空線物理結(jié)構(gòu)對(duì)其空載電流的影響，另一側(cè)接數(shù)值很大的電阻，以此作為架空線空載狀態(tài)。通過(guò)仿真分析架空線路長(zhǎng)度、塔型、高度、相間距離、導(dǎo)體截面積對(duì)架空線空載狀態(tài)下電流的影響。架空線在空載狀態(tài)下有電流流過(guò)是因?yàn)榧芸站€存在對(duì)地電容，此時(shí)的電流是呈容性。

圖1 110千伏架空線仿真模型圖

2.2 結(jié)果分析

仿真電路其他參數(shù)不變，運(yùn)用單一變量進(jìn)行仿真分析，在架空線長(zhǎng)度從100米增長(zhǎng)到10千米的過(guò)程中，電容電流從1.443安培增加到3.342安培。架空線標(biāo)稱(chēng)截面積從95平方毫米增長(zhǎng)到400平方毫米的過(guò)程中，電容電流從2.461安培增加到3.388安培。架空線高度從5米變化到20米的過(guò)程中，電容電流從2.601安培減小到2.137，安培。相間距離從5米變化到10米的過(guò)程中電容電流從2.501，安培減小到2.014，安培。使用直線型和三角形桿塔時(shí)對(duì)應(yīng)的電容電流分別為2.461安培和2.463安培。

通過(guò)仿真計(jì)算數(shù)據(jù)可知，架空線路長(zhǎng)度、塔型、高度、相間距離、標(biāo)稱(chēng)截面積對(duì)空載運(yùn)行時(shí)的電容電流均有影響，架空線長(zhǎng)度和標(biāo)稱(chēng)截面積的增加，其空載運(yùn)行時(shí)的電容電流的也不斷增加。架空線對(duì)地高度值和相間距離越大其空載運(yùn)行時(shí)的電容電流則不斷變小。而架空線塔型對(duì)線路的電容電流影響很小可以忽略不計(jì)。

3 建立電弧模型

Cassie模型是在一定的假設(shè)下建立的，著力于描述電弧性質(zhì)的電弧模型，其假設(shè)如下，該模型認(rèn)為電弧的溫度不會(huì)發(fā)生變化，在通過(guò)電弧氣態(tài)介質(zhì)通道的電流發(fā)生變化的同時(shí)，氣態(tài)介質(zhì)通道的直徑也在變化，直徑的變化導(dǎo)致散熱的變化。

Cassie模型的數(shù)學(xué)方程如下：

式中：gc為電弧電導(dǎo)，Г是電弧模型定義的時(shí)間常數(shù)，EC電弧瞬態(tài)恢復(fù)電壓（TRV）表示方法中的參考電壓，E0取為T(mén)RV的峰值，E是電弧電壓。

Cassie電弧模型中并沒(méi)有考慮電弧的伸長(zhǎng)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)用高速攝像機(jī)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，電弧在燃燒的過(guò)程會(huì)變長(zhǎng)。因此設(shè)電弧長(zhǎng)度為L(zhǎng)(t)，電弧隨時(shí)間變化弧長(zhǎng)震蕩增加，的表達(dá)式為：

式中：△L（t-Ti）表示弧長(zhǎng)改變量，Ti是電弧的開(kāi)始時(shí)間，h（t）是赫維賽德函數(shù)（符號(hào)函數(shù)），而△L（t-Ti）又可以表示為：

聯(lián)立式（3）和式（4）有：

采用指數(shù)函數(shù)來(lái)描述電弧長(zhǎng)度改變的動(dòng)態(tài)過(guò)程∶

式中：L0為電弧初始長(zhǎng)度，t0為產(chǎn)生電弧時(shí)間。α和β為決定弧長(zhǎng)改變量的參數(shù)，且

α、β的值為常數(shù)，可通過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過(guò)曲線擬合的方法計(jì)算得到。

綜上，電弧模型的表達(dá)式為：

E0(t)表示電弧初始時(shí)刻的電壓值，因此得到改進(jìn)的Cassie電弧模型如下：

基于電弧數(shù)學(xué)模型，利用ATP-EMTP中的MODELS模塊和TACS模塊來(lái)搭建電弧的仿真模型[2-4]，從而可直觀呈現(xiàn)電弧的動(dòng)態(tài)特性。

在ATP中，電弧模型可表示為如圖2所示的模型。

圖2 電弧模型

4 帶電斷開(kāi)架空線仿真分析

4.1 架空線長(zhǎng)度對(duì)帶電斷開(kāi)引流線時(shí)電弧的影響

由于架空線型號(hào)確定其單位長(zhǎng)度的電阻、電感、電容也確定，當(dāng)長(zhǎng)度發(fā)生改變總的電阻、電感、電容也相應(yīng)發(fā)生改變。架空線空載時(shí)的電流是由于線路的對(duì)地電容產(chǎn)生，因此在帶電斷開(kāi)架空線時(shí)電弧會(huì)隨著長(zhǎng)度的變化而變化。

架空線選擇常用的LGJ-185，其電阻為0.17歐姆/千米，感抗為0.409歐姆/千米，電容為8.85×，10-6微法/米，仿真電路圖如圖3所示。

圖3 仿真電路圖

圖3 仿真電路圖中電源電壓為Us，R1、R2、L1構(gòu)成電源等效內(nèi)阻，其值為R1=400歐姆，R2=5歐，姆，Us=110/√3=63.5千伏，L1=45豪亨，R1、R2、L1構(gòu)成電源等效內(nèi)阻。架空線參數(shù)通過(guò)參數(shù)輸入設(shè)置[5]。

1）架空線長(zhǎng)度為1千米時(shí)

當(dāng)架空線選取1千米時(shí)，電弧電流仿真波形圖如圖4所示。根據(jù)傅里葉變換求得電弧電流有效值為0.17安培。

圖4 電弧電流

架空線首端電弧電壓仿真波形圖如圖5所示，根據(jù)傅里葉變換后計(jì)算求得電壓有效值為58.6千伏。

2）架空線長(zhǎng)度為5千米時(shí)

當(dāng)架空線選取5千米時(shí)，電弧電流仿真波形圖6所示。根據(jù)傅里葉變換后求得電流有效值為1.03安培。

電弧電壓仿真波形圖如圖7所示，根據(jù)傅里葉變換后求得電弧電壓有效值為61.6千伏。

圖5 架空線首端電弧電壓

圖6 電弧電流

3）架空線長(zhǎng)度為10千米時(shí)

當(dāng)架空線選取10千米時(shí)，電弧電流仿真波形如圖8所示。電弧電流有效值為1.7安培。

電弧電壓仿真波形如圖9所示，根據(jù)傅里葉變換后求得電弧電壓有效值為61.5千伏。

從圖5、圖7、圖9中波形的有效值可以看出，線路上基本沒(méi)有過(guò)電壓的產(chǎn)生，且電壓變化不大，滿(mǎn)足110千伏系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)電壓倍數(shù)的規(guī)定。

從圖4、圖6、圖8可以看出，架空線長(zhǎng)度越大電弧電流的有效值也越大，并且當(dāng)線路較短時(shí)電弧可以自然熄滅，當(dāng)長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)，電弧將不能自然熄滅。因此為了抑制電弧的重燃使電弧盡快熄滅，可通過(guò)減少線路電容，來(lái)抑制電容電流，從而使電弧在過(guò)零時(shí)能自熄。

4.2 架空線標(biāo)稱(chēng)截面積對(duì)帶電斷開(kāi)引流線時(shí)電弧的影響

由于電阻和感抗均是隨著截面積的增大而減小，而對(duì)地電容卻隨截面積增大而增大，由于帶電斷開(kāi)空載架空線引流線時(shí)電感和電阻對(duì)其產(chǎn)生的電弧影響很小，主要是電容的影響。因此在帶電斷開(kāi)架空線時(shí)電弧會(huì)隨著架空線標(biāo)稱(chēng)截面積的變化而變化。

圖7 架空線首端電弧電壓

圖8 電弧電流

圖9 架空線首端電弧電壓

選取架空線選取LGJ型鋼芯鋁絞線，長(zhǎng)度均為5千米，其他條件均相同。唯一變量為架空線的標(biāo)稱(chēng)截面積選取截面積為95、185、300平方毫米三種規(guī)格的架空線進(jìn)行仿真[6]，得出電弧電流有效值分別為0.64、1.03、1.48安培，且基本不能熄滅。從仿真數(shù)據(jù)可以得出截面積越大，帶電斷開(kāi)空載架空線路時(shí)產(chǎn)生電弧越大。

5 現(xiàn)場(chǎng)帶電投切實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)方法如下：

（1）通過(guò)模擬人工帶電作業(yè)分?jǐn)?10千伏架空線路空載容性電流情況，采用隔離開(kāi)關(guān)分閘，在固定開(kāi)距情況下，以0.8米/秒速度打開(kāi)隔離開(kāi)關(guān)，高速攝像儀記錄斷口起弧至滅弧過(guò)程。

（2）選取不同長(zhǎng)度和不同架空線標(biāo)稱(chēng)截面積等效對(duì)應(yīng)的不同電容值進(jìn)行仿真。最后得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致[7-8]。

圖10 主電路模擬圖

QF—斷路器，，TB—調(diào)壓器，TM—試驗(yàn)用變壓器

TA—電流互感器，TV—電壓互感器，C—電力電容器，QS—隔離開(kāi)關(guān)

圖11 帶電分?jǐn)喱F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖片

圖12 高速攝像機(jī)記錄的電弧燃燒圖片

6 結(jié)論

通過(guò)以上仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出如下結(jié)論：

（1）帶電斷開(kāi)空載架空線產(chǎn)生電弧由線路的電容電流引起，因此線路越長(zhǎng)、標(biāo)稱(chēng)截面積越大均會(huì)引起整個(gè)線路的電容值更加，造成電弧電流的增大，電弧更難熄滅。

（2）對(duì)110千伏線路進(jìn)行帶電斷開(kāi)操作時(shí)過(guò)電壓水平比較低，因此在實(shí)際操作時(shí)主要考慮電弧電流。而電弧電流與線路空載運(yùn)行時(shí)的電容電流密切相關(guān)，因此可以參考穩(wěn)態(tài)時(shí)的電容電流來(lái)估算電弧電流，來(lái)選擇合適帶電操作的滅弧工具。

（3）空載架空線穩(wěn)態(tài)電容電流對(duì)架空線斷開(kāi)引流線時(shí)的電弧電流影響很大，線路長(zhǎng)度、塔型、高度、相間距離、標(biāo)稱(chēng)截面積等對(duì)架空線空載運(yùn)行時(shí)的電容電流均有影響。架空線長(zhǎng)度和標(biāo)稱(chēng)截面積的增加，其空載運(yùn)行時(shí)的電容電流的也不斷增加。架空線對(duì)地高度值和相間距離越大其空載運(yùn)行時(shí)的電容電流則不斷變小。因此可以通過(guò)分析線路長(zhǎng)度、塔型、高度、相間距離、標(biāo)稱(chēng)截面積等來(lái)定性分析空載穩(wěn)態(tài)下架空線的電容電流。

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