一起500 kV變電站落冰引起的閃絡(luò)事故原因分析

張溢戈 王棟 張世堯 陶亞光 李豐君

摘 要：本文以一起變電站系統(tǒng)內(nèi)落冰通過母線間隔引起的閃絡(luò)現(xiàn)象作為模型，討論了落冰經(jīng)過母線間隔時系統(tǒng)的靜電場瞬時分布及其在數(shù)值模擬中的應(yīng)用，并根據(jù)河南省某500 kV變電站設(shè)備參數(shù)，通過ANSYS Maxwell仿真得到了系統(tǒng)中的場強(qiáng)分布。計(jì)算結(jié)果表明，落冰的長度和與母線間的位置關(guān)系是影響電場分布的重要因素。該研究為變電站系統(tǒng)內(nèi)落冰閃絡(luò)原因分析提供了理論依據(jù)，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：變電站母線;落冰;閃絡(luò);放電機(jī)理;仿真計(jì)算

中圖分類號：TM63文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2020）31-0134-03

Analysis of Flashover Fault Caused by Falling

Ice at 500 kV Transformer Substation

ZHANG Yige1 WANG Dong2 ZHANG Shiyao2 TAO Yaguang2 LI Fengjun2

（1. State Grid Henan Electric Zhengzhou Power Supply Company，Zhengzhou Henan 450052;2.State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450052）

Abstract： In this paper， a flashover phenomenon caused by ice falling through the bus compartment in a substation system was taken as a model. The transient distribution of electrostatic field in the system and its application in numerical simulation were discussed. According to the equipment parameters of a 500 kV substation in Henan Province， the field strength distribution in the system was obtained by ANSYS Maxwell simulation. The results show that the length of falling ice and the position relationship between the ice and the bus are the important factors affecting the electric field distribution. The study of ice flashover discharge mechanism provides a theoretical basis for the flashover caused by falling ice， and it makes a great significance.

Keywords： transformer substation bus;falling ice;flashover;discharging mechanism;simulation calculation.

冰害一直是影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要隱患。輸電線路的運(yùn)行和維護(hù)面臨復(fù)雜的地理?xiàng)l件和氣候環(huán)境，冰引發(fā)的閃絡(luò)等問題仍然缺乏有效的防治[1]。在低溫高濕的環(huán)境中，輸電線路易受冰雪災(zāi)害的影響，當(dāng)溫度低于0 ℃，覆冰透明且附著力極強(qiáng)。而覆冰導(dǎo)線在氣溫回升、自然風(fēng)力作用或空氣含濕量降低時會有落冰產(chǎn)生[2]，當(dāng)落冰通過導(dǎo)線間隔時，會影響導(dǎo)線周圍的電場分布，在一定條件下會在空氣間隙中引發(fā)局部放電，極端情況下甚至?xí)纬赏罚a(chǎn)生電弧，導(dǎo)致閃絡(luò)現(xiàn)象的發(fā)生，對電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。

1 故障情況報(bào)告

2019年1月31日09：26，河南省某500 kV變電站500 kV Ⅱ母雙套母線保護(hù)動作。現(xiàn)場檢查500 kV Ⅱ母第五串懸式絕緣子A相均壓環(huán)西側(cè)、B相均壓環(huán)東側(cè)有明顯放電痕跡，絕緣子無異常，站內(nèi)其他設(shè)備無異常。跳閘時變電站內(nèi)無操作和檢修工作。核查變電站500 kV Ⅱ母有關(guān)一次、二次設(shè)備歷史報(bào)告，未發(fā)現(xiàn)異常，且均符合周期要求。變電站一次系統(tǒng)接線如圖1所示。

1月30日大雪造成橫跨湛500 kV Ⅱ母的跨條（湛白線C相站內(nèi)跳線）覆冰。1月31日，溫度上升較快，導(dǎo)致長條狀覆冰整塊脫落，跳閘現(xiàn)場如圖2所示。跳閘母線A、B相下方周圍有明顯覆冰。根據(jù)檢查結(jié)果，并結(jié)合天氣、站內(nèi)覆冰落冰情況可得出，可能是覆冰下落至A、B相相間引起短路，母線保護(hù)正確動作跳閘。

2 驗(yàn)證方法

本文側(cè)重于工程實(shí)際，以上述工況為試驗(yàn)依據(jù)，通過仿真計(jì)算模擬冰條下落通過母線間隔時電場的分布情況，以此對冰條引起閃絡(luò)的機(jī)理進(jìn)行探究。仿真過程中，通過對橫截面進(jìn)行分析的方式簡化分析過程，其中母線的橫截面可等效為一個圓形，落冰經(jīng)過母線間隔如圖3所示。

3 仿真參數(shù)設(shè)置

仿真軟件為ANSYS Maxwell，通過2D建模仿真，母線設(shè)置為鋁材料[3]，外徑為20 cm，兩導(dǎo)線間距為6.5 m，距離地面15.75 m。母線上方的架空導(dǎo)線為鎂鋁合金絞線，冰覆在導(dǎo)線周圍，可視為圓環(huán)體形狀。在仿真過程中，為使仿真結(jié)果更具有一般性，將落冰等效為圓柱體冰條，等效過程如圖4所示[4]。此時冰條的縱截面為橫在兩導(dǎo)線間的圓角矩形，通過調(diào)整冰條長度和冰條位置來模擬冰條下落過程的不同工況。

仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

4 仿真結(jié)果

分別對以下場景進(jìn)行仿真分析，通過模擬冰條與母線處于不同相對位置時的電場分布，來判斷冰條下落過程中發(fā)生閃絡(luò)的概率。

如圖5所示，母線間不存在冰條時，仿真計(jì)算可得區(qū)域中最大場強(qiáng)約為9.2 kV/cm，遠(yuǎn)未達(dá)到空氣的擊穿場強(qiáng)30 kV/cm，此時區(qū)域中沒有放電現(xiàn)象發(fā)生。

冰在下落的過程中，和母線中心點(diǎn)的間距是變化的，從冰條在母線上方40 cm時開始模擬冰條下落過程，冰條與母線中心距離和最大場強(qiáng)的關(guān)系如圖6所示。由圖可知，冰條在從母線上方下落到母線中間的過程中，區(qū)域中最大場強(qiáng)逐漸上升，在冰條落到母線正中間時達(dá)到最大值。

因冰條落在母線中間時，區(qū)域出現(xiàn)最大場強(qiáng)，故本段研究冰條在母線正中間時，區(qū)域中的場強(qiáng)分布與冰條長度的關(guān)系。調(diào)整冰條與母線距離后，區(qū)域中的場強(qiáng)分布如圖7所示。

由圖7可知，冰條與兩導(dǎo)線都不接觸時，區(qū)域中最大電場強(qiáng)度隨著冰條長度的增大而增大。在冰條與母線間距為18 cm左右時，即冰條約為5.94 m時，區(qū)域中最大的電場強(qiáng)度超過空氣的擊穿場強(qiáng)，此時冰條端部有局部放電發(fā)生;在冰條與母線間距為10 cm左右，即冰條約為6.1 m時，冰條與母線的間隔區(qū)域超過空氣的擊穿場強(qiáng)，此時冰條與母線間存在通路，發(fā)生閃絡(luò)的概率極大。

當(dāng)冰條一端與母線接觸時，改變冰條長度，得到冰條與另一端母線距離和最大場強(qiáng)的關(guān)系如圖8所示。

在此種情況下，區(qū)域中最大電場強(qiáng)度隨著冰條長度的增大而增大。在冰條與另一母線間距達(dá)到62 cm，即冰條達(dá)到5.68 m時，區(qū)域中最大的電場強(qiáng)度出現(xiàn)在冰條端部，超過空氣的擊穿場強(qiáng)，此時區(qū)域中有局部放電發(fā)生;在冰條與另一母線間距為30 cm，即冰條長度為6 m時，冰條與另一母線的間隔區(qū)域超過空氣的擊穿場強(qiáng)，此時兩母線間存在通路，發(fā)生閃絡(luò)的概率極大。

5 結(jié)論

本文以一起變電站內(nèi)落冰通過母線間隔引起的閃絡(luò)事故作為模型，討論了落冰經(jīng)過母線間隔時系統(tǒng)的靜電場瞬時分布及其在數(shù)值模擬中的應(yīng)用，并根據(jù)該500 kV變電站設(shè)備參數(shù)，通過仿真計(jì)算得到了系統(tǒng)中的場強(qiáng)分布與冰條長度和位置的關(guān)系。

①當(dāng)冰條下落到兩母線正中間時，系統(tǒng)的峰值場強(qiáng)達(dá)到最大值，冰條在這個位置引發(fā)閃絡(luò)的概率最大。

②整個落冰與母線的系統(tǒng)內(nèi)部電場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在冰條的表面端部，此處發(fā)生空氣擊穿的概率相對較大。

③通過對落冰的不同長度和與母線間的不同位置關(guān)系模擬計(jì)算后發(fā)現(xiàn)：當(dāng)冰條足夠長時，下落通過母線間隔時在某些位置條件下系統(tǒng)內(nèi)最大場強(qiáng)超過空氣的擊穿場強(qiáng)，此時系統(tǒng)中會有空氣擊穿發(fā)生，結(jié)合具體的溫濕度和環(huán)境情況，有引起閃絡(luò)的可能性。

④當(dāng)冰條進(jìn)一步加長時，冰條與母線之間形成擊穿空氣的通路，此時閃絡(luò)發(fā)生的概率極大。

⑤當(dāng)落冰與某一導(dǎo)線接觸時，系統(tǒng)中最大場強(qiáng)急劇增大，引起閃絡(luò)的可能性進(jìn)一步增強(qiáng)。

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