有局部電弧污穢絕緣子串仿真模型

馬 禾,陳 平,李書領(lǐng),孫學(xué)茜,馬永明

(1.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,山東 淄博 255091;2.微山縣供電公司,山東 濟(jì)寧 277600)

在F.Obenaus模型基礎(chǔ)上,許多學(xué)者研究了更加接近實(shí)際的數(shù)學(xué)模型.文獻(xiàn)[1]分析了交流污閃的數(shù)學(xué)模型;文獻(xiàn)[2]將剩余污穢層電阻表示為絕緣子形狀系數(shù)、污穢層電導(dǎo)率等的函數(shù);文獻(xiàn)[3]用絕緣子各個(gè)部位的半徑和泄露距離等尺寸參數(shù)等效各種形狀絕緣子表面;文獻(xiàn)[4]提出不同材料絕緣子模型.文獻(xiàn)[5-7]對(duì)單個(gè)絕緣子或少數(shù)幾個(gè)聯(lián)成串進(jìn)行試驗(yàn),而實(shí)際高壓架空線路絕緣子串由少則接近十個(gè),多則三十余個(gè)絕緣子組成;試驗(yàn)電壓與實(shí)際運(yùn)行電壓差異較大;文獻(xiàn)[8]提到試驗(yàn)室環(huán)境與戶外大氣環(huán)境差異大,絕緣子周圍空間布局差異也較大.此外,不同試驗(yàn)室之間試驗(yàn)條件的差異也使同一現(xiàn)象的試驗(yàn)數(shù)據(jù)有很大差異.

文獻(xiàn)[9-10]提出了基于ATPDraw的仿真模型,仿真單個(gè)絕緣子分別處于清潔,污穢但無(wú)局部電弧,污穢且有局部電弧時(shí)泄露電流.

以高壓架空線路中最常見的普通盤形懸式瓷絕緣子串為研究對(duì)象,提出有局部電弧污穢絕緣子串仿真模型,該模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)更加接近文獻(xiàn)[8,11-12]描述的絕緣子串實(shí)際運(yùn)行情況.該模型體現(xiàn)了污穢絕緣子串不同位置電弧的暫態(tài)變化,對(duì)泄露電流高速采樣可獲取電弧燃起與熄滅時(shí)暫態(tài)行波量.

1 污穢絕緣子串局部電弧機(jī)理

污閃經(jīng)歷四個(gè)發(fā)展階段:絕緣子積污、污層受潮、干帶形成和局部電弧產(chǎn)生、局部電弧發(fā)展直至閃絡(luò).

干帶的出現(xiàn)阻斷電流路徑,其上分擔(dān)絕緣子壓降絕大部分,該電壓隨干帶加寬逐漸增大,最終導(dǎo)致干帶表面的空氣被擊穿.若回路阻抗較小,則干帶表面產(chǎn)生電弧.如圖1所示.

圖1 污閃物理模型

絕緣子壓降u與電弧壓降ua、剩余污穢層壓降up、電弧電流ia、電弧電阻ra和剩余污穢層電阻Rp之間關(guān)系為

污穢絕緣子串中各個(gè)絕緣子產(chǎn)生電弧時(shí)間上有參差,程度上有強(qiáng)弱,同一時(shí)刻各個(gè)絕緣子狀態(tài)相互影響和疊加,十分復(fù)雜.

2 污穢電弧絕緣子串等效模型

2.1 污穢放電絕緣子等效電路

若污穢絕緣子表面沒(méi)有電弧,則等效模型如圖2所示.

圖2 無(wú)電弧單個(gè)污穢絕緣子等效模型

圖2中R是本體電阻,C是本體電容,Rp是表面污穢層電阻.

若表面有局部電弧,則等效模型如圖3所示.

圖3中Rp表示剩余污穢層電阻,Cd表示干帶電容,Rd表示干帶電弧電阻,S控制電弧燃起和熄滅.

圖3 有局部電弧單個(gè)污穢絕緣子等效模型

若污穢絕緣子表面閃絡(luò)則等效模型如圖4所示.

圖4 單個(gè)污穢絕緣子閃絡(luò)等效模型

圖4中Cd是整個(gè)表面電容;Rd是閃絡(luò)電弧電阻.S閉合,表示閃絡(luò);當(dāng)電弧電流下降到無(wú)法維持電弧所需的能量時(shí),電弧熄滅,S斷開.

確定電弧伏安特性和估算污穢層電阻是準(zhǔn)確建立模型的關(guān)鍵.

2.2 電弧電阻伏安特性

電弧狀態(tài)具有高度的復(fù)雜性和隨機(jī)性,其伏安特性表現(xiàn)出非線性特征,總體趨勢(shì)為電流小,電阻大;電流大,電阻反而小.電弧伏安特性曲線如圖5所示.

圖5 電弧電阻伏安特性

2.3 污穢層電阻估算

等效盤徑、泄露距離和形狀系數(shù)的關(guān)系[2]:

式中Deq為等效盤徑,單位取mm;L為泄露距離,單位取mm;F為形狀系數(shù),無(wú)量綱.

根據(jù)污穢層電導(dǎo)率的大小,可將污穢分為重污穢和輕污穢.單位長(zhǎng)度污穢層電阻、等效盤徑和污穢層電導(dǎo)率的關(guān)系[2]:

式中rp為單位長(zhǎng)度污穢層電阻,單位取MΨ/cm;Deq單位取cm;σs為污穢層電導(dǎo),單位取μ S.

3 局部電弧絕緣子串仿真模型

3.1 仿真模型

CL為單個(gè)絕緣子對(duì)線路雜散電容,CE為對(duì)鐵塔雜散電容.有局部電弧絕緣子串仿真模型如圖6所示.模型中線路電壓為110kV,A相線路某處污穢絕緣子串運(yùn)行電壓下產(chǎn)生局部電弧.圖中標(biāo)號(hào)1～7為絕緣子編號(hào).對(duì)各個(gè)絕緣子狀態(tài)設(shè)置如下:1號(hào)絕緣子發(fā)生閃絡(luò).2、3、6和7號(hào)絕緣子沒(méi)有閃絡(luò)但有局部電弧.4和5號(hào)絕緣子無(wú)電弧.

3.2 仿真參數(shù)

1)電弧伏安特性 文獻(xiàn)[9]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)給出了電弧伏安特性.非線性電阻元件(Type 92)伏安特性參數(shù)設(shè)置見表1.

2)壓控開關(guān) 輕污穢時(shí)電弧會(huì)熄滅與重燃,由于電弧的狀態(tài)具有高度隨機(jī)性,因此,壓控開關(guān)的閉合電壓、閉合延續(xù)時(shí)間和斷開電流參數(shù)可在原理允許范圍內(nèi)任意設(shè)置.污穢層電導(dǎo)率為19μ S時(shí),普通盤形懸式瓷絕緣子X(jué)P-160型閃絡(luò)電壓有效值大致為26kV[13].

圖6 A TPDraw仿真模型

對(duì)各個(gè)壓控開關(guān)作如下設(shè)置:1號(hào)絕緣子閃絡(luò)電壓設(shè)置為37000V.根據(jù)閃絡(luò)電壓與泄露距離的近似正比關(guān)系,6、3、2和7號(hào)絕緣子干帶擊穿電壓依次升高.所有壓控開關(guān)的開斷電流均設(shè)置為0.1A.

重污穢時(shí),電弧在電壓峰值或?qū)⒁竭_(dá)峰值時(shí)燃起,之后電弧電流過(guò)零不會(huì)熄滅.

3)污穢層電阻 普通盤形懸式瓷絕緣子X(jué)P-160型的泄露距離305mm,形狀系數(shù)0.7[2].依據(jù)污穢層電導(dǎo)率與鹽密的關(guān)系[14],若重污穢時(shí)鹽密為0.22mg/cm2,污穢層電導(dǎo)率為30μ S,單位長(zhǎng)度污穢層電阻為764Ψ/cm;輕污穢時(shí)鹽密為0.11mg/cm2,電導(dǎo)率為19μ S,單位長(zhǎng)度污穢層電阻為1200Ψ/cm.

與壓控開關(guān)閉合電壓設(shè)置相吻合,6、3、2和7號(hào)絕緣子剩余污穢層長(zhǎng)度依次減小.

3.3 仿真結(jié)果及分析

輕污穢時(shí)在各個(gè)絕緣子上測(cè)得對(duì)地電壓波形如圖7所示.v1a是圖7中點(diǎn)1處電壓探針測(cè)得電壓,v2～v7分別為點(diǎn)2～7的電壓.

圖7 輕污穢時(shí)各個(gè)絕緣子上對(duì)地電壓波形

仿真結(jié)果表明,6號(hào)絕緣子最先出現(xiàn)電弧,該絕緣子干帶壓降分擔(dān)到其他各個(gè)絕緣子上,其他絕緣子對(duì)地電壓發(fā)生突增.

采樣頻率為1MHz時(shí),泄露電流波形如圖8所示.

圖8 輕污穢時(shí)絕緣子串電流波形

所有干帶未全被短路時(shí),某處電弧燃起瞬間,該干帶電容放電,電流小幅突增,但這時(shí)其他干帶阻斷了電流回路,因此該電流隨即消失,至最后一環(huán)干帶被短接,回路電阻突降,先前被短接干帶的電壓全加于最后一環(huán)干帶上,該干帶電容儲(chǔ)存電荷最多,電弧燃起瞬間電流大幅突增,電容放電結(jié)束后電流由回路電壓和電阻確定.

電流過(guò)零點(diǎn)附近,電弧熄滅,電流波形截?cái)?起弧電流大于熄弧電流,且各個(gè)周期波形并不完全相同,這些都與實(shí)際波形十分接近.

重污穢時(shí)在各個(gè)絕緣子上測(cè)得對(duì)地電壓波形如圖9所示.

圖9 重污穢時(shí)各個(gè)絕緣子上對(duì)地電壓波形

起弧前,4和5號(hào)絕緣子無(wú)干帶,壓降很小,v4、v5和v6基本重合.1、2、3、6和7號(hào)絕緣子上有干帶,幾乎分擔(dān)所有壓降.起弧后,1號(hào)絕緣子閃絡(luò),其上壓降最小;2、3、6和7號(hào)絕緣子有局部電弧,壓降也明顯減小;相反,4和5號(hào)絕緣子壓降有明顯升高.

電流波形如圖10所示.

圖10 重污穢時(shí)絕緣子串電流波形

電流波形在過(guò)零點(diǎn)附近無(wú)間斷,由于電弧的非線性波形不是純正弦,尤其在過(guò)零點(diǎn)附近隨電壓增加電流變化不明顯.該波形與試驗(yàn)所得波形極其相近.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出仿真模型以架空線路絕緣子串實(shí)際運(yùn)行情況為依據(jù),仿真結(jié)果說(shuō)明該模型較為準(zhǔn)確地給出輕、重污穢下的電流波形,在高采樣頻率下體現(xiàn)出暫態(tài)行波量,并且各個(gè)絕緣子上的對(duì)地電壓波形能夠反映串中絕緣子相互影響的特點(diǎn).

由于電弧狀態(tài)有很強(qiáng)的隨機(jī)性,污穢層電阻也會(huì)隨電弧和環(huán)境變化而變化,因此,雖然有些變化從概率看有規(guī)律,但難以通過(guò)建模仿真將這些現(xiàn)象精確地表現(xiàn)出來(lái).如何使仿真更加精確和逼近真實(shí)情況有待于進(jìn)一步研究.

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