絕緣子調(diào)爬后變電站配電設(shè)備過電壓計(jì)算

鄒進(jìn)，盧蘭靜

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

絕緣子調(diào)爬后變電站配電設(shè)備過電壓計(jì)算

鄒進(jìn)，盧蘭靜

(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

污閃事故的頻繁發(fā)生導(dǎo)致各地供電公司都進(jìn)行大規(guī)模的絕緣子調(diào)爬工程，絕緣子調(diào)爬后雷擊閃絡(luò)電壓升高，入侵變電站的過電壓幅值和陡度都有很大變化。本文通過對比不同絕緣子的閃絡(luò)機(jī)理，研究了一種基于先導(dǎo)法原理的ATP-EMTP閃絡(luò)模型，驗(yàn)證了模型在判據(jù)絕緣子閃絡(luò)的可行性。應(yīng)用絕緣子的先導(dǎo)閃絡(luò)模型，通過ATP-EMTP仿真，計(jì)算了線路絕緣子調(diào)爬后變電站配電設(shè)備的過電壓幅值。研究結(jié)果表明，基于先導(dǎo)法的絕緣子閃絡(luò)原理能更好的解釋絕緣子閃絡(luò)的物理過程，當(dāng)絕緣子片數(shù)增加到一定值時(shí)，如果絕緣子發(fā)生閃絡(luò)，入侵到變電站的雷電波將產(chǎn)生較大過電壓，使得設(shè)備的絕緣配合不滿足要求，危及設(shè)備的安全運(yùn)行。

污閃；絕緣子調(diào)爬；先導(dǎo)法；過電壓

1 引言

電力工業(yè)對國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起著非常重要的支撐作用，而供電可靠性又是衡量電力企業(yè)優(yōu)質(zhì)服務(wù)的重要指標(biāo)。我國的能源分布有著明顯的地域差別，遠(yuǎn)距離大容量輸電成為國家能源調(diào)配的主要趨勢，使得輸電電壓等級不斷提高，又加上經(jīng)濟(jì)發(fā)展造成的環(huán)境污染，絕緣子表面的積污速率明顯加快。兩方面的原因使得污閃引起的跳閘事件居高不下，嚴(yán)重降低了供電可靠性。為了降低污閃事故的發(fā)生頻率，電力企業(yè)進(jìn)行了大規(guī)模的絕緣子調(diào)爬工程。絕緣子調(diào)爬后閃絡(luò)電壓提高，當(dāng)雷擊造成絕緣子閃絡(luò)時(shí)雷電波是否會對設(shè)備造成損害是亟待解決的問題。

2 基于先導(dǎo)法的絕緣閃絡(luò)ATP-EMTP模型

計(jì)算閃絡(luò)時(shí)侵入變電站的雷電過電壓值，首先須確定絕緣子的閃絡(luò)電壓，現(xiàn)階段的絕緣子閃絡(luò)電壓判斷方法主要有規(guī)程法、相交法、電壓積分法及先導(dǎo)法。規(guī)程法通過計(jì)算絕緣子兩端的電壓值，如果絕緣子兩端承受的沖擊電壓幅值大于絕緣子50%放電電壓則判據(jù)絕緣子閃絡(luò)，規(guī)程法判斷絕緣子閃絡(luò)過程清晰，但是沒有考慮雷電波波形，也沒有考慮桿塔上不同部位絕緣子的電位差，相交法是通過比較雷電流波形是否與絕緣子伏秒特性相交，來判據(jù)絕緣子是否閃絡(luò)，在使用相交法判據(jù)絕緣子閃絡(luò)時(shí)，絕緣子的伏秒特性是同過標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊波測定的，而實(shí)際絕緣子兩端的電壓遠(yuǎn)非標(biāo)準(zhǔn)波，因此用此判斷方法與實(shí)際絕緣子閃絡(luò)過程有一定出入，電壓積分法考慮了電壓隨時(shí)間的累積效應(yīng)，但是其方法本身的物理意義不明確使用有較大的局限性。相比而言先導(dǎo)模型法比上述方法能更好的描述絕緣子閃絡(luò)過程。

根據(jù)國網(wǎng)科學(xué)院研究院的研究結(jié)果表明絕緣子空氣擊穿的閃絡(luò)過程可以等效為棒-棒空氣間隙放電，國外實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果也表明無絕緣子的空氣間隙放電與絕緣子50%擊穿電壓基本一致，所以絕緣子的閃絡(luò)機(jī)理的可以等效為棒-棒長間隙的放電機(jī)理。如圖1所示。

圖1 絕緣子放電模型

棒-棒長間隙放電的主要理論是電子崩-流注-先導(dǎo)理論，當(dāng)棒-棒空氣間隙間的電壓逐漸升高時(shí)，間隙開始出現(xiàn)零星的放電現(xiàn)象，此階段的放電過程主要是因?yàn)榭諝忾g隙間離子的游離碰撞引起的電子崩，隨著間隙間電壓繼續(xù)升高，電子崩頭部集聚足夠的能量，此時(shí)其周圍由光電子引起新的電子崩，這時(shí)空氣間隙間的放電發(fā)生了質(zhì)的改變，由光電子引起的二次電子崩頭部匯聚在一起，放電轉(zhuǎn)為自持放電階段，流注產(chǎn)生。流注發(fā)展一定程度后整個(gè)間隙間的離子已經(jīng)非常復(fù)雜，此時(shí)單純的用光電子激發(fā)二次電子崩的理論已經(jīng)不能很好的描述長間隙放電的特性，這時(shí)科學(xué)通過長期的實(shí)驗(yàn)研究，提出了先導(dǎo)通道原理解釋長間隙的放電現(xiàn)象，并給出了先導(dǎo)發(fā)展的速度公式，理論認(rèn)為當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展到一定長度時(shí)，先導(dǎo)會發(fā)生躍變，此時(shí)間隙被擊穿。

根據(jù)上述原理判斷基于先導(dǎo)法的絕緣子閃絡(luò)原理主要包括，判斷流注是否起始，判斷連續(xù)先導(dǎo)是否起始，判斷間隙電壓是否滿足先導(dǎo)維持的條件，最后計(jì)算先導(dǎo)發(fā)展長度，判斷先導(dǎo)是否達(dá)到最終躍變階段。

根據(jù)Raether-Meek判據(jù)流注起始：

假定長間隙氣體放電由碰撞游離發(fā)展到電子崩階段后，電子崩的頭部為球體，此階段由所有的電子都集中在電子崩的頭部。當(dāng)電子崩發(fā)展的長度超過臨界長度后流注產(chǎn)生，最后導(dǎo)致空氣間隙擊穿。

電子崩臨界長度的計(jì)算公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Er為電子崩頭部電場強(qiáng)度，kV/cm；E為間隙電場強(qiáng)度，kV/cm；α為空氣的電離常；r為電子崩頭部球體的半徑；D為電子的擴(kuò)散系數(shù)，t是空氣間隙中的電子漂移到電子崩頭部球形區(qū)域的時(shí)間；Vd為電子的漂移速度ke為電子的遷移速率。

由雷特-米克判據(jù)流注的起始階段的場強(qiáng)與實(shí)驗(yàn)得到的流注起始的場強(qiáng)值如表1所示。

表1

由表1可知，用雷特-米克判據(jù)的流注起始值與實(shí)驗(yàn)室結(jié)果有較好的一致性，判斷流注開始，空氣間隙間的流注放電開始后，隨著電壓的繼續(xù)增加，此時(shí)流注會逐漸轉(zhuǎn)化為先導(dǎo)，放電階段也轉(zhuǎn)化為先導(dǎo)放電階段。連續(xù)先導(dǎo)的起始放電電壓判據(jù)方法為：

(7)

式中：h為接地點(diǎn)電極的高度，d是空氣隙間隙之間的距離，又因?yàn)殚L間隙放電的h>>d，所以上式可改寫為：

(8)

先導(dǎo)形成后，將會以速度v向前發(fā)展，由于先導(dǎo)的形成機(jī)理及發(fā)展過程十分復(fù)雜，因此先導(dǎo)的速度公式都是通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合而來，根據(jù)CIGRE推薦的先導(dǎo)的速率公式為：

(9)

式中：u(t)是長間隙間的電壓，kV；d是空氣間隙之間的距離，m；x為先導(dǎo)發(fā)展的長度，m；E0為先導(dǎo)發(fā)展的最小場強(qiáng)，v是先導(dǎo)發(fā)展的速率。

隨著先導(dǎo)的發(fā)展，空氣間隙逐漸縮小，此時(shí)間隙間的電壓u(t)可用下式計(jì)算：

u(t)=U-Ezx

由此上述公式可變?yōu)椋?/p>

(10)

式中Ez為先導(dǎo)通道的電場強(qiáng)，kV/m。

當(dāng)先導(dǎo)發(fā)展的長度到達(dá)間隙長度時(shí)，判據(jù)間隙擊穿，此時(shí)絕緣發(fā)生閃絡(luò)?；谙葘?dǎo)法的ATP-EMTP模型如圖2所示。

圖2 基于先導(dǎo)法的閃絡(luò)模型

根據(jù)武高所實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合的25片XP-160絕緣子的伏秒特性曲線表達(dá)式為：

U=2167.5+1022.8e-t/4+608e-t/1.5+4628.1e-t/0.8

(11)

根據(jù)上述擬合曲線，與先導(dǎo)法判據(jù)的特性曲線對比如圖3所示。

由圖3可知，兩者之間有很好的一致性，用先導(dǎo)法判據(jù)的絕緣子閃絡(luò)模型與實(shí)際相符。

圖3 絕緣子伏秒特性

3 絕緣子調(diào)爬后入侵變電站過電壓計(jì)算

某220kV變電站采用單母分段接線，根據(jù)彼得遜等值波規(guī)則可知，當(dāng)只有一回出線時(shí)入侵變電站的雷電波幅值最大，所以考慮極端情況，線路一回出線運(yùn)行。

雷電流為標(biāo)準(zhǔn)雷電波，幅值120kA，波頭時(shí)間為4×10-6s，半波時(shí)間5×10-5s，雷擊點(diǎn)考慮為進(jìn)線段以內(nèi)的桿塔遭受雷擊，進(jìn)線段內(nèi)有1#-5#桿塔，配電裝置等效模型根據(jù)雷電沖擊波下的模型等效為入口電容。其取值為表2所示。

表2

當(dāng)絕緣子調(diào)爬后，雷擊桿塔造成反擊過電壓時(shí)，調(diào)爬的結(jié)果相當(dāng)于絕緣子上下電極之間空氣間隙距離增大，由閃絡(luò)的先導(dǎo)模型，并根據(jù)實(shí)測的絕緣子上下電極之間的距離即可計(jì)算絕緣子調(diào)爬后入侵變電站的過電壓值，通過ATP-EMTP軟件仿真，當(dāng)220kV絕緣子串的片數(shù)由13片提高到14片時(shí)，進(jìn)線側(cè)避雷器、變壓器側(cè)避雷器上最大沖擊電流I1、I2，最大過電壓U1、U2；進(jìn)線側(cè)斷路器、變壓器側(cè)斷路器上的最大過電壓U3、U4以及變壓器上的最大過電壓U5如表3所示。

當(dāng)220kV絕緣子串的片數(shù)由14片提高到15片時(shí)，進(jìn)線側(cè)避雷器、變壓器側(cè)避雷器上最大沖擊電流I1、I2，最大過電壓U1、U2；進(jìn)線側(cè)斷路器、變壓器側(cè)斷路器上的最大過電壓U3、U4以及變壓器上的最大過電壓U5如表4所示。

表3

表4

4 結(jié)論

由表3、表4可知，當(dāng)絕緣子調(diào)爬后入侵到變電站的雷電波幅值明顯增加，越靠近變電站的桿塔遭受雷擊時(shí)，入侵到變電站中的過電壓值越大，表中絕緣子調(diào)爬后#1和#2號桿塔遭受雷擊，避雷器的上的最大過電流幅值可能超過其標(biāo)稱放電電流且設(shè)備上的最大過電壓與設(shè)備的最大耐受沖擊電壓值可能不滿足絕緣配合的要求。

[1] 陳維賢.電網(wǎng)過電壓教程[M].中國電力出版社，1995.

[2] 王劍，劉亞新，陳家宏,等.基于電網(wǎng)雷害分布的輸電線路防雷配置方法[J].高電壓技術(shù)，2008，34(10)：2065-2069.

[3] Les Renardieres Group.Research on long air gap dischargeat Les Renardieres[J].Electra,1972,23:53-157.

The Over-voltage Calculation on Distribution Equipment of Substation after Increasing Insulator Creepage Distance

ZOUJin,LULan-jing

(College of Electrical Engineering,Guangxi University,Nanning 530004,China)

Pollution flashover accidents occur frequently,this leaded to power companies around the large-scale project to increase the insulator creepage distance after increasingthe insulator creepage distance,flashover voltage increases too,when the lightning impulse voltage invade into the substation,it′s magnitude and steepnesshas greatly changed.By comparing different insulator flashover mechanism,this article developeda ATP-EMTP flashover model based on the principle of the leader development method and verified the feasibility of the model,by application of this model in ATP-EMTP simulation calculations,calculated the over-voltage amplitude of the distribution equipment in the substation afterline insulator increasing creepage distance.The results show that,based on the leader development methodof insulator flashover principle can explain the physical processes ofinsulatorflashover better,and when increasing the piece of insulator to a certain number,if the insulator flashover,lightning wave invade into the substation couldlead toa higherimpulse voltage,made the insulation coordination for equipment do not meet the requirements,endanger the safe operation of the equipment.

pollution flashover;increasing insulatorcreepage;distance leader development method;over-voltage

1004-289X(2016)03-0080-04

TM46，TM61

B

2015-04-13

鄒進(jìn)(1987-)，男，碩士研究生研究方向：高電壓絕緣技術(shù)； 盧蘭靜(1988-)，女，碩士研究生研究方向：高電壓與絕緣技術(shù)。