帶電斷接35kV空載線路時(shí)的暫態(tài)過(guò)程研究

廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院 謝龍光 王 磊 陳永祥

中國(guó)電力科學(xué)研究院武漢分院電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 唐 盼

帶電斷、接引線是10kV 配電網(wǎng)帶電作業(yè)量的主要作業(yè)項(xiàng)目，35kV 線路上所供用戶數(shù)量較少，但由于其輸送容量較大、送電距離長(zhǎng)，如停電進(jìn)行斷接空載線路會(huì)對(duì)用戶造成較大影響，因此帶電斷接空載線路仍是35kV 線路帶電作業(yè)中一個(gè)重要項(xiàng)目?？蛰d線路三相導(dǎo)線之間和導(dǎo)線對(duì)地都存在電容，在斷、接空載線路瞬間會(huì)有電容電流出現(xiàn)在斷口處，此時(shí)產(chǎn)生的電弧可能對(duì)作業(yè)人員產(chǎn)生嚴(yán)重傷害[1-3]。

斷接引線的過(guò)程與開(kāi)關(guān)開(kāi)斷過(guò)程相似，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。王彧等利用ATP-EMPT建立了電弧模型,通過(guò)仿真試驗(yàn)全面深入地分析了帶電斷接各電壓等級(jí)空載線路時(shí)拉弧速度和拉弧距離對(duì)電弧強(qiáng)度的影響。李香龍等通過(guò)對(duì)帶取能PT線路的空載電流進(jìn)行理論計(jì)算和對(duì)接有PT 的線路進(jìn)行帶電斷接引流線現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際試驗(yàn),結(jié)果表明10kV架空線路相間并入PT 對(duì)直接開(kāi)展帶電斷接引流線更加有益[4-5]。宋冬冬等為闡明電弧電流轉(zhuǎn)移的過(guò)程、機(jī)理和影響因素,確定不同半導(dǎo)體器件轉(zhuǎn)移電弧電流的差異,針對(duì)機(jī)電混合式有載分接開(kāi)關(guān)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。但上述研究成果并未涉及35kV 線路帶電作業(yè)工況。

本文利用ATP-EMPT 建立帶電斷接空載線路模型，分析了暫態(tài)電流電壓的特性，在高壓實(shí)驗(yàn)室分別采用不同的速率搭接電容器，研究了搭接速度對(duì)搭接過(guò)程的影響，測(cè)量其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過(guò)程，分析了帶電斷接35kV 空載線路的工藝要求，為帶電斷接空載線路作業(yè)項(xiàng)目的安全開(kāi)展提供了理論支撐。

1 帶電斷接35kV 空載線路仿真分析

1.1 空載線路等值模型

不帶負(fù)載的高電壓輸電線路的投入運(yùn)行和退出在原理上與電容器的投切相同，因?yàn)椴粠ж?fù)載的輸電線路主要是電容性質(zhì)，可以等效為一個(gè)集中電容器。此外由于法蘭第升壓效應(yīng)而發(fā)生一個(gè)小的電壓突變，高電壓輸電線路還存在行波傳輸時(shí)間，在線路較長(zhǎng)的情況下需要采用分布元件而不用集中元件來(lái)表示。對(duì)于長(zhǎng)度小于200km 的線路可以采用集中電容器來(lái)等效，配電線路一般都比較短，在數(shù)千米到數(shù)十千米之間，因而可采用集中參數(shù)來(lái)進(jìn)行模擬。在ATP 仿真軟件中建立了相應(yīng)的仿真模型。

1.2 仿真計(jì)算

1.2.1 搭接空載線路的暫態(tài)特性仿真

合閘角對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的影響。帶電搭接空載線路時(shí)，一般在線路接近帶電體的距離足夠小的情況下，間隙在電源電壓接近峰值時(shí)發(fā)生預(yù)擊穿，因?yàn)轭A(yù)擊穿發(fā)生可能性最大的相角區(qū)間為[60°，90°]（電壓過(guò)零后為起點(diǎn)），我們對(duì)搭接在電源側(cè)電壓為峰值時(shí)發(fā)生預(yù)擊穿時(shí)的過(guò)電壓特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，在電源電壓為峰值時(shí)發(fā)生預(yù)擊穿或合閘會(huì)產(chǎn)生約1.45pu，顯然在相角為30°及以下時(shí)合閘不會(huì)產(chǎn)生明顯的過(guò)電壓，但實(shí)際上，人工帶電搭接空載線路時(shí)，工頻電壓下間隙的工頻耐受距離約5cm，若搭接速度為0.2m/s，間隙處于預(yù)擊穿過(guò)程的時(shí)間為0.25s，約12.5個(gè)工頻周期，顯然在搭接期間會(huì)發(fā)生預(yù)擊穿，如果大氣條件良好，作業(yè)人員不抖動(dòng)的條件下電弧會(huì)比較穩(wěn)定，不會(huì)形成多次重?fù)舸┻^(guò)程。作業(yè)人員的搭接速度為1m/s，對(duì)應(yīng)也有2.5個(gè)周波，發(fā)生在峰值時(shí)發(fā)生預(yù)擊穿的機(jī)率減小。

搭接空載線路的長(zhǎng)度對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的影響?？蛰d線路的長(zhǎng)度與線路的等效電容成正比，因而搭接的空載線路越長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的電容及電容電流越大、電磁暫態(tài)能量也越大，因而電磁暫態(tài)過(guò)程也明顯，分別對(duì)不容量的空載線路等效電容搭接過(guò)程的暫態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行了計(jì)算，線路長(zhǎng)度變化時(shí)過(guò)電壓幅值沒(méi)有明顯變化[6]。

搭接速度對(duì)電弧重燃特性及過(guò)電壓的影響。搭接的模擬線路的電容為0.064μF，研究間隙的電弧重燃特性對(duì)合閘過(guò)電壓的影響，此處仿真最嚴(yán)重情況即發(fā)生重燃時(shí)電源電壓與電容電壓都處于峰值且反向。當(dāng)重燃電壓為20kV 時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓為56.17kV，當(dāng)重燃電壓為60kV、接近于負(fù)電壓峰值時(shí)發(fā)生重?fù)舸瑢?duì)應(yīng)的過(guò)電壓為104.02kV，所以從以上分析可看出，重?fù)舸┌l(fā)生時(shí)，間隙兩端的電壓越高產(chǎn)生的過(guò)電壓越高，顯然間隙上承受的電壓和間隙的距離相關(guān)。顯然在搭接過(guò)程中搭接的速度對(duì)減小過(guò)電壓具有以下作用：搭接速度一方面減小了間隙重燃的時(shí)間；搭接速度可有效減小斷口間隙和重沖擊發(fā)生的重?fù)舸╇妷骸?/p>

1.2.2 斷開(kāi)空載線路的暫態(tài)特性仿真

分閘對(duì)暫態(tài)過(guò)電壓的影響。采用隔離刀閘或人工分?jǐn)嗫蛰d線路的過(guò)程中，電弧一般在電流過(guò)零時(shí)熄滅，線路被分?jǐn)?，若線路在電壓為極性峰值時(shí)發(fā)生分?jǐn)?，線路上將保持負(fù)極性的殘壓，端口電壓隨著電源電壓在分?jǐn)嗪蟮?0ms 達(dá)到最大值，此時(shí)將發(fā)生一次重?fù)舸?。顯然人工開(kāi)斷空載線路過(guò)程中，由于分?jǐn)嗨俣嚷龑l(fā)生多次重?fù)舸?/p>

空載線路的長(zhǎng)度對(duì)分閘過(guò)電壓的影響。空載線路的長(zhǎng)度與線路的等效電容成正比，因而分?jǐn)嗟目蛰d線路越長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的電容及電容電流越大、電磁暫態(tài)能量也越大，因而電磁暫態(tài)過(guò)程也明顯，分別對(duì)不容量的電容搭接過(guò)程的暫態(tài)過(guò)電壓進(jìn)行了計(jì)算，隨著搭接空載線路的電容的增加，產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值沒(méi)有明顯變化，即過(guò)電壓大小與空載線路長(zhǎng)度無(wú)關(guān)[7]。

2 模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)布置

本次試驗(yàn)是在高壓實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，采用空氣間隙直接消弧的帶電斷接空載線路模擬試驗(yàn)。分別采用不同的速率搭接電容器以研究搭接速度對(duì)搭接過(guò)程的影響，測(cè)量其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過(guò)程：試驗(yàn)電源采用900kV/600kVA 調(diào)壓器升至U0=20kV，電源引至高壓電極上；試驗(yàn)分別采用0.01μF、0.1μF、0.2μF三組電容器模擬空載線路；試驗(yàn)人員采用絕緣操作桿操控模擬電容高壓端的引線，進(jìn)行開(kāi)斷及接入模擬架空導(dǎo)線試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程記錄示波器的電壓和電流波形。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

斷、接試驗(yàn)過(guò)程可以聽(tīng)到斷接處的絕緣桿金屬端與高壓電極之間充放電產(chǎn)生的電弧電流（火花放電）聲音，且肉眼可觀察到火花放電。

在同樣的布置條件下，在加壓20kV、電容為0.01μF 時(shí)對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電容電流為0.07A，對(duì)應(yīng)的拉弧距離在1～3cm 之間，電弧較短，斷接過(guò)程熄滅速度較快。當(dāng)電容0.2μF 時(shí)拉弧距離最大為50cm，已經(jīng)接近35kV 帶電作業(yè)安全距離，此時(shí)需注意帶電搭接與解開(kāi)空載線路的過(guò)程中要注意拉弧對(duì)線路相間和相地絕緣的影響。當(dāng)兩電極有效接觸時(shí)電弧熄滅；在搭接過(guò)程中若出現(xiàn)抖動(dòng)則會(huì)出現(xiàn)明顯拉弧，因而在帶電搭接空載線路過(guò)程中應(yīng)在穩(wěn)定和可靠搭接的基礎(chǔ)，適當(dāng)提高斷接速度，可以避免搭接過(guò)程的電弧重燃[8-9]。

帶電斷接35kV 空載線路中，如果未采用消弧裝置，較大的電弧可能會(huì)對(duì)人員傷害或設(shè)備故障。因此推薦當(dāng)空載線路的穩(wěn)態(tài)電容電流小于0.1A 時(shí)，可以采用絕緣桿直接斷接空載線路引流線，若穩(wěn)態(tài)電容電流大于0.1A，則作業(yè)人員應(yīng)當(dāng)使用消弧繩等消弧工具進(jìn)行斷接。

綜上，本文通過(guò)模擬仿真計(jì)算和分析，得出以下結(jié)論：搭接空載線路時(shí)，搭接速度可以有效減小間隙重燃時(shí)間和重?fù)舸╇妷?，隨著搭接空載線路的電容的增加，產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值沒(méi)有明顯變化；斷開(kāi)空載線路時(shí)，由于人工分?jǐn)嗨俣嚷?，將發(fā)生多次重?fù)舸煌扑]當(dāng)空載線路的穩(wěn)態(tài)電容電流小于0.1A時(shí)，可以采用絕緣桿直接斷接空載線路引流線，若穩(wěn)態(tài)電容電流大于0.1A，則作業(yè)人員應(yīng)當(dāng)使用消弧繩等消弧工具進(jìn)行斷接。