基于先導(dǎo)發(fā)展模型的絕緣子閃絡(luò)判據(jù)研究

梁記云，王永利，李金彪，馮欣楠

(1.東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司吉林供電公司，吉林 吉林 132012)

架空輸電線路在在電力系統(tǒng)中承擔著傳輸電能的作用，它實現(xiàn)了跨地區(qū)的能量輸送，因此必須保證架空線的安全性.雷電現(xiàn)象嚴重影響架空線路的安全[1]，雷擊桿塔產(chǎn)生的過電壓若超過絕緣子的耐受能力，絕緣子串的絕緣性能就會被破壞，線路就會發(fā)生短路事故.絕緣子的性能以及閃絡(luò)判據(jù)的選取會對線路的耐雷水平的計算精度有很大的影響[2-3].

絕緣子采用不同的閃絡(luò)判據(jù)會得到不同的耐雷水平，閃絡(luò)判據(jù)的選取會直接影響對架空輸電線路的安全評估[4].目前大致有四種判據(jù)：規(guī)程法、相交法、先導(dǎo)發(fā)展法和電壓積分法.規(guī)程法計算過程簡單，其將絕緣子串兩端的電壓與它的U50%值進行比較，它的不足之處是只能用于低電壓等級的單回輸電線路的分析.相交法是將絕緣子串兩端的過電壓與它的伏秒特性進行比較，它的缺點是需要得到合適的伏秒特性曲線[5].電壓積分法利用積分思想計算絕緣子兩端的電壓與某一闕值電壓的差值與擊穿時間之間的面積DE，若DE超過某一給定值，則認為閃絡(luò).此法參數(shù)選擇比較困難，沒有一個統(tǒng)一的標準，還需進一步研究[6]

先導(dǎo)法將絕緣子串的擊穿過程用長空氣間隙的擊穿來描述[7].Akopian首次提出了可以描述雷擊過程的先導(dǎo)發(fā)展模型，但此法有很大的局限性只適用特定的間隙.隨著研究的進行，T.Shindo實現(xiàn)了應(yīng)用先導(dǎo)發(fā)展模型來擬合伏秒特性曲線.GIGRE建立了應(yīng)用先導(dǎo)法求解反擊過程的物理模型，并將其納入規(guī)程之中.Rizk在進行大量工作后，得到先導(dǎo)起始電壓判據(jù)和擊穿判據(jù)[8].

220 kV輸電線路反擊耐雷性能的評估方法一般采用相交法，通常使用的伏秒特性曲線是在標準波下得到的，與在雷電波作用下得到的結(jié)果有一定差距[9].本文采用先導(dǎo)發(fā)展法，針對相交法中伏秒特性的不足進行了研究，利用先導(dǎo)發(fā)展法從整個雷擊的物理過程求得更貼近實際的伏秒特性曲線，得到更符合實際運行經(jīng)驗的耐雷水平[10].

1 絕緣子串閃絡(luò)模型的建立

1.1 絕緣子串閃絡(luò)的物理過程

雷擊過程可以用先導(dǎo)發(fā)展過程來模擬，雷電向地面釋放能量時，會產(chǎn)生一下行先導(dǎo)，它表示雷電下行的路徑，當達到一定條件后，地面物體會產(chǎn)生一上行先導(dǎo)，兩者相互吸引，相互發(fā)展，兩者相遇或其場強達到既定數(shù)值，雷電向該物體放電.雷電總會沿著最容易放電的路徑來行走，其實際為極長空氣間隙的擊穿，雷擊絕緣子串的物理模型可以采用棒-棒模型[12].

基于長空氣間隙放電現(xiàn)象的研究，絕緣擊穿可以分為三個過程：電暈起始、流注發(fā)展、先導(dǎo)發(fā)展，三者時間的總和稱為放電時延，表達式為

td=tc+ts+tl，

(1)

公式中：tc為從加壓到出現(xiàn)電暈現(xiàn)象的時間；ts為由電暈發(fā)展到流注階段的時間；tl為先導(dǎo)起始至其充滿整個間隙的時間.

對于雷電波來說，其波前時間極短，間隙擊穿電壓遠大于電暈起始電壓，在計算不高的前提下，可將此過程并入流注發(fā)展階段，不再單獨分析.

流注過程是否能起始取決于間隙的平均場強的大小，當間隙的平均場強達到某闕值E0時，流注起始并向下發(fā)展.電極的形態(tài)、間隙的長度、以及電壓極性對流注發(fā)展的起始階段有很大的影響.國外Hideki Motoyama學者基于電壓積分的思想，構(gòu)建了整流注發(fā)展結(jié)束的判據(jù)，表達式為

(2)

公式中：K1、K2為常數(shù)，kV/m和kV；d為絕緣子串長度，m；U(t)為外加電壓，kV.

本文的E0值參考雷特-米克判據(jù)，取23 kV/cm[14].間隙的平均場強E0可由公式(3)得

(3)

公式中：E為間隙的電場強度；U為間隙兩端的電壓；x為已經(jīng)發(fā)展的先導(dǎo)長度；D為間隙的長度；EZ為先導(dǎo)通道的電場強度.

先導(dǎo)發(fā)展模型提出，維持先導(dǎo)自起始至擊穿間隙的關(guān)鍵條件為剩余間隙的場強必須達到一闕值，若在發(fā)展過程中低于此值，先導(dǎo)將停止發(fā)展，間隙也不會發(fā)生擊穿.

當間隙出現(xiàn)流注后，間隙的空間電場會急劇變化，出現(xiàn)熱電離，當絕緣子串兩端的外加電壓大于連續(xù)先導(dǎo)的起始電壓時，流注通道就會發(fā)展成先導(dǎo)通道.連續(xù)先導(dǎo)起始電壓Ulc根據(jù)Rizk的棒-棒電極理論可得[15]，如公式(4).

(4)

當先導(dǎo)達到穩(wěn)定發(fā)展的條件后，它會以某一速度v從先導(dǎo)起始點向間隙底部發(fā)展，直到達到擊穿條件，擊穿間隙.先導(dǎo)發(fā)展速度是整個先導(dǎo)發(fā)展模型的核心，先導(dǎo)發(fā)展的特點可由其表示，它由外施電壓和剩余的間隙共同決定.國內(nèi)外學者通過大量實驗，得到先導(dǎo)發(fā)展速度的經(jīng)驗公式，本文采用的先導(dǎo)發(fā)展速度公式[16]表達如公式(5).

(5)

公式中：v為先導(dǎo)發(fā)展的速度；U為絕緣子串兩端的電壓；k為系數(shù)，由實驗獲得[17]；D為間隙長度；El0為先導(dǎo)能持續(xù)發(fā)展的最低場強.

由上式綜合可得，隨著先導(dǎo)自上而下發(fā)展，剩余間隙的場強不斷增大，先導(dǎo)發(fā)展的速度也隨之增加，當速度達到一定程度或者剩余間隙足夠小，流注將貫穿整個間隙，間隙將會被擊穿，臨界擊穿間隙hf稱為躍末間隙長度，可用公式(6)計算.

(6)

當流注占據(jù)大部分間隙時，若剩余間隙l

根據(jù)上文采用先導(dǎo)發(fā)展模型來間隙擊穿的物理發(fā)展過程，可編纂相應(yīng)的程序進行分析，程序框圖如圖1所示.

圖1 先導(dǎo)法求取絕緣子串伏秒特性程序框圖

1.2 仿真模型建立

本文采用ATP-EMTP軟件對雷擊桿塔產(chǎn)生的反擊過程進行建模分析，將桿塔等效為波阻抗來反應(yīng)對雷電波傳輸過程的影響[18].

雷擊桿塔頂端時，若絕緣子串兩端的過電壓與其伏秒特性有交點即認為發(fā)生閃絡(luò)，其中絕緣子串兩端的過電壓主要有四個分量組成：橫擔電壓Ug，耦合電壓Uk，感應(yīng)過電壓Uy，U0為導(dǎo)線的工作電壓.其中耦合電壓與過電壓的方向相反，可以起到減小過電壓的作用[19].綜上，絕緣子串兩端電壓可表示為公式(7).

U=U0+Ug+Uy-Uk.

(7)

閃絡(luò)判據(jù)模型由MODELS模塊實現(xiàn)，在這個模塊中將過電壓的各個進行疊加然后與用先導(dǎo)發(fā)展模型得到的伏秒特性曲線進行比較，若有交點即向外輸出閃絡(luò)信號[20].

2 模型驗證

本節(jié)以吉林通化某220 kV輸電線路為例，其85號桿塔的絕緣子串型號為XSH-100/220S2，懸掛類型為雙串，長度為2 190 mm.根據(jù)IEL給定的伏秒特性曲線[21]可得

(8)

在絕緣子串兩端加1.2/50 μs的標準沖擊電壓波，其波形表達式為

U=Um·1.03725(e-0.014 659 1·t-e-2.468 9·t)，

(9)

公式中：Um為所加電壓值，kV；t為加壓時間，μs.

逐次提高電壓值，得到相應(yīng)的擊穿時間，將得到的各點與推薦伏秒特性曲線一起繪制如圖2所示.

圖2 先導(dǎo)法所得伏秒特性曲線與推薦曲線對比圖

運用所編纂的程序可得如上數(shù)據(jù)，將其擬合可得表達式為

Ust=2 637×e(-0.728 9×t)+1 219×e(-0.000 394 5×t).

(10)

通過對比可發(fā)現(xiàn)，在5微秒以前推薦的伏秒特性曲線略高于計算得到的曲線，在5微秒以后，曲線發(fā)生變化，反而略高于推薦曲線，用先導(dǎo)法得到的伏秒特性曲線與推薦曲線的規(guī)律基本符合，所建立的先導(dǎo)模型是可取的.

2.2 閃絡(luò)判據(jù)應(yīng)用實例

2012年6月5日16時22分，220 kV云水線線路故障，220千伏水洞一次變縱聯(lián)C相高頻動作、雙套零序I段保護動作，保護給定故障點范圍為距離水洞一次變5～40 km，重點故障距離為距離水洞一次變22 km.

根據(jù)85號桿塔信息，塔高為27.2 m，接地電阻測量值為20歐姆，將桿塔信息轉(zhuǎn)化為等效波阻抗的各項參數(shù)，輸入構(gòu)建的模型.

在模型中輸入雷電流幅值，并不斷增加其數(shù)值，以此求得其耐雷水平，雷電流幅值為56 kA時各相電壓的波形如圖3所示，雷電流幅值為57 kA時各相的電壓波形如圖4所示.

圖3 未發(fā)生擊穿時各相過電壓波形

圖4 發(fā)生擊穿時各相過電壓波形

通過對雷電定位系統(tǒng)查詢，在2012年6月5日16時22分左右，220 kV云水線80號-100號段雷云活動劇烈，其中劇烈86號附近有一次雷擊，雷電流幅值到達-61 kA.兩圖對比可得，在56 kA時，絕緣子串兩端的過電壓沒有超過它的耐壓值，并未發(fā)生擊穿，系統(tǒng)可繼續(xù)運行.當雷電流增加到57 kA時，C相電位在極短的時間內(nèi)突變?yōu)?，即C相發(fā)生閃絡(luò)，絕緣子串被擊穿，可得絕緣子串的耐雷水平為56 kA.采用相交法得到的耐雷水平為73 kA，61 kA的雷電流并不會發(fā)生跳閘，與實際運行經(jīng)驗有差距.根據(jù)行標規(guī)定，220 kV單回輸電線路的參考耐雷水平為87～96 kA，此值是建立在接地電阻值為7～15歐姆的條件下，該桿塔的接地電阻值及耐雷水平?jīng)]有達到要求[21].

由上文可得本文建立的模型符合實際運行經(jīng)驗是可取的.雷電流達到84 kA時發(fā)生兩相同跳的各電壓波形如圖5所示，雷電流達到85 kA時發(fā)生三相同時跳閘的各相電壓波形如圖6所示，三相同跳的耐雷水平為84 kA.

圖5 雷電流為84 kA時各相過電壓波形圖

圖6 雷電流為85 kA時各相過電壓波形圖

分別采用先導(dǎo)法與相交法計算各種閃絡(luò)故障的耐雷水平如表1所示.

表1 兩種判據(jù)下的耐雷水平比較

表1表明先導(dǎo)法得到的耐雷水平比相交法得到的會低一些，這也符合兩者采用的伏秒特性曲線的特點，因此220 kV輸電線路采用先導(dǎo)法判據(jù)是可取的.

2.3 接地電阻的變化對耐雷水平的影響

經(jīng)過大量實驗分析，接地電阻的大小直接影響耐雷水平的高低，同時它也評估反擊耐雷水平的一個重要指標，不同接地電阻值下，耐雷水平的變化如圖7所示.

圖7 接地電阻對耐雷水平的影響

由圖7可得，隨著接地電阻的增加，耐雷水平急劇下降，且接地電阻越大，耐雷水平下降的趨勢越小.當接地電阻值較小時，電阻值小幅度的減小即可大幅度提升耐雷水平.當接地電阻值為15歐姆時，耐雷水平為74 kA，基本符合行標的給定值.根據(jù)行標的規(guī)定，在實際運行中，應(yīng)盡量使沖擊接地電阻在15歐姆以內(nèi)，保證有足夠的耐雷水平.

3 結(jié) 論

(1)應(yīng)用先導(dǎo)法建立的伏秒特性曲線在5微秒前總體上比相交法得到的較低，其得到的耐雷水平也略低，基本符合推薦曲線，因此在非標準波下，用先導(dǎo)法計算耐雷水平是可取的.

(2)接地電阻是影響反擊耐雷水平的重要因素之一，接地電阻值在15歐姆以內(nèi)時，反擊耐雷水平較高，在桿塔建設(shè)時，應(yīng)合理地設(shè)計接地電阻值，采取多種措施使其盡量小.