有局部電弧污穢絕緣子串仿真模型

馬 禾,陳 平,李書領,孫學茜,馬永明

(1.山東理工大學電氣與電子工程學院,山東 淄博 255091;2.微山縣供電公司,山東 濟寧 277600)

在F.Obenaus模型基礎上,許多學者研究了更加接近實際的數學模型.文獻[1]分析了交流污閃的數學模型;文獻[2]將剩余污穢層電阻表示為絕緣子形狀系數、污穢層電導率等的函數;文獻[3]用絕緣子各個部位的半徑和泄露距離等尺寸參數等效各種形狀絕緣子表面;文獻[4]提出不同材料絕緣子模型.文獻[5-7]對單個絕緣子或少數幾個聯成串進行試驗,而實際高壓架空線路絕緣子串由少則接近十個,多則三十余個絕緣子組成;試驗電壓與實際運行電壓差異較大;文獻[8]提到試驗室環境與戶外大氣環境差異大,絕緣子周圍空間布局差異也較大.此外,不同試驗室之間試驗條件的差異也使同一現象的試驗數據有很大差異.

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

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象,提出有局部電弧污穢絕緣子串仿真模型,該模型的結構和參數更加接近文獻[8,11-12]描述的絕緣子串實際運行情況.該模型體現了污穢絕緣子串不同位置電弧的暫態變化,對泄露電流高速采樣可獲取電弧燃起與熄滅時暫態行波量.

1 污穢絕緣子串局部電弧機理

污閃經歷四個發展階段:絕緣子積污、污層受潮、干帶形成和局部電弧產生、局部電弧發展直至閃絡.

干帶的出現阻斷電流路徑,其上分擔絕緣子壓降絕大部分,該電壓隨干帶加寬逐漸增大,最終導致干帶表面的空氣被擊穿.若回路阻抗較小,則干帶表面產生電弧.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之間關系為

污穢絕緣子串中各個絕緣子產生電弧時間上有參差,程度上有強弱,同一時刻各個絕緣子狀態相互影響和疊加,十分復雜.

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有電弧,則等效模型如圖2所示.

圖2 無電弧單個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 有局部電弧單個污穢絕緣子等效模型

若污穢絕緣子表面閃絡則等效模型如圖4所示.

圖4 單個污穢絕緣子閃絡等效模型

圖4中Cd是整個表面電容;Rd是閃絡電弧電阻.S閉合,表示閃絡;當電弧電流下降到無法維持電弧所需的能量時,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確建立模型的關鍵.

2.2 電弧電阻伏安特性

電弧狀態具有高度的復雜性和隨機性,其伏安特性表現出非線性特征,總體趨勢為電流小,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的關系[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,無量綱.

根據污穢層電導率的大小,可將污穢分為重污穢和輕污穢.單位長度污穢層電阻、等效盤徑和污穢層電導率的關系[2]:

式中rp為單位長度污穢層電阻,單位取MΨ/cm;Deq單位取cm;σs為污穢層電導,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為單個絕緣子對線路雜散電容,CE為對鐵塔雜散電容.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行電壓下產生局部電弧.圖中標號1～7為絕緣子編號.對各個絕緣子狀態設置如下:1號絕緣子發生閃絡.2、3、6和7號絕緣子沒有閃絡但有局部電弧.4和5號絕緣子無電弧.

3.2 仿真參數

1)電弧伏安特性 文獻[9]根據試驗數據給出了電弧伏安特性.非線性電阻元件(Type 92)伏安特性參數設置見表1.

2)壓控開關 輕污穢時電弧會熄滅與重燃,由于電弧的狀態具有高度隨機性,因此,壓控開關的閉合電壓、閉合延續時間和斷開電流參數可在原理允許范圍內任意設置.污穢層電導率為19μ S時,普通盤形懸式瓷絕緣子XP-160型閃絡電壓有效值大致為26kV[13].

圖6 A TPDraw仿真模型

對各個壓控開關作如下設置:1號絕緣子閃絡電壓設置為37000V.根據閃絡電壓與泄露距離的近似正比關系,6、3、2和7號絕緣子干帶擊穿電壓依次升高.所有壓控開關的開斷電流均設置為0.1A.

重污穢時,電弧在電壓峰值或將要到達峰值時燃起,之后電弧電流過零不會熄滅.

3)污穢層電阻 普通盤形懸式瓷絕緣子XP-160型的泄露距離305mm,形狀系數0.7[2].依據污穢層電導率與鹽密的關系[14],若重污穢時鹽密為0.22mg/cm2,污穢層電導率為30μ S,單位長度污穢層電阻為764Ψ/cm;輕污穢時鹽密為0.11mg/cm2,電導率為19μ S,單位長度污穢層電阻為1200Ψ/cm.

與壓控開關閉合電壓設置相吻合,6、3、2和7號絕緣子剩余污穢層長度依次減小.

3.3 仿真結果及分析

輕污穢時在各個絕緣子上測得對地電壓波形如圖7所示.v1a是圖7中點1處電壓探針測得電壓,v2～v7分別為點2～7的電壓.

圖7 輕污穢時各個絕緣子上對地電壓波形

仿真結果表明,6號絕緣子最先出現電弧,該絕緣子干帶壓降分擔到其他各個絕緣子上,其他絕緣子對地電壓發生突增.

采樣頻率為1MHz時,泄露電流波形如圖8所示.

圖8 輕污穢時絕緣子串電流波形

所有干帶未全被短路時,某處電弧燃起瞬間,該干帶電容放電,電流小幅突增,但這時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干帶上,該干帶電容儲存電荷最多,電弧燃起瞬間電流大幅突增,電容放電結束后電流由回路電壓和電阻確定.

電流過零點附近,電弧熄滅,電流波形截斷,起弧電流大于熄弧電流,且各個周期波形并不完全相同,這些都與實際波形十分接近.

重污穢時在各個絕緣子上測得對地電壓波形如圖9所示.

圖9 重污穢時各個絕緣子上對地電壓波形

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

電流波形如圖10所示.

圖10 重污穢時絕緣子串電流波形

電流波形在過零點附近無間斷,由于電弧的非線性波形不是純正弦,尤其在過零點附近隨電壓增加電流變化不明顯.該波形與試驗所得波形極其相近.

4 結束語

本文所提出仿真模型以架空線路絕緣子串實際運行情況為依據,仿真結果說明該模型較為準確地給出輕、重污穢下的電流波形,在高采樣頻率下體現出暫態行波量,并且各個絕緣子上的對地電壓波形能夠反映串中絕緣子相互影響的特點.

由于電弧狀態有很強的隨機性,污穢層電阻也會隨電弧和環境變化而變化,因此,雖然有些變化從概率看有規律,但難以通過建模仿真將這些現象精確地表現出來.如何使仿真更加精確和逼近真實情況有待于進一步研究.

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