電氣間歇短路故障火花的監(jiān)測及定位研究

仝志鵬

（山西昱光發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州036900）

0 引言

電力系統(tǒng)中2個不同電位的帶電點(diǎn)之間直接接觸或間接接觸都會形成間歇短路故障，這時，輸電線上的電流會突變?yōu)檎９ぷ鲿r的數(shù)倍，瞬間產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致輸電線絕緣層破損，在電纜表面形成電流的傳導(dǎo)通道，擊穿空氣形成了間歇式短路故障火花。在這種情況下，電火花產(chǎn)生的瞬態(tài)強(qiáng)電磁場將對電氣設(shè)備產(chǎn)生電磁耦合和干擾［1］，甚至?xí)?dǎo)致微機(jī)保護(hù)裝置出現(xiàn)復(fù)位或者數(shù)據(jù)丟失等后果［2］。所以，我們需要及時了解故障電火花產(chǎn)生的位置，避免電火花的產(chǎn)生，這樣才能對電氣設(shè)備進(jìn)行有效保護(hù)，防止產(chǎn)生更大的損失。

1 電氣間歇短路火花電磁場解析模型建立

放電過程產(chǎn)生電火花，進(jìn)而產(chǎn)生電磁場，其中電火花模型是分析電磁場的主要因素。電火花被假設(shè)成位于無限大導(dǎo)電接地平板上的時變線性偶極子，那么平面以上空間的電磁場就是由偶極子及其鏡像偶極子的作用產(chǎn)生的。設(shè)放電間隙長度為l，空間一點(diǎn)p，將間隙中心作為坐標(biāo)圓點(diǎn)，空間中任意一點(diǎn)距偶極子中心的距離為r，設(shè)電流方向和z軸同向，如圖1所示［3－4］。

圖1 長導(dǎo)體偶極子模型示意圖

公式為：

選擇偶極子模型作為電火花放電模型，從而使得近遠(yuǎn)區(qū)的電磁場都能夠計算，同時去除了靜電荷產(chǎn)生的靜電場分量，因此用偶極子計算出的近遠(yuǎn)區(qū)電磁場的波形都是脈沖場，不會包含靜電場分量，較好地模擬了瞬態(tài)高頻電磁輻射場分量，所以該模型非常適合模擬間歇式電氣火花放電過程［5］。

2 電氣間歇短路故障火花的電磁場分布

2.1 利用Ansys建立模型

針對不同電流、相同位置（距離導(dǎo)線1m處）電磁場強(qiáng)度，以及相同電流（1A）、不同距離處的磁場強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析，得到磁場強(qiáng)度與電流強(qiáng)度及距離的關(guān)系。

分析模型為2根導(dǎo)線，導(dǎo)線直徑為5mm，2根導(dǎo)線間距5cm，導(dǎo)線長度為2m，材料為銅線。據(jù)幾何結(jié)構(gòu)以及對應(yīng)的分析要求建立有限元網(wǎng)格模型，其中計算模型節(jié)點(diǎn)共計350 607個，單元數(shù)201 868個，有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。

圖2 計算網(wǎng)格

2.2 計算結(jié)果

不同電流時計算距離導(dǎo)線1m位置的磁場強(qiáng)度，得到表1所示數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可以看出：磁場強(qiáng)度隨著電流的增加呈線性變化，變化關(guān)系為：y＝0.000 4x＋10－6，擬合曲線如圖3所示。

表1 不同電流時距離為"C磁場強(qiáng)度

圖3 磁場強(qiáng)度隨電流變化曲線

設(shè)定電流強(qiáng)度為1A，測量距離導(dǎo)線不同位置處的磁場強(qiáng)度，如表2所示，通過對磁場強(qiáng)度的分析，得到磁場強(qiáng)度與位置的關(guān)系曲線，如圖4所示。磁場強(qiáng)度與距離近似成冪指數(shù)關(guān)系，近似冪指數(shù)為y＝0.000 4x－2.631，其中，y為磁場強(qiáng)度，x為距離導(dǎo)線的距離。可以看出，磁場強(qiáng)度與導(dǎo)線的距離之間的關(guān)系近似是y＝K×x－3。其中K是一個與放電設(shè)備以及接收天線的頻率特性等因素有關(guān)的一個常數(shù)。

表2 不同位置磁場強(qiáng)度對比

圖4 磁場強(qiáng)度與距離的關(guān)系曲線

3 故障源定位實驗

定位實驗平臺有電火花發(fā)生裝置、3個傳感器、同軸電纜、信號調(diào)理電路、峰值保持器和無線發(fā)射無線接收模塊組成，本實驗在與試驗臺平行的XY直角坐標(biāo)系中進(jìn)行。借鑒基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位技術(shù)，采用最小二乘法定位估計方法，當(dāng)出現(xiàn)電氣火花時，電磁場將迅速向周圍輻射，使得分布在監(jiān)控區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)能很快檢測源周圍的電磁場信號，然后將所有傳感器接收到的信號傳送到PC機(jī)中進(jìn)行分析。

最小二乘估計法的基本思想是實際測量值與非線性的模型理論值輸出差值的平方和最小，根據(jù)已知節(jié)點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)來估計未知節(jié)點(diǎn)的位置的一種參數(shù)估計方法。這種計算方法的優(yōu)點(diǎn)是避免了正負(fù)誤差相抵消，有利于數(shù)據(jù)處理。我們選用最小二乘定位法，計算出信源位置作為牛頓迭代法的初始值，進(jìn)行定位優(yōu)化，以提高定位精度。

4 火花故障源定位結(jié)果

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)得到的擬合曲線關(guān)系式為V＝3.024 9x－1.978，這就是我們建立的電壓—距離定位模型，據(jù)此我們通過峰值保持器的輸出電壓可以計算火花源與傳感器模塊之間的距離，如表3所示。

表3 根據(jù)$個峰值保持器輸出計算得到信源與傳感器之間的距離

用最小二乘法，通過Matlab計算，得知定位結(jié)果是：

算出坐標(biāo)位置誤差最大達(dá)到了55%，與火花源誤差為［0.55，0.013 6］，r0誤差1.36%。

將這個定位結(jié)果作為牛頓迭代法的初始值進(jìn)行迭代運(yùn)算，編寫牛頓迭代算法的 Matlab程序，給定初值x0＝（0.450 0，0.984 4）T，求解精度設(shè)定為0.000 01。

編程牛頓迭代法解非線性方程組，將newton.m文件保存到工作路徑中，輸入＞＞newton運(yùn)行，得到計算結(jié)果收斂于：

而真實信源位置坐標(biāo)是：

經(jīng)過牛頓迭代優(yōu)化算法，可以算出坐標(biāo)位置的最大誤差僅為8.765 6%，與火花源誤差［0.087 656，0.062 168 2］。

5 結(jié)論

在實驗中，火花源預(yù)估位置坐標(biāo)為［108.76cm，93.78cm］，實際位置為［100cm，100cm］，與理想的火花源點(diǎn)誤差為［8.765 6cm，6.216 82cm］，其 誤 差 最 大 為 8.765 6%，在［－10cm，10cm］范圍內(nèi)，滿足工程定位的需求。誤差產(chǎn)生原因分析：（1）建立的定位模型沒有考慮頻率特性，對這一項誤差的影響規(guī)律未知；（2）建立放電電壓—距離之間的函數(shù)關(guān)系式時，由于工具的精度和人為讀數(shù)的習(xí)慣，使得所測數(shù)據(jù)有隨機(jī)性的誤差；（3）信號調(diào)理電路，對噪聲會有放大作用，若考慮這一影響因子，我們建立的模型將需要進(jìn)一步改進(jìn)；（4）在火花源定位試驗中，雖然刻意保持2次打火電極距離完全一樣，但是仍然無法做到火花源在同一位置時的連續(xù)幾次打火產(chǎn)生同等能量的火花，使得幾次定位結(jié)果將不一致。

［1］肖保明.瞬態(tài)弱磁場測量系統(tǒng)的研究［D］.華北電力大學(xué)，2004

［2］盧斌先.變電站開關(guān)瞬態(tài)場干擾耦合機(jī)理研究［D］.華北電力大學(xué)，2006

［3］常天海，尹俊勛，汪志成，等.靜電放電電磁輻射模式的建立與仿真［J］.安全，2006（6）

［4］王偉宗，吳翊，榮命哲，等.低壓開關(guān)電器穩(wěn)態(tài)電弧特性的仿真［J］.低壓電器，2009（23）

［5］畢增軍，盛松林，孫馳，等.靜電放電火花產(chǎn)生的電磁場數(shù)值模型［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2003（6）