絕緣子調爬后變電站配電設備過電壓計算

鄒進，盧蘭靜

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

絕緣子調爬后變電站配電設備過電壓計算

鄒進，盧蘭靜

(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

污閃事故的頻繁發(fā)生導致各地供電公司都進行大規(guī)模的絕緣子調爬工程，絕緣子調爬后雷擊閃絡電壓升高，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機理，研究了一種基于先導法原理的ATP-EMTP閃絡模型，驗證了模型在判據絕緣子閃絡的可行性。應用絕緣子的先導閃絡模型，通過ATP-EMTP仿真，計算了線路絕緣子調爬后變電站配電設備的過電壓幅值。研究結果表明，基于先導法的絕緣子閃絡原理能更好的解釋絕緣子閃絡的物理過程，當絕緣子片數增加到一定值時，如果絕緣子發(fā)生閃絡，入侵到變電站的雷電波將產生較大過電壓，使得設備的絕緣配合不滿足要求，危及設備的安全運行。

污閃；絕緣子調爬；先導法；過電壓

1 引言

電力工業(yè)對國民經濟的發(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)質服務的重要指標。我國的能源分布有著明顯的地域差別，遠距離大容量輸電成為國家能源調配的主要趨勢，使得輸電電壓等級不斷提高，又加上經濟發(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)進行了大規(guī)模的絕緣子調爬工程。絕緣子調爬后閃絡電壓提高，當雷擊造成絕緣子閃絡時雷電波是否會對設備造成損害是亟待解決的問題。

2 基于先導法的絕緣閃絡ATP-EMTP模型

計算閃絡時侵入變電站的雷電過電壓值，首先須確定絕緣子的閃絡電壓，現階段的絕緣子閃絡電壓判斷方法主要有規(guī)程法、相交法、電壓積分法及先導法。規(guī)程法通過計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%放電電壓則判據絕緣子閃絡，規(guī)程法判斷絕緣子閃絡過程清晰，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，來判據絕緣子是否閃絡，在使用相交法判據絕緣子閃絡時，絕緣子的伏秒特性是同過標準雷電沖擊波測定的，而實際絕緣子兩端的電壓遠非標準波，因此用此判斷方法與實際絕緣子閃絡過程有一定出入，電壓積分法考慮了電壓隨時間的累積效應，但是其方法本身的物理意義不明確使用有較大的局限性。相比而言先導模型法比上述方法能更好的描述絕緣子閃絡過程。

根據國網科學院研究院的研究結果表明絕緣子空氣擊穿的閃絡過程可以等效為棒-棒空氣間隙放電，國外實驗室的研究結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，所以絕緣子的閃絡機理的可以等效為棒-棒長間隙的放電機理。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-先導理論，當棒-棒空氣間隙間的電壓逐漸升高時，間隙開始出現零星的放電現象，此階段的放電過程主要是因為空氣間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，此時其周圍由光電子引起新的電子崩，這時空氣間隙間的放電發(fā)生了質的改變，由光電子引起的二次電子崩頭部匯聚在一起，放電轉為自持放電階段，流注產生。流注發(fā)展一定程度后整個間隙間的離子已經非常復雜，此時單純的用光電子激發(fā)二次電子崩的理論已經不能很好的描述長間隙放電的特性，這時科學通過長期的實驗研究，提出了先導通道原理解釋長間隙的放電現象，并給出了先導發(fā)展的速度公式，理論認為當先導發(fā)展到一定長度時，先導會發(fā)生躍變，此時間隙被擊穿。

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

根據Raether-Meek判據流注起始：

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。當電子崩發(fā)展的長度超過臨界長度后流注產生，最后導致空氣間隙擊穿。

電子崩臨界長度的計算公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Er為電子崩頭部電場強度，kV/cm；E為間隙電場強度，kV/cm；α為空氣的電離常；r為電子崩頭部球體的半徑；D為電子的擴散系數，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-米克判據流注的起始階段的場強與實驗得到的流注起始的場強值如表1所示。

表1

由表1可知，用雷特-米克判據的流注起始值與實驗室結果有較好的一致性，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，此時流注會逐漸轉化為先導，放電階段也轉化為先導放電階段。連續(xù)先導的起始放電電壓判據方法為：

(7)

式中：h為接地點電極的高度，d是空氣隙間隙之間的距離，又因為長間隙放電的h>>d，所以上式可改寫為：

(8)

先導形成后，將會以速度v向前發(fā)展，由于先導的形成機理及發(fā)展過程十分復雜，因此先導的速度公式都是通過實驗結果擬合而來，根據CIGRE推薦的先導的速率公式為：

(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為先導發(fā)展的長度，m；E0為先導發(fā)展的最小場強，v是先導發(fā)展的速率。

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

u(t)=U-Ezx

由此上述公式可變?yōu)椋?/p>

(10)

式中Ez為先導通道的電場強，kV/m。

當先導發(fā)展的長度到達間隙長度時，判據間隙擊穿，此時絕緣發(fā)生閃絡。基于先導法的ATP-EMTP模型如圖2所示。

圖2 基于先導法的閃絡模型

根據武高所實驗結果擬合的25片XP-160絕緣子的伏秒特性曲線表達式為：

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

(11)

根據上述擬合曲線，與先導法判據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，用先導法判據的絕緣子閃絡模型與實際相符。

圖3 絕緣子伏秒特性

3 絕緣子調爬后入侵變電站過電壓計算

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

雷電流為標準雷電波，幅值120kA，波頭時間為4×10-6s，半波時間5×10-5s，雷擊點考慮為進線段以內的桿塔遭受雷擊，進線段內有1#-5#桿塔，配電裝置等效模型根據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

當絕緣子調爬后，雷擊桿塔造成反擊過電壓時，調爬的結果相當于絕緣子上下電極之間空氣間隙距離增大，由閃絡的先導模型，并根據實測的絕緣子上下電極之間的距離即可計算絕緣子調爬后入侵變電站的過電壓值，通過ATP-EMTP軟件仿真，當220kV絕緣子串的片數由13片提高到14片時，進線側避雷器、變壓器側避雷器上最大沖擊電流I1、I2，最大過電壓U1、U2；進線側斷路器、變壓器側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220kV絕緣子串的片數由14片提高到15片時，進線側避雷器、變壓器側避雷器上最大沖擊電流I1、I2，最大過電壓U1、U2；進線側斷路器、變壓器側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 結論

由表3、表4可知，當絕緣子調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，入侵到變電站中的過電壓值越大，表中絕緣子調爬后#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稱放電電流且設備上的最大過電壓與設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.電網過電壓教程[M].中國電力出版社，1995.

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