帶電斷接35kV空載線路時的暫態(tài)過程研究

廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院 謝龍光 王 磊 陳永祥

中國電力科學研究院武漢分院電網(wǎng)環(huán)境保護國家重點實驗室 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，如停電進行斷接空載線路會對用戶造成較大影響，因此帶電斷接空載線路仍是35kV 線路帶電作業(yè)中一個重要項目。空載線路三相導線之間和導線對地都存在電容，在斷、接空載線路瞬間會有電容電流出現(xiàn)在斷口處，此時產(chǎn)生的電弧可能對作業(yè)人員產(chǎn)生嚴重傷害[1-3]。

斷接引線的過程與開關(guān)開斷過程相似，國內(nèi)外學者已開展過相關(guān)研究。王彧等利用ATP-EMPT建立了電弧模型,通過仿真試驗全面深入地分析了帶電斷接各電壓等級空載線路時拉弧速度和拉弧距離對電弧強度的影響。李香龍等通過對帶取能PT線路的空載電流進行理論計算和對接有PT 的線路進行帶電斷接引流線現(xiàn)場實際試驗,結(jié)果表明10kV架空線路相間并入PT 對直接開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)移的過程、機理和影響因素,確定不同半導體器件轉(zhuǎn)移電弧電流的差異,針對機電混合式有載分接開關(guān)測試平臺進行了試驗研究。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，在高壓實驗室分別采用不同的速率搭接電容器，研究了搭接速度對搭接過程的影響，測量其穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)過程，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)項目的安全開展提供了理論支撐。

1 帶電斷接35kV 空載線路仿真分析

1.1 空載線路等值模型

不帶負載的高電壓輸電線路的投入運行和退出在原理上與電容器的投切相同，因為不帶負載的輸電線路主要是電容性質(zhì)，可以等效為一個集中電容器。此外由于法蘭第升壓效應而發(fā)生一個小的電壓突變，高電壓輸電線路還存在行波傳輸時間，在線路較長的情況下需要采用分布元件而不用集中元件來表示。對于長度小于200km 的線路可以采用集中電容器來等效，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)來進行模擬。在ATP 仿真軟件中建立了相應的仿真模型。

1.2 仿真計算

1.2.1 搭接空載線路的暫態(tài)特性仿真

合閘角對暫態(tài)過電壓的影響。帶電搭接空載線路時，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發(fā)生預擊穿，因為預擊穿發(fā)生可能性最大的相角區(qū)間為[60°，90°]（電壓過零后為起點），我們對搭接在電源側(cè)電壓為峰值時發(fā)生預擊穿時的過電壓特性進行了仿真計算，在電源電壓為峰值時發(fā)生預擊穿或合閘會產(chǎn)生約1.45pu，顯然在相角為30°及以下時合閘不會產(chǎn)生明顯的過電壓，但實際上，人工帶電搭接空載線路時，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，間隙處于預擊穿過程的時間為0.25s，約12.5個工頻周期，顯然在搭接期間會發(fā)生預擊穿，如果大氣條件良好，作業(yè)人員不抖動的條件下電弧會比較穩(wěn)定，不會形成多次重擊穿過程。作業(yè)人員的搭接速度為1m/s，對應也有2.5個周波，發(fā)生在峰值時發(fā)生預擊穿的機率減小。

搭接空載線路的長度對暫態(tài)過電壓的影響。空載線路的長度與線路的等效電容成正比，因而搭接的空載線路越長對應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)過程也明顯，分別對不容量的空載線路等效電容搭接過程的暫態(tài)過電壓進行了計算，線路長度變化時過電壓幅值沒有明顯變化[6]。

搭接速度對電弧重燃特性及過電壓的影響。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合閘過電壓的影響，此處仿真最嚴重情況即發(fā)生重燃時電源電壓與電容電壓都處于峰值且反向。當重燃電壓為20kV 時產(chǎn)生的過電壓為56.17kV，當重燃電壓為60kV、接近于負電壓峰值時發(fā)生重擊穿，對應的過電壓為104.02kV，所以從以上分析可看出，重擊穿發(fā)生時，間隙兩端的電壓越高產(chǎn)生的過電壓越高，顯然間隙上承受的電壓和間隙的距離相關(guān)。顯然在搭接過程中搭接的速度對減小過電壓具有以下作用：搭接速度一方面減小了間隙重燃的時間；搭接速度可有效減小斷口間隙和重沖擊發(fā)生的重擊穿電壓。

1.2.2 斷開空載線路的暫態(tài)特性仿真

分閘對暫態(tài)過電壓的影響。采用隔離刀閘或人工分斷空載線路的過程中，電弧一般在電流過零時熄滅，線路被分斷，若線路在電壓為極性峰值時發(fā)生分斷，線路上將保持負極性的殘壓，端口電壓隨著電源電壓在分斷后的10ms 達到最大值，此時將發(fā)生一次重擊穿。顯然人工開斷空載線路過程中，由于分斷速度慢將發(fā)生多次重擊穿。

空載線路的長度對分閘過電壓的影響。空載線路的長度與線路的等效電容成正比，因而分斷的空載線路越長對應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)過程也明顯，分別對不容量的電容搭接過程的暫態(tài)過電壓進行了計算，隨著搭接空載線路的電容的增加，產(chǎn)生的過電壓幅值沒有明顯變化，即過電壓大小與空載線路長度無關(guān)[7]。

2 模擬試驗

2.1 試驗布置

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

2.2 試驗結(jié)果

斷、接試驗過程可以聽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 時對應的穩(wěn)態(tài)電容電流為0.07A，對應的拉弧距離在1～3cm 之間，電弧較短，斷接過程熄滅速度較快。當電容0.2μF 時拉弧距離最大為50cm，已經(jīng)接近35kV 帶電作業(yè)安全距離，此時需注意帶電搭接與解開空載線路的過程中要注意拉弧對線路相間和相地絕緣的影響。當兩電極有效接觸時電弧熄滅；在搭接過程中若出現(xiàn)抖動則會出現(xiàn)明顯拉弧，因而在帶電搭接空載線路過程中應在穩(wěn)定和可靠搭接的基礎(chǔ)，適當提高斷接速度，可以避免搭接過程的電弧重燃[8-9]。

帶電斷接35kV 空載線路中，如果未采用消弧裝置，較大的電弧可能會對人員傷害或設備故障。因此推薦當空載線路的穩(wěn)態(tài)電容電流小于0.1A 時，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)人員應當使用消弧繩等消弧工具進行斷接。

綜上，本文通過模擬仿真計算和分析，得出以下結(jié)論：搭接空載線路時，搭接速度可以有效減小間隙重燃時間和重擊穿電壓，隨著搭接空載線路的電容的增加，產(chǎn)生的過電壓幅值沒有明顯變化；斷開空載線路時，由于人工分斷速度慢，將發(fā)生多次重擊穿；推薦當空載線路的穩(wěn)態(tài)電容電流小于0.1A時，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)人員應當使用消弧繩等消弧工具進行斷接。