500 kV高壓線路單相弧接地放電特性數據模擬

魯俊，田蔚光

（國網經濟技術研究院有限公司，北京 西城102209）

500 kV 高壓線路是供配電站中常用的輸電線路。在實際應用中，此種輸電線路具有傳輸距離長、有效覆蓋范圍廣等優勢，但在供配電站中也常受到外界環境因素的影響而出現輸電故障[1]。為了掌握500 kV高壓線路單相弧接地異常現象，我國電力研究單位聯合了美國科研所，協同搭建了針對接地故障擊穿實驗的仿真操作平臺，并進一步地研究了500 kV高壓線路在多種接地介質下的放電特性[2]。但早期的相關研究，均缺少專業技術與仿真電路作為支撐，因此，實驗過程通常采用真實的線路，此種操作方式不僅成本高，同時也存在一定危險性，并且驗證結果存在偶然性。為了解決此種問題，本文將以500 kV高壓線路為例，對其單相弧接地過程存在的放電特性，進行數據模擬研究，以期通過此種方式，更清晰地掌握單相弧接地故障時的瞬時放電特性。

1 500 kV高壓線路單相弧接地放電特性數據模擬方法

1.1 構建500 kV高壓線路單相弧接地放電等效電路

為實現對500 kV高壓線路單相弧接地放電特性數據的有效模擬，構建如圖1所示的等效電路。

圖1 500 kV高壓線路單相弧接地放電等效電路

將該等效電路的內電極直徑設置為12.5 mm，外電極最大直徑設置為25.3 mm，將其放電間隔通過內電極深入長度調節的方式實現，將其各個結構上的噴嘴孔設置為1.00、1.25、2.25和3.00 mm。采用水中交流放電的方式構建，在對其放電特性進行模擬時，將水流從圖1等效電路的后部進水口流入，在內外電壓上將工頻電壓累計[3]。圖1中L表示為電感，R表示為電阻。在模擬高壓線路放電回路時將電阻分壓器進行并聯處理，并在該電路當中引入示波器，綜合500 kV高壓線路在實際運行過程中的特點，采用DS2570型號示波器，設置其樣品采集頻率為225 MHz，帶寬為75 MHz。利用示波器完成對高壓線路兩端電壓放電情況的描述，為后續單相弧接地放電特性數據模擬提供科學依據。

1.2 設計單相弧接地放電特性數據模擬條件

在上述構建的500 kV高壓線路單相弧接地放電等效電路基礎上，對模擬過程中的條件進行設置。由于等效電路模型當中的非線性項增加了后續數據模擬的難度，因此，引入傅立葉算法將傅立葉數的可變化范圍作為模擬條件[4]。將500 kV高壓線路在通電過程中的電弧導電區域的半徑看作不可變化的量，對傅立葉數進行計算，得到如下公式：

式中：F為傅立葉數；ω為高壓線路電流角頻率；θ為高壓線路電流角的角度；a為高壓線路電流；T為高壓線路單相弧接地放電時間；R為電弧導電區域的半徑。根據上述公式，計算得出流量最大和最小時的傅立葉數，并將該范圍作為數據模擬的范圍條件。若在數據模擬過程中，傅立葉數過大，則500 kV高壓線路單相弧接地時發生有限大小的熱擾動會更加快速地傳遞到內部，導致最終得出的模擬數據結果不準確[5]。同時，為了確保最終數值模擬結果的精度進一步提高，需要確保在一定時間步長內實現換熱在相鄰單元格中進行。將計算域網格作為數值模擬匯總的特征長度，則網格傅立葉函數應當滿足如下條件：

式中：F′為網格傅里葉數；t為特定時間步長；r為特征長度，根據公式（2）計算得出網格傅里葉數，并確保在數值滿足上述條件的基礎上，完成對500 kV高壓線路單相弧接地放電特性的數據模擬。

1.3 基于修正函數的數據模擬及修正補償

結合上述內容，將其作為基礎對500 kV高壓線路的單相弧接地進行模擬，并對其放電特性數值變化情況進行分析。由于在模擬過程中，容易受到周圍環境因素的影響造成數據模擬結果存在偏差，因此本文基于修正函數對得出的模擬數據進行修正補償。設置修正補償函數的區間范圍為[t1，t3]，則修正補償函數f(t)可用如下公式表示：

公式（3）中，當修正數值t在[t1，t2]范圍內時，則按照公式（3）中上部分進行計算，若修正數值t在[t2，t3]范圍內時，則按照公式（3）中下部分進行計算。同時，在實際計算過程中，若存在t2-t1=t3-t2時，則此時修正函數當中的各個整數均相等，并且區間[t2，t3]為中心對稱。將上述公式（3）帶入到本文上述構建的數據模擬等效電路當中實現對數據模擬的修正，從而確保最終得出數據結果的準確性。

2 實驗論證分析

為進一步驗證本文上述數值模擬方法的實際應用效果，將其與傳統基于光滑因子的數值模擬方法針對同一500 kV高壓線路的單相弧接地放電特性進行數據模擬，并將得出的結果進行記錄，比較其與實際數據變化情況，以此實現對兩種模擬方法精度的檢驗，將實驗結果繪制成表1。

表1 實驗結果對比表

結合表1中數據得出，本文數值模擬方法得到的模擬結果與實際基本一致，能夠實現對高壓線路單相弧接地放電特性數據的高精度模擬。

3 結束語

本文設計一種針對500 kV高壓線路的單相弧接地放電特性數據模擬方法，并采用對比實驗證明了設計的方法真實有效。希望通過此次的研究，解決接地故障檢測困難、現場數據獲取量不足等問題。在完成對本文的研究后發現，此次研究尚未考慮到高壓線路電流角之間存在相位差，并且，在修正數值過程中，也沒有注意到不同介質存在的線性變差，因此，在后期的研究中，可將此作為研究的切入點與重點，以此種方式，進一步完善本文設計的方法。