有局部电弧污秽绝缘子串仿真模型

马 禾,陈 平,李书领,孙学茜,马永明

(1.山东理工大学电气与电子工程学院,山东 淄博 255091;2.微山县供电公司,山东 济宁 277600)

在F.Obenaus模型基础上,许多学者研究了更加接近实际的数学模型.文献[1]分析了交流污闪的数学模型;文献[2]将剩余污秽层电阻表示为绝缘子形状系数、污秽层电导率等的函数;文献[3]用绝缘子各个部位的半径和泄露距离等尺寸参数等效各种形状绝缘子表面;文献[4]提出不同材料绝缘子模型.文献[5-7]对单个绝缘子或少数几个联成串进行试验,而实际高压架空线路绝缘子串由少则接近十个,多则三十余个绝缘子组成;试验电压与实际运行电压差异较大;文献[8]提到试验室环境与户外大气环境差异大,绝缘子周围空间布局差异也较大.此外,不同试验室之间试验条件的差异也使同一现象的试验数据有很大差异.

文献[9-10]提出了基于ATPDraw的仿真模型,仿真单个绝缘子分别处于清洁,污秽但无局部电弧,污秽且有局部电弧时泄露电流.

以高压架空线路中最常见的普通盘形悬式瓷绝缘子串为研究对象,提出有局部电弧污秽绝缘子串仿真模型,该模型的结构和参数更加接近文献[8,11-12]描述的绝缘子串实际运行情况.该模型体现了污秽绝缘子串不同位置电弧的暂态变化,对泄露电流高速采样可获取电弧燃起与熄灭时暂态行波量.

1 污秽绝缘子串局部电弧机理

污闪经历四个发展阶段:绝缘子积污、污层受潮、干带形成和局部电弧产生、局部电弧发展直至闪络.

干带的出现阻断电流路径,其上分担绝缘子压降绝大部分,该电压随干带加宽逐渐增大,最终导致干带表面的空气被击穿.若回路阻抗较小,则干带表面产生电弧.如图1所示.

图1 污闪物理模型

绝缘子压降u与电弧压降ua、剩余污秽层压降up、电弧电流ia、电弧电阻ra和剩余污秽层电阻Rp之间关系为

污秽绝缘子串中各个绝缘子产生电弧时间上有参差,程度上有强弱,同一时刻各个绝缘子状态相互影响和叠加,十分复杂.

2 污秽电弧绝缘子串等效模型

2.1 污秽放电绝缘子等效电路

若污秽绝缘子表面没有电弧,则等效模型如图2所示.

图2 无电弧单个污秽绝缘子等效模型

图2中R是本体电阻,C是本体电容,Rp是表面污秽层电阻.

若表面有局部电弧,则等效模型如图3所示.

图3中Rp表示剩余污秽层电阻,Cd表示干带电容,Rd表示干带电弧电阻,S控制电弧燃起和熄灭.

图3 有局部电弧单个污秽绝缘子等效模型

若污秽绝缘子表面闪络则等效模型如图4所示.

图4 单个污秽绝缘子闪络等效模型

图4中Cd是整个表面电容;Rd是闪络电弧电阻.S闭合,表示闪络;当电弧电流下降到无法维持电弧所需的能量时,电弧熄灭,S断开.

确定电弧伏安特性和估算污秽层电阻是准确建立模型的关键.

2.2 电弧电阻伏安特性

电弧状态具有高度的复杂性和随机性,其伏安特性表现出非线性特征,总体趋势为电流小,电阻大;电流大,电阻反而小.电弧伏安特性曲线如图5所示.

图5 电弧电阻伏安特性

2.3 污秽层电阻估算

等效盘径、泄露距离和形状系数的关系[2]:

式中Deq为等效盘径,单位取mm;L为泄露距离,单位取mm;F为形状系数,无量纲.

根据污秽层电导率的大小,可将污秽分为重污秽和轻污秽.单位长度污秽层电阻、等效盘径和污秽层电导率的关系[2]:

式中rp为单位长度污秽层电阻,单位取MΨ/cm;Deq单位取cm;σs为污秽层电导,单位取μ S.

3 局部电弧绝缘子串仿真模型

3.1 仿真模型

CL为单个绝缘子对线路杂散电容,CE为对铁塔杂散电容.有局部电弧绝缘子串仿真模型如图6所示.模型中线路电压为110kV,A相线路某处污秽绝缘子串运行电压下产生局部电弧.图中标号1～7为绝缘子编号.对各个绝缘子状态设置如下:1号绝缘子发生闪络.2、3、6和7号绝缘子没有闪络但有局部电弧.4和5号绝缘子无电弧.

3.2 仿真参数

1)电弧伏安特性 文献[9]根据试验数据给出了电弧伏安特性.非线性电阻元件(Type 92)伏安特性参数设置见表1.

2)压控开关 轻污秽时电弧会熄灭与重燃,由于电弧的状态具有高度随机性,因此,压控开关的闭合电压、闭合延续时间和断开电流参数可在原理允许范围内任意设置.污秽层电导率为19μ S时,普通盘形悬式瓷绝缘子XP-160型闪络电压有效值大致为26kV[13].

图6 A TPDraw仿真模型

对各个压控开关作如下设置:1号绝缘子闪络电压设置为37000V.根据闪络电压与泄露距离的近似正比关系,6、3、2和7号绝缘子干带击穿电压依次升高.所有压控开关的开断电流均设置为0.1A.

重污秽时,电弧在电压峰值或将要到达峰值时燃起,之后电弧电流过零不会熄灭.

3)污秽层电阻 普通盘形悬式瓷绝缘子XP-160型的泄露距离305mm,形状系数0.7[2].依据污秽层电导率与盐密的关系[14],若重污秽时盐密为0.22mg/cm2,污秽层电导率为30μ S,单位长度污秽层电阻为764Ψ/cm;轻污秽时盐密为0.11mg/cm2,电导率为19μ S,单位长度污秽层电阻为1200Ψ/cm.

与压控开关闭合电压设置相吻合,6、3、2和7号绝缘子剩余污秽层长度依次减小.

3.3 仿真结果及分析

轻污秽时在各个绝缘子上测得对地电压波形如图7所示.v1a是图7中点1处电压探针测得电压,v2～v7分别为点2～7的电压.

图7 轻污秽时各个绝缘子上对地电压波形

仿真结果表明,6号绝缘子最先出现电弧,该绝缘子干带压降分担到其他各个绝缘子上,其他绝缘子对地电压发生突增.

采样频率为1MHz时,泄露电流波形如图8所示.

图8 轻污秽时绝缘子串电流波形

所有干带未全被短路时,某处电弧燃起瞬间,该干带电容放电,电流小幅突增,但这时其他干带阻断了电流回路,因此该电流随即消失,至最后一环干带被短接,回路电阻突降,先前被短接干带的电压全加于最后一环干带上,该干带电容储存电荷最多,电弧燃起瞬间电流大幅突增,电容放电结束后电流由回路电压和电阻确定.

电流过零点附近,电弧熄灭,电流波形截断,起弧电流大于熄弧电流,且各个周期波形并不完全相同,这些都与实际波形十分接近.

重污秽时在各个绝缘子上测得对地电压波形如图9所示.

图9 重污秽时各个绝缘子上对地电压波形

起弧前,4和5号绝缘子无干带,压降很小,v4、v5和v6基本重合.1、2、3、6和7号绝缘子上有干带,几乎分担所有压降.起弧后,1号绝缘子闪络,其上压降最小;2、3、6和7号绝缘子有局部电弧,压降也明显减小;相反,4和5号绝缘子压降有明显升高.

电流波形如图10所示.

图10 重污秽时绝缘子串电流波形

电流波形在过零点附近无间断,由于电弧的非线性波形不是纯正弦,尤其在过零点附近随电压增加电流变化不明显.该波形与试验所得波形极其相近.

4 结束语

本文所提出仿真模型以架空线路绝缘子串实际运行情况为依据,仿真结果说明该模型较为准确地给出轻、重污秽下的电流波形,在高采样频率下体现出暂态行波量,并且各个绝缘子上的对地电压波形能够反映串中绝缘子相互影响的特点.

由于电弧状态有很强的随机性,污秽层电阻也会随电弧和环境变化而变化,因此,虽然有些变化从概率看有规律,但难以通过建模仿真将这些现象精确地表现出来.如何使仿真更加精确和逼近真实情况有待于进一步研究.

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