基于EMTP仿真的330 kV绝缘子串电压分布

李　峰, 张　潇, 谢方明, 许纯恺, 王大成

(1.上海电力学院, 上海　200090; 2.上海市南电力(集团)有限公司, 上海　200233;

3.国网上海市电力公司青浦供电公司, 上海　201799)



基于EMTP仿真的330 kV绝缘子串电压分布

李峰1, 张潇1, 谢方明2, 许纯恺3, 王大成3

(1.上海电力学院, 上海200090; 2.上海市南电力(集团)有限公司, 上海200233;

3.国网上海市电力公司青浦供电公司, 上海201799)

摘要:运用EMTP软件,通过电压分布法对劣化绝缘子、零值绝缘子和不同绝缘子片数的绝缘子串进行仿真,分别得出不同状态下绝缘子串的电压分布特征.结果表明,绝缘子串的前3片出现故障时,整个绝缘子串的电压分布的不均匀程度最大;绝缘子串的绝缘子片数越多,其电压分布越不均匀.

关键词：劣化绝缘子; 零值绝缘子; 电压分布

绝缘子在架空输电线路中具有极其重要的作用,其出现任何状况都将直接影响到电力系统的安全运行.在实际工程中,绝缘子串的电压分布呈马鞍形,这也导致线路侧的绝缘子承受电压相对较高,进而容易劣化、闪络,甚至是击穿,无法发挥其应有的作用.[1-2]等效爬电距离变小、局部场强增大、表面场强过大是造成绝缘子局部放电的主要原因,当局部场强大于周围空气的击穿场强时,绝缘子电场集中的部位将会产生电晕、劣化、闪络,发生间隙放电而引起跳闸事故,严重影响着输电线路的安全运行.目前,国内对绝缘子串电压分布的仿真,主要有电网络法、[3]有限元法[4-7]等.

本文通过EMTP软件对330 kV绝缘子串的各种情况进行了仿真,包括良好绝缘子串、劣化绝缘子串、零值绝缘子串,以及不同数量的绝缘子串,并将仿真结果与实测结果进行对比和分析.

1计算模型

在实际的工程运行中,由于绝缘子的金属部分与铁塔和导线之间存在杂散电容,使得整个绝缘子串的电压分布不均匀.其中,对地电容CEn起分流作用,它能减小流过绝缘子片的电流值;对导线电容CLn起汇流作用,它能增大流过绝缘子片的电流值.

本文利用EMTP仿真软件搭建如图1所示的绝缘子串模型及其等效计算模型.[3]

本文仿真选取Cn，CEn，CLn的值均为固定值.一般情况下,电容值Cn>CEn>CLn,由于绝缘子片的电容值Cn较大,则CEn和CLn的影响相对较

小,同时CEn对绝缘子片承受电压的影响要比CLn大.基于EMTP仿真软件搭建21片绝缘子的330 kV绝缘子串电压分布仿真模型如图2所示.

图1　绝缘子串及其等效模型

图2　绝缘子串电压分布仿真模型

2正常绝缘子串电压分布

由于CEn对绝缘子片承受电压的影响比CLn要大，绝缘子串中靠近导线的绝缘子电压降最大，绝缘子离导线越远，其所承受的电压降越小；当靠近铁塔的横担时，CLn的汇流作用比CEn要大，绝缘子串末端的电压又会有所升高.因此，整个绝缘子串电压近似呈“U”型分布.[2]

由图3可以看出,仿真数据和实测数据都呈“U”型分布.引入反映绝缘子串电压分布不均匀程度的不均匀系数β:[10]

(1)

式中:Umax,Umin——绝缘子串中单片绝缘子所承受的最高电压和最低电压.

图3　　330 kV正常绝缘子串电压分布仿真与实测结果

仿真所得的不均匀系数β仿真=2.37,实测所得的不均匀系数β实测=3.09.其中,实测数据中的第14片和第21片绝缘子所承受的电压与仿真结果相差较大.

由仿真结果可知,第21片绝缘子的承受电压偏差最大,为1.661 kV,其次为第14片绝缘子,电压偏差为1.566 kV.在实际输电线路的运行中,由于天气情况、污秽分布情况、绝缘子性能、杂散电容等因素的影响,使第10片至第16片绝缘子的等效电容值偏大,其承受电压的能力有所降低,而第18片至第21片绝缘子的等效电容值偏小.因此,仿真结果与实测结果存在一定程度上的偏差.由上述讨论可知,本文所得到的仿真结果对实际生产与运行都具有一定的参考价值.

3不正常绝缘子串电压分布

3.1　有一片绝缘子劣化的绝缘子串电压分布

正常绝缘子由于出现瓷柱裂纹或断裂、瓷盘脱落或裂纹、表面烧伤等情况,成为劣化绝缘子.劣化绝缘子会导致绝缘子断串、导线落地等事故,严重危害电力系统的安全.

依次在绝缘子两侧并联一个50 MΩ的电阻,即得到各片劣化绝缘子，其电压分布仿真结果如图4所示.

图4　　330 kV劣化绝缘子串电压分仿真结果

由图4可以看出,当绝缘子劣化后,整个绝缘子串的电压分布更加不均匀.由仿真数据可知,当前3片绝缘子分别劣化后,除劣化绝缘子外,前10片绝缘子所承受的电压分别提高了4.116%，3.768%，3.429%.特别是当第2片绝缘子劣化后,第1片绝缘子两侧的电压上升幅度最大,为0.83 kV,上升幅度为5%,这会增大第1片绝缘子发生闪络、加速劣化、击穿，甚至是自爆的概率.而第10片之后的绝缘子发生劣化,对于整个绝缘子串的电压分布几乎没有影响.第10片绝缘子劣化后,整个绝缘子串的电压分布平均提高了1.465%;第21片绝缘子劣化后,整个绝缘子串的电压分布平均提高了1.352%.

3.2　有一片零值绝缘子的绝缘子串电压分布

根据DL/T 596—1996《电力设备预防性试验规程》中的要求,每片悬式绝缘子的绝缘电阻不应低于300 MΩ,500 kV悬式绝缘子不低于500 MΩ.若低于上述水平,一般就认为是低值或零值绝缘子.

依次在绝缘子两侧并联一个大小50 Ω的电阻,即可得到各片零值绝缘子，其电压分布仿真结果如图5所示.

图5　　330 kV零值绝缘子串电压分布

由图5可以看出,在出现零值绝缘子后,整个绝缘子串的电压分布变得更加不均匀.由仿真数据可以得出,当前3片绝缘子分别被击穿后,除零值绝缘子外,前10片绝缘子的承受电压分别提高了7.006%，6.409%，5.822%.特别是当第2片绝缘子被击穿后,第1片绝缘子两侧的电压上升最大,为1.43 kV,上升幅度为9%,这也增加了第1片绝缘子发生故障的概率,威胁着电力系统的安全.

由劣化绝缘子和零值绝缘子的仿真结果可知,当第2片绝缘子发生故障时,第一片绝缘子所承受的电压增幅最大,使电力系统存在一定的安全隐患.因此,在绝缘子的生产过程中,应重视第2片绝缘子的产品质量,以增强电力系统运行的可靠性.

当绝缘子串中的某一片绝缘子发生故障后,故障绝缘子所承受的电压有明显降低,其余各片绝缘子所承受电压有不同程度的升高.根据这种特征,通过短路叉法、火花间隙法、小球放电法、红外热像仪法等方法,[11]可以快速确定故障绝缘子片.

4不同绝缘子片数的绝缘子串电压分布

在工程中,悬垂绝缘子串通常选取19片绝缘子;而耐张绝缘子串由于其承受的机械应力比悬垂绝缘子串大,出现零值绝缘子的概率比悬垂绝缘子串高且检修困难,其绝缘子串片数应比悬垂绝缘子串多一片或两片.为了比较和分析330 kV电压等级下,不同绝缘子片数的绝缘子串的电压分布,分别选取绝缘子片数为19片、20片、21片、22片的绝缘子串进行仿真计算,其电压分布结果如图6所示.

图6　不同长度的绝缘子串电压分布

上述4种长度的绝缘子串的电压最值及不均匀系数如表1所示.

由表1可知,随着绝缘子片数的增多,绝缘子串电压分布的不均匀系数β由2.103增大到2.509.

表1　不同长度绝缘子串的电压最值及不均匀系数

由于存在杂散电容和对地电容,使得绝缘子片数越多,其电压分布越不均匀.因此,对于330 kV电压等级的绝缘字串,为了避免电压分布不均匀或发生绝缘闪络，一般应选取19片或20片绝缘子.

5结论

(1)本文所设计的绝缘子串仿真模型,适用于分析绝缘子串的电压分布.

(2)在第2片至第21片绝缘子中,故障绝缘子越靠近导线,绝缘子串的电压分布越不均匀.因此,提高第2片绝缘子的质量,可以有效增强电力系统的运行可靠性.

(3)工程中应避免使用过长的绝缘子串,否则会导致电压分布不均匀,更容易发生绝缘闪络现象.

参考文献：

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[6]沈鼎申,张孝军,万启发,等.750 kV线路绝缘子串电压分布的有限元计算[J].电网技术,2003,27(12):54-57.

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[9]毛凤麟,王雪松.变电站绝缘子串电压分布实测结果及分析[J].西北电力技术,1999(5):9-12.

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[11]卢明,姚德贵,张国民,等.劣化绝缘子检测方法的对比分析[J].电瓷避雷器,2006(5):9-13.

(编辑白林雪)

EMTP-based Distributed Simulation of 330 kV Voltage Insulator Strings

LI Feng1, ZHANG Xiao1, XIE Fangming2, XU Chunkai3, WANG Dacheng3

(1.ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China;

2.ShanghaiShinanElectricPower(Group)Co.,Ltd.,Shanghai200233,China;

3.QingpuPowerSupplyCompanyofShanghaiElectricPowerofStateGrid,Shanghai201799,China)

Abstract:Through the voltage distribution method,the voltage distribution characteristics under different states of insulator strings are obtained.The result shows that,when the first three pieces of insulator string become deteriorated or zero,the uneven degree of insulator string voltage distribution is maximized.In addition,the more insulator pieces there are in an insulation string,the more uneven the voltage distribution is.

Key words:deterioration insulator; zero insulator; voltage distribution

中图分类号：TM216;TM854

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2015)06-0525-04

基金项目：上海电力学院人才引进基金(k2011-011).

通讯作者简介：李峰(1978-)，男，博士，讲师，吉林图们人.主要研究方向为电力系统接地，气体放电，电介质材料.E-mail:lifeng@shiep.edu.cn.

收稿日期：2014-09-24

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2015.06.005