绝缘子调爬后变电站配电设备过电压计算

邹进，卢兰静

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

绝缘子调爬后变电站配电设备过电压计算

邹进，卢兰静

(广西大学电气工程学院，广西 南宁 530004)

污闪事故的频繁发生导致各地供电公司都进行大规模的绝缘子调爬工程，绝缘子调爬后雷击闪络电压升高，入侵变电站的过电压幅值和陡度都有很大变化。本文通过对比不同绝缘子的闪络机理，研究了一种基于先导法原理的ATP-EMTP闪络模型，验证了模型在判据绝缘子闪络的可行性。应用绝缘子的先导闪络模型，通过ATP-EMTP仿真，计算了线路绝缘子调爬后变电站配电设备的过电压幅值。研究结果表明，基于先导法的绝缘子闪络原理能更好的解释绝缘子闪络的物理过程，当绝缘子片数增加到一定值时，如果绝缘子发生闪络，入侵到变电站的雷电波将产生较大过电压，使得设备的绝缘配合不满足要求，危及设备的安全运行。

污闪；绝缘子调爬；先导法；过电压

1 引言

电力工业对国民经济的发展起着非常重要的支撑作用，而供电可靠性又是衡量电力企业优质服务的重要指标。我国的能源分布有着明显的地域差别，远距离大容量输电成为国家能源调配的主要趋势，使得输电电压等级不断提高，又加上经济发展造成的环境污染，绝缘子表面的积污速率明显加快。两方面的原因使得污闪引起的跳闸事件居高不下，严重降低了供电可靠性。为了降低污闪事故的发生频率，电力企业进行了大规模的绝缘子调爬工程。绝缘子调爬后闪络电压提高，当雷击造成绝缘子闪络时雷电波是否会对设备造成损害是亟待解决的问题。

2 基于先导法的绝缘闪络ATP-EMTP模型

计算闪络时侵入变电站的雷电过电压值，首先须确定绝缘子的闪络电压，现阶段的绝缘子闪络电压判断方法主要有规程法、相交法、电压积分法及先导法。规程法通过计算绝缘子两端的电压值，如果绝缘子两端承受的冲击电压幅值大于绝缘子50%放电电压则判据绝缘子闪络，规程法判断绝缘子闪络过程清晰，但是没有考虑雷电波波形，也没有考虑杆塔上不同部位绝缘子的电位差，相交法是通过比较雷电流波形是否与绝缘子伏秒特性相交，来判据绝缘子是否闪络，在使用相交法判据绝缘子闪络时，绝缘子的伏秒特性是同过标准雷电冲击波测定的，而实际绝缘子两端的电压远非标准波，因此用此判断方法与实际绝缘子闪络过程有一定出入，电压积分法考虑了电压随时间的累积效应，但是其方法本身的物理意义不明确使用有较大的局限性。相比而言先导模型法比上述方法能更好的描述绝缘子闪络过程。

根据国网科学院研究院的研究结果表明绝缘子空气击穿的闪络过程可以等效为棒-棒空气间隙放电，国外实验室的研究结果也表明无绝缘子的空气间隙放电与绝缘子50%击穿电压基本一致，所以绝缘子的闪络机理的可以等效为棒-棒长间隙的放电机理。如图1所示。

图1 绝缘子放电模型

棒-棒长间隙放电的主要理论是电子崩-流注-先导理论，当棒-棒空气间隙间的电压逐渐升高时，间隙开始出现零星的放电现象，此阶段的放电过程主要是因为空气间隙间离子的游离碰撞引起的电子崩，随着间隙间电压继续升高，电子崩头部集聚足够的能量，此时其周围由光电子引起新的电子崩，这时空气间隙间的放电发生了质的改变，由光电子引起的二次电子崩头部汇聚在一起，放电转为自持放电阶段，流注产生。流注发展一定程度后整个间隙间的离子已经非常复杂，此时单纯的用光电子激发二次电子崩的理论已经不能很好的描述长间隙放电的特性，这时科学通过长期的实验研究，提出了先导通道原理解释长间隙的放电现象，并给出了先导发展的速度公式，理论认为当先导发展到一定长度时，先导会发生跃变，此时间隙被击穿。

根据上述原理判断基于先导法的绝缘子闪络原理主要包括，判断流注是否起始，判断连续先导是否起始，判断间隙电压是否满足先导维持的条件，最后计算先导发展长度，判断先导是否达到最终跃变阶段。

根据Raether-Meek判据流注起始：

假定长间隙气体放电由碰撞游离发展到电子崩阶段后，电子崩的头部为球体，此阶段由所有的电子都集中在电子崩的头部。当电子崩发展的长度超过临界长度后流注产生，最后导致空气间隙击穿。

电子崩临界长度的计算公式：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Er为电子崩头部电场强度，kV/cm；E为间隙电场强度，kV/cm；α为空气的电离常；r为电子崩头部球体的半径；D为电子的扩散系数，t是空气间隙中的电子漂移到电子崩头部球形区域的时间；Vd为电子的漂移速度ke为电子的迁移速率。

由雷特-米克判据流注的起始阶段的场强与实验得到的流注起始的场强值如表1所示。

表1

由表1可知，用雷特-米克判据的流注起始值与实验室结果有较好的一致性，判断流注开始，空气间隙间的流注放电开始后，随着电压的继续增加，此时流注会逐渐转化为先导，放电阶段也转化为先导放电阶段。连续先导的起始放电电压判据方法为：

(7)

式中：h为接地点电极的高度，d是空气隙间隙之间的距离，又因为长间隙放电的h>>d，所以上式可改写为：

(8)

先导形成后，将会以速度v向前发展，由于先导的形成机理及发展过程十分复杂，因此先导的速度公式都是通过实验结果拟合而来，根据CIGRE推荐的先导的速率公式为：

(9)

式中：u(t)是长间隙间的电压，kV；d是空气间隙之间的距离，m；x为先导发展的长度，m；E0为先导发展的最小场强，v是先导发展的速率。

随着先导的发展，空气间隙逐渐缩小，此时间隙间的电压u(t)可用下式计算：

u(t)=U-Ezx

由此上述公式可变为：

(10)

式中Ez为先导通道的电场强，kV/m。

当先导发展的长度到达间隙长度时，判据间隙击穿，此时绝缘发生闪络。基于先导法的ATP-EMTP模型如图2所示。

图2 基于先导法的闪络模型

根据武高所实验结果拟合的25片XP-160绝缘子的伏秒特性曲线表达式为：

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

(11)

根据上述拟合曲线，与先导法判据的特性曲线对比如图3所示。

由图3可知，两者之间有很好的一致性，用先导法判据的绝缘子闪络模型与实际相符。

图3 绝缘子伏秒特性

3 绝缘子调爬后入侵变电站过电压计算

某220kV变电站采用单母分段接线，根据彼得逊等值波规则可知，当只有一回出线时入侵变电站的雷电波幅值最大，所以考虑极端情况，线路一回出线运行。

雷电流为标准雷电波，幅值120kA，波头时间为4×10-6s，半波时间5×10-5s，雷击点考虑为进线段以内的杆塔遭受雷击，进线段内有1#-5#杆塔，配电装置等效模型根据雷电冲击波下的模型等效为入口电容。其取值为表2所示。

表2

当绝缘子调爬后，雷击杆塔造成反击过电压时，调爬的结果相当于绝缘子上下电极之间空气间隙距离增大，由闪络的先导模型，并根据实测的绝缘子上下电极之间的距离即可计算绝缘子调爬后入侵变电站的过电压值，通过ATP-EMTP软件仿真，当220kV绝缘子串的片数由13片提高到14片时，进线侧避雷器、变压器侧避雷器上最大冲击电流I1、I2，最大过电压U1、U2；进线侧断路器、变压器侧断路器上的最大过电压U3、U4以及变压器上的最大过电压U5如表3所示。

当220kV绝缘子串的片数由14片提高到15片时，进线侧避雷器、变压器侧避雷器上最大冲击电流I1、I2，最大过电压U1、U2；进线侧断路器、变压器侧断路器上的最大过电压U3、U4以及变压器上的最大过电压U5如表4所示。

表3

表4

4 结论

由表3、表4可知，当绝缘子调爬后入侵到变电站的雷电波幅值明显增加，越靠近变电站的杆塔遭受雷击时，入侵到变电站中的过电压值越大，表中绝缘子调爬后#1和#2号杆塔遭受雷击，避雷器的上的最大过电流幅值可能超过其标称放电电流且设备上的最大过电压与设备的最大耐受冲击电压值可能不满足绝缘配合的要求。

[1] 陈维贤.电网过电压教程[M].中国电力出版社，1995.

[2] 王剑，刘亚新，陈家宏,等.基于电网雷害分布的输电线路防雷配置方法[J].高电压技术，2008，34(10)：2065-2069.

[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

邹进(1987-)，男，硕士研究生研究方向：高电压绝缘技术； 卢兰静(1988-)，女，硕士研究生研究方向：高电压与绝缘技术。