带电断接35kV空载线路时的暂态过程研究

广东电网有限责任公司电力科学研究院 谢龙光 王 磊 陈永祥

中国电力科学研究院武汉分院电网环境保护国家重点实验室 唐 盼

带电断、接引线是10kV 配电网带电作业量的主要作业项目，35kV 线路上所供用户数量较少，但由于其输送容量较大、送电距离长，如停电进行断接空载线路会对用户造成较大影响，因此带电断接空载线路仍是35kV 线路带电作业中一个重要项目。空载线路三相导线之间和导线对地都存在电容，在断、接空载线路瞬间会有电容电流出现在断口处，此时产生的电弧可能对作业人员产生严重伤害[1-3]。

断接引线的过程与开关开断过程相似，国内外学者已开展过相关研究。王彧等利用ATP-EMPT建立了电弧模型,通过仿真试验全面深入地分析了带电断接各电压等级空载线路时拉弧速度和拉弧距离对电弧强度的影响。李香龙等通过对带取能PT线路的空载电流进行理论计算和对接有PT 的线路进行带电断接引流线现场实际试验,结果表明10kV架空线路相间并入PT 对直接开展带电断接引流线更加有益[4-5]。宋冬冬等为阐明电弧电流转移的过程、机理和影响因素,确定不同半导体器件转移电弧电流的差异,针对机电混合式有载分接开关测试平台进行了试验研究。但上述研究成果并未涉及35kV 线路带电作业工况。

本文利用ATP-EMPT 建立带电断接空载线路模型，分析了暂态电流电压的特性，在高压实验室分别采用不同的速率搭接电容器，研究了搭接速度对搭接过程的影响，测量其稳态和暂态过程，分析了带电断接35kV 空载线路的工艺要求，为带电断接空载线路作业项目的安全开展提供了理论支撑。

1 带电断接35kV 空载线路仿真分析

1.1 空载线路等值模型

不带负载的高电压输电线路的投入运行和退出在原理上与电容器的投切相同，因为不带负载的输电线路主要是电容性质，可以等效为一个集中电容器。此外由于法兰第升压效应而发生一个小的电压突变，高电压输电线路还存在行波传输时间，在线路较长的情况下需要采用分布元件而不用集中元件来表示。对于长度小于200km 的线路可以采用集中电容器来等效，配电线路一般都比较短，在数千米到数十千米之间，因而可采用集中参数来进行模拟。在ATP 仿真软件中建立了相应的仿真模型。

1.2 仿真计算

1.2.1 搭接空载线路的暂态特性仿真

合闸角对暂态过电压的影响。带电搭接空载线路时，一般在线路接近带电体的距离足够小的情况下，间隙在电源电压接近峰值时发生预击穿，因为预击穿发生可能性最大的相角区间为[60°，90°]（电压过零后为起点），我们对搭接在电源侧电压为峰值时发生预击穿时的过电压特性进行了仿真计算，在电源电压为峰值时发生预击穿或合闸会产生约1.45pu，显然在相角为30°及以下时合闸不会产生明显的过电压，但实际上，人工带电搭接空载线路时，工频电压下间隙的工频耐受距离约5cm，若搭接速度为0.2m/s，间隙处于预击穿过程的时间为0.25s，约12.5个工频周期，显然在搭接期间会发生预击穿，如果大气条件良好，作业人员不抖动的条件下电弧会比较稳定，不会形成多次重击穿过程。作业人员的搭接速度为1m/s，对应也有2.5个周波，发生在峰值时发生预击穿的机率减小。

搭接空载线路的长度对暂态过电压的影响。空载线路的长度与线路的等效电容成正比，因而搭接的空载线路越长对应的电容及电容电流越大、电磁暂态能量也越大，因而电磁暂态过程也明显，分别对不容量的空载线路等效电容搭接过程的暂态过电压进行了计算，线路长度变化时过电压幅值没有明显变化[6]。

搭接速度对电弧重燃特性及过电压的影响。搭接的模拟线路的电容为0.064μF，研究间隙的电弧重燃特性对合闸过电压的影响，此处仿真最严重情况即发生重燃时电源电压与电容电压都处于峰值且反向。当重燃电压为20kV 时产生的过电压为56.17kV，当重燃电压为60kV、接近于负电压峰值时发生重击穿，对应的过电压为104.02kV，所以从以上分析可看出，重击穿发生时，间隙两端的电压越高产生的过电压越高，显然间隙上承受的电压和间隙的距离相关。显然在搭接过程中搭接的速度对减小过电压具有以下作用：搭接速度一方面减小了间隙重燃的时间；搭接速度可有效减小断口间隙和重冲击发生的重击穿电压。

1.2.2 断开空载线路的暂态特性仿真

分闸对暂态过电压的影响。采用隔离刀闸或人工分断空载线路的过程中，电弧一般在电流过零时熄灭，线路被分断，若线路在电压为极性峰值时发生分断，线路上将保持负极性的残压，端口电压随着电源电压在分断后的10ms 达到最大值，此时将发生一次重击穿。显然人工开断空载线路过程中，由于分断速度慢将发生多次重击穿。

空载线路的长度对分闸过电压的影响。空载线路的长度与线路的等效电容成正比，因而分断的空载线路越长对应的电容及电容电流越大、电磁暂态能量也越大，因而电磁暂态过程也明显，分别对不容量的电容搭接过程的暂态过电压进行了计算，随着搭接空载线路的电容的增加，产生的过电压幅值没有明显变化，即过电压大小与空载线路长度无关[7]。

2 模拟试验

2.1 试验布置

本次试验是在高压实验室内，采用空气间隙直接消弧的带电断接空载线路模拟试验。分别采用不同的速率搭接电容器以研究搭接速度对搭接过程的影响，测量其稳态和暂态过程：试验电源采用900kV/600kVA 调压器升至U0=20kV，电源引至高压电极上；试验分别采用0.01μF、0.1μF、0.2μF三组电容器模拟空载线路；试验人员采用绝缘操作杆操控模拟电容高压端的引线，进行开断及接入模拟架空导线试验，试验过程记录示波器的电压和电流波形。

2.2 试验结果

断、接试验过程可以听到断接处的绝缘杆金属端与高压电极之间充放电产生的电弧电流（火花放电）声音，且肉眼可观察到火花放电。

在同样的布置条件下，在加压20kV、电容为0.01μF 时对应的稳态电容电流为0.07A，对应的拉弧距离在1～3cm 之间，电弧较短，断接过程熄灭速度较快。当电容0.2μF 时拉弧距离最大为50cm，已经接近35kV 带电作业安全距离，此时需注意带电搭接与解开空载线路的过程中要注意拉弧对线路相间和相地绝缘的影响。当两电极有效接触时电弧熄灭；在搭接过程中若出现抖动则会出现明显拉弧，因而在带电搭接空载线路过程中应在稳定和可靠搭接的基础，适当提高断接速度，可以避免搭接过程的电弧重燃[8-9]。

带电断接35kV 空载线路中，如果未采用消弧装置，较大的电弧可能会对人员伤害或设备故障。因此推荐当空载线路的稳态电容电流小于0.1A 时，可以采用绝缘杆直接断接空载线路引流线，若稳态电容电流大于0.1A，则作业人员应当使用消弧绳等消弧工具进行断接。

综上，本文通过模拟仿真计算和分析，得出以下结论：搭接空载线路时，搭接速度可以有效减小间隙重燃时间和重击穿电压，随着搭接空载线路的电容的增加，产生的过电压幅值没有明显变化；断开空载线路时，由于人工分断速度慢，将发生多次重击穿；推荐当空载线路的稳态电容电流小于0.1A时，可以采用绝缘杆直接断接空载线路引流线，若稳态电容电流大于0.1A，则作业人员应当使用消弧绳等消弧工具进行断接。