谐波导致复合绝缘子不明闪络机理研究

初金良， 朱利锋， 高 磊， 姜文东， 许文涛， 刘文伟， 赵九辉， 李盛涛， 张 健

(1. 国网浙江省电力有限公司丽水供电公司，浙江 丽水 323000；2.国网浙江省电力有限公司，杭州 310005；3.西安交通大学电气工程学院，西安 710049；4.杭州自动化技术研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

复合绝缘子质量轻，机械强度高，与传统的瓷质绝缘子和玻璃绝缘子相比具有更优异的表面憎水性，因而具有较强的耐污闪性能，在电力系统中得到了广泛应用[1-4]。运行经验表明，复合绝缘子的研究和应用，极大程度地减少了污闪事故的发生，目前已成为我国解决外绝缘污闪问题的有效手段之一[5-8]。但随着挂网数量和运行年限的增加，复合绝缘子闪络事故也日益增加，其中不明原因闪络占有相当大的比重[9]。不明闪络是指无法归因于雷击过电压或操作过电压、污闪或冰闪、鸟害(鸟啄导致损坏和鸟粪堆积)等常见原因的闪络类型。研究不明闪络发生的原因和机理，对于输电线路运行维护和提高电力系统可靠性具有重要意义。

不明闪络事故具有瞬间发生后立即消失的特点，不易捕捉，且闪络后通常能够自动重合闸成功，摘回的绝缘子进行闪络电压试验，基本都能符合要求[10]，故对于不明闪络事故的原因分析难度较大。目前的研究主要将不明闪络归结于以下两个原因：1)复合绝缘子在不同温度、不同污秽类型和程度的条件下，憎水性发生改变，加上运行年限的增加，憎水性暂时性或永久性丧失导致其耐污闪能力下降[11-14]。一些学者提出了复合绝缘子憎水性的识别方法，以此作为复合绝缘子耐污闪性能的评价指标[15-18]。2)以鸟粪为代表的异物导致绝缘子附近的电场发生改变，已有许多学者通过试验证明鸟粪在绝缘子串附近落下形成放电通道是诱发闪络的重要原因[19-20]。也有学者提出，实际情况可能是低温、湿污环境下复合绝缘子憎水性降低或消失，同时受到鸟粪等异物的影响，二者共同作用导致闪络的发生[21]。

上述两个原因无法解释所有不明闪络事故。本文认为电力系统中的谐波也是不明闪络发生的原因之一，现开展以下工作进行研究：

1)理论分析，根据绝缘子串的等值电路，找出流过绝缘子的电流大小的影响因素，提出谐波引发不明闪络的理论依据。

2)案例分析，针对特定输电线路中的不明闪络事故案例，通过寻找谐波源、分析故障电流录波图及其频谱图，指出谐波引发不明闪络的可能性。

3)在此基础上进一步定量分析，通过实际测量和仿真计算的方法，证明谐波与不明闪络之间的关联性。

1 流经绝缘子电流的影响因素

绝缘子的等值电路如图1所示，其中R0为绝缘子的等值电阻，C0为绝缘子的等值电容。常见的污秽闪络事故通常是由于绝缘子表面污秽、覆冰等因素导致表面电阻大幅减小，进而使泄漏电流剧增引发沿面闪络。

图1 单片绝缘子等值电路Fig.1 Equivalent circuit of single insulator

根据每一片绝缘子的等值电路和实际线路中绝缘子的连接方式，绝缘子串可等效为图2所示的电路[22-25]。其中，i为绝缘子编号，一串绝缘子串上共有n片绝缘子。R0,i为第i片绝缘子的等值电阻，C0,i为第i片绝缘子自身的等值电容，C1,i为第i片绝缘子与杆塔间的杂散电容，C2,i为第i片绝缘子与高压导线间的杂散电容。

图2 绝缘子串等值电路Fig.2 Equivalent circuit of insulator string

根据工程实际经验，干燥洁净的绝缘子绝缘电阻可达2 400 MΩ，随着污秽程度和环境湿度的增加会有所减小，直至小于一定值时判定为劣化绝缘子；自身电容一般为40～70 pF，且随环境条件变化不大；杂散电容远小于绝缘子的自身电容[26]，通常忽略不计。在认为每一片绝缘子电阻和电容相同的前提下，绝缘子串等值阻抗为

(1)

当施加在绝缘子串端部的电压为时，流过绝缘子串的电流为

(2)

由式(2)可知，当绝缘子未发生严重劣化而导致电阻R0显著减小时，电阻支路几乎不具有导电作用，泄漏电流处于安全区域；在工频额定电压下，电容支路同样几乎无法导电，但随着端电压的增大和频率的提高，即式(2)中U和ω增大，电容支路的导电作用越来越显著，电流逐渐增大。因此初步判断，如果电力系统中的谐波引发高频谐振过电压作用于绝缘子串端部，那么将有可能使绝缘子串上的电流增大甚至超标，导致保护动作。

2 复合绝缘子不明闪络事故案例

2.1 案例介绍

浙江丽水供电公司丽岩线所处电力网络如图3所示。

图3 丽岩线电力网络结构图Fig.3 Power network structure of Liyan line

该线路多次发生绝缘子不明闪络事故，记录如下：

1)2018年12月21日10时12分6秒，丽水变丽岩1058线零序过流I段保护动作，纵联距离保护动作，开关跳闸，重合成功，故障相别为A相，保护测距5 km，故障录波器测距8.4 km。现场一、二次设备检查均无异常，天气晴。

2)2019年5月4日10时02分52秒，丽水变丽岩1058线纵联距离、纵联零序、零序过流I段保护动作，开关跳闸，重合不成功，故障相别为C相，保护测距8.4 km，故障录波器测距8.804 km。现场一、二次设备检查均无异常，天气晴。当日17时20分试送成功。

3)2019年8月23日14时34分01秒，丽水变丽岩1058线纵联距离、零序方向保护动作，开关跳闸，重合成功，故障相别为C相，保护测距9 km，故障录波器测距9.419 km。现场一、二次设备检查均无异常，天气上午晴，下午晴转多云。

2.2 案例分析

现对上述事故案例(3)进行分析。故障录波器于14点33分50秒开始记录的故障前约10 s内故障相的电压、电流波形如图4所示。对电流进行频谱分析，得到各频次谐波分量的频谱图如图5所示(记录时间：2019年8月23日14点33分50秒)。

分析电流波形及频谱图可知，电流存在较多的高次谐波分量。由图3电力网络及相关调研工作发现，距故障点直线距离约10 km处，存在220 kV丽水高铁牵引变电站，其中存在换流与变频等环节，是谐波产生的主要原因之一[27-28]。

根据前文对流经绝缘子的电流大小影响因素的分析，这些谐波电流若在线路中引起高频谐振过电压，则可能导致绝缘子上的电流增大，使得保护动作。10次谐波及其邻近频次谐波分量幅值较高，分布相对集中，猜测其与绝缘子闪络事故可能存在关联。

3 谐波电流引发的谐振过电压对流经绝缘子电流的影响

3.1 谐振频率计算

对图3中的电力网络进行等值变换，将各元件参数归算至故障点所在的110 kV电压等级，得到分布参数等值电路如图6所示。其中，XT1、YT1为车载变压器的等值阻抗和导纳，XT2、YT2为牵引变压器的等值阻抗和导纳，XL1、YL1为枫铁2R31线的等值阻抗和导纳，XL2、YL2为丽枫2Q68线的等值阻抗和导纳，XT3、YT3为丽水变压器的等值阻抗和导纳，XL3、YL3为丽岩1058线的等值阻抗和导纳。

图6 电力网络等值电路Fig.6 Equivalent circuit ofpower network

在变压器中，流过励磁支路的电流很小可忽略不计；三条输电线均为短距离传输线，其对地电容可忽略不计。因此，为了简化计算，其余各导纳支路均忽略不计，仅考虑丽岩1058线的对地电容，将其等效至远离谐波源一侧的集中电容C。最终电路可简化为六个元件的电感与丽岩1058线电容的串联电路。

车载变压器容量ST1=9MVA，短路电压百分比UT1%=21.4%；牵引变压器(两台并联)容量ST2=25 MVA，短路电压百分比UT2%=8%，两台并联；丽水变压器容量ST3=180 MVA，短路电压百分比UT3%=5%。由此求出各变压器电感量。

(3)

(4)

(5)

线路阻抗x=0.432 Ω/km，三段线路长度分别为4.8 km、2.9 km和10.35 km，由此求出各线路电感量。

(6)

(7)

(8)

串联后的电感之和为L=1.066 4 H。线路对地电容为0.008 9 μF/km，则丽岩1058线对地电容C=0.092 1 μF。据此求得串联谐振频率为

(9)

计算结果表明，10次谐波电流对应的频率为谐振频率，会在线路中引起谐振，产生谐振过电压。结合图5中显示的故障相电流10次谐波幅值最大，进一步增强了谐波与本次事故之间的关联性。

3.2 绝缘子电流测量

110 kV丽岩1058线处于热备用状态时，工频负荷电流应为零，此时测得故障相的电流即可认为是流经绝缘子的电流。9、10、11次谐波对应的电流有效值测量结果如下：

表1 谐波频次对应的流经绝缘子的电流有效值Table 1 The effective value of current flowing through the insulator corresponding to the harmonic frequency

因此，9～11次谐波共同作用下的流经绝缘子的电流有效值为

(10)

根据相关资料和经验，绝缘子闪络发生过程的不同阶段与绝缘子上电流大小的关系如表2所示[29-30]。对比计算结果与表2中数据，在9～11次谐波电流的作用下，电流已经超过危险区进入了闪络范围，因此必然会使保护装置动作。

表2 闪络发展阶段与绝缘子上电流有效值对应关系Table 2 Corresponding relationship between flashover development stage and effective current value on insulator

3.3 谐振过电压仿真

为了验证测量结果的准确性，本文还对谐振过电压进行了仿真。根据图6等值电路，使用PSCAD软件，在t=0.5 s时刻对网络注入9～11次谐波电流，绝缘子串端部承受的电压波形如图7所示。

图7 绝缘子端部谐振过电压仿真波形Fig.7 Insulator end resonant overvoltage simulation waveform

由仿真波形可知，绝缘子串端部确实产生了谐振过电压。过电压幅值约为750 kV，有效值约为530 kV，带入式(2)中，计算得到此电压作用下流过一串绝缘子串的电流有效值为9.515 mA(绝缘子片数n取7，单片绝缘子电容C0取40 pF，电阻R0取2 200 MΩ)。全线路共有60串绝缘子串，流经绝缘子的电流总和为570.9 mA。由仿真计算所得电流值与前述测量计算结果在误差允许范围内一致。

4 结论

通过理论分析和实例计算研究了谐波与复合绝缘子不明闪络之间的关联性，主要得出以下结论：

1)绝缘子的不明闪络，除了现有研究中的憎水性改变和鸟粪等异物干扰，电力系统中的谐波也是一个重要原因。实际上绝缘子并未真正发生闪络，而是电力电子设备等谐波源向线路中输入高频谐波电流，引起谐振过电压，导致流经绝缘子的电流过大，保护动作。

2)浙江丽水供电公司丽岩线于2019年8月23日14时34分01秒发生的跳闸事故，经研究是由10次谐波电流及其邻近频次谐波电流在线路中引起谐振过电压，在高电压幅值和高频率两个因素的共同作用下使得流经绝缘子的电流超过安全范围。

3)为减少事故的发生，应加强对输电线路产生高次谐波的电力电子设备等环节的监管，并对谐波环境下的绝缘子等绝缘设备采取更加可靠的绝缘设计方案，以保障电力系统供电的可靠性。