绝缘子串电弧放电计算机仿真

李 林，马 杰，孙安国，王邦惠，鲍忠伟，王玥婷，王安宁，李乃永

（1.山东电力集团公司 烟台供电公司，山东 烟台 264001；2.山东电力集团公司 调度中心，山东 济南 250001）

污秽绝缘子串在运行电压下发生电弧放电危害线路安全运行，故而绝缘子串电弧放电一直是研究热点.文献［1－3］在实验室中对一片绝缘子或少数几片连成的串进行了试验，而实际高压架空线路绝缘子串由十几片到几十片绝缘子组成，运行电压比实验电压大得多，且实验回路中往往包含附加电阻、电容等装置，这些装置使实验放电回路与实际放电回路差异较大；文献［4］也提到实验室空气与户外差异较大，绝缘子周围电磁环境与实际有很大不同.文献［5－6］在ATPDraw仿真环境中构建了单片绝缘子电弧放电仿真模型，但由于其对模型参数的设置不尽合理，其仿真结果与实际电弧放电现象不符.

本文对110kV架空线路中应用非常广泛的盘形悬式瓷绝缘子串的电弧放电进行研究，在ATPDraw中建立了污秽绝缘子串电弧放电仿真模型.该模型的结构和参数设置与实际更加接近，仿真结果也验证了这一点.本文采用研究污秽绝缘子电弧放电的普遍假设，即一片绝缘子表面只出现一条电弧，积污和受潮均匀.污秽层电导率在电弧的发展过程中变化很小，可视为恒定［7］.由实验结果［1］可知，从干带电弧产生到其开始延伸经过2s左右，在几个工频周期内，不考虑电弧长度延伸和剩余污秽层长度缩短.

1 污秽绝缘子串仿真模型

1.1 单个污秽绝缘子的仿真模型

本文在ATPDraw中构建了表面污秽无电弧、表面有局部电弧和表面闪络的单片绝缘子模型，如图1所示.

图1 各种状态的单片绝缘子仿真模型

图1（a）为表面污秽但无电弧绝缘子，R和C为绝缘子本体电阻和本体电容，Rp为表面污秽层电阻.

图1（b）为轻污秽电弧放电绝缘子，Rp为剩余污秽层电阻，Cd为干带电容，非线性电阻元件Rd为电弧电阻，压控开关元件控制电弧的熄灭与重燃.

图1（c）所示为轻污秽闪络绝缘子，Cs为表面电容，Rf为闪络电弧电阻.

图1（d）为重污秽电弧放电的绝缘子，与（b）、（c）相比，Rp阻值减小，由Rd实现电弧一旦燃起就不再熄灭的现象.

图1（e）为重污秽闪络绝缘子.

1.2 污秽绝缘子串电弧放电仿真模型

由于绝缘子金具对杆塔和线路电容CE和CL的存在，造成串中各部位电压分布不均，最靠线路几个绝缘子出现电弧概率最大，其次是靠杆塔的，中间位置出现电弧概率较小.

110kV线路绝缘子串电弧放电仿真模型如图2所示.图中（a）为轻污秽放电模型，电弧的周期性燃起与熄灭动态特性由非线性电阻与压控开关元件的串联支路实现，（b）为重污秽模型，非线性电阻实现电弧燃起后不再熄灭的现象.

模型中线路A相线路某处污秽绝缘子串运行电压下产生电弧.最靠线路1号绝缘子发生闪络；2、3、6和7号绝缘子只有局部电弧；中间位置4和5号绝缘子无电弧.

图2 ATPDraw仿真模型

2 仿真参数设置

2.1 电弧参数设置

电弧具有非线性伏安特性，总体趋势为电流小，电阻大；电流大，电阻小.本文采用电弧仿真建模普遍方法确定电弧电阻，即假设原则上合理的伏安特性曲线形状，然后反复尝试电压、电流数值并修改伏安特性，直至得到与实际较为相符的结果.本文确定的伏安特性曲线［8］如图3所示，该曲线在一、三象限基本对称.

图3 电弧电阻伏安特性

ATPDraw中提供的非线性电阻可以设置是否启用内置间隙.启用间隙，满足电弧燃起条件时，间隙被电弧短接，这时该电阻单独可实现电弧燃起后不熄灭断开的功能；也可不用该间隙，这时要与压控开关串联才可实现电弧周期性燃起与熄灭.

污秽层电导率为19μs时可以认为为轻污秽，电弧有熄灭与重燃现象:1号绝缘子闪络，闪络电压有效值大致为26kV［9］，压控开关V－fl参数设置为37000V；6号绝缘子干带最短，V－fl设置为7000V；7号绝缘子干带最长，V－fl设置为31000V；2号绝缘子V－fl设置为19000V；3号绝缘子V－fl设置为12000V.所有压控开关的Imar参数均设置为0.1A，电流低于该值，电弧均熄灭.

污秽层电导率为30μs时认为为重污秽，电弧燃起后不再熄灭:1号绝缘子闪络，闪络电压有效值大致为22kV［10］，非线性电阻V－fl参数设置为31000 V；6号绝缘子干带最短，V－fl设置为6000V；7号绝缘子干带最长，V－fl设置为21000V；2号绝缘子V－fl设置为16000V；3号绝缘子V－fl设置为10000V.

2.2 污秽层电阻计算

绝缘子等效盘径Deq、泄露距离L和形状系数F的关系［11］如公式（1）所示:

单位长度污秽层电阻rp、等效盘径Deq和污秽层电导率σs的关系［11］如公式（2）所示:

普通盘形悬式瓷绝缘子泄露距离为305mm，形状系数0.7［11］.依据污秽层电导率与盐密 的关系［10］，重污秽时污秽层电导率约为30μs，单位长度污秽层电阻约为764Ω／cm；轻污秽时电导率约为19μs，单位长度污秽层电阻约为1200Ω／cm.

3 仿真结果与分析

轻污秽电弧放电时在各片绝缘子上测得对地电压波形如图3所示.

图3 轻污秽电弧放电时各片绝缘子对地电压

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绝缘子上，其他绝缘子对地电压突增.随后其他绝缘子出现电弧时也有类似现象.

轻污秽电弧放电时泄露电流波形如图4所示.

图4 绝缘子串电弧放电泄露电流

波形中每一个电流突增表示电弧的燃起，电流过零点附近，电弧熄灭，泄露电流突降为零，起弧电流大于熄弧电流，且各个周期波形并不完全相同，这些都与试验所得波形十分相近.

重污秽时在各片绝缘子上对地电压波形如图5所示.同样有类似图3中的现象.

泄露电流波形如图6所示.泄露电流幅值较轻污秽时有明显增大.

电流波形在过零点附近无间断，由于电弧电阻的非线性特性，过零点附近波形不是纯正弦.该波形与试验所得波形极其相近.

图5 重污秽电弧放电时各片绝缘子对地电压

图6 重污秽绝缘子串电弧放电泄露电流

4 结束语

根据电弧电流实验数据确定电弧电阻的伏安曲线和污秽层电阻的阻值；通过研究绝缘子串不同位置多条电弧在燃起时的先后关系和熄灭条件，设定压控开关和非线性电阻的功能参数.仿真结果显示，本文所构建模型能仿真较为准确的仿真绝缘子串的电弧放电现象，泄漏电流波形能反映电弧电阻的非线性以及电弧燃起和熄灭现象，串中各个绝缘子对地电压不同时的突变说明各条电弧发展变化时的相互影响.

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