高电压技术中气隙局部放电的仿真研究

李青青，王小鹏中国石油大学胜利学院；山东科瑞机械制造有限公司

高电压技术中气隙局部放电的仿真研究

李青青1，王小鹏2
1中国石油大学胜利学院；2山东科瑞机械制造有限公司

高电压技术是一门实践性非常强的课程，也是电气比较重要的一门专科课程，因此本文利用M A T L A B/s i m u l i n k中含有的simpowersystems工具箱，对高电压技术课程中的局部放电进行建模仿真，并且对仿真的结果进行验证。

应用技术型；Matlab软件；局部放电；电力系统过电压

一、引言

在高电压课程中，对于气体介质的放电理论，是用微观理论解释我们发现的宏观现象，因此对于学生而言是比较抽象，比较难于理解。如果在教学过程中，利用Matlab软件建立模型，对气隙局部放电进行仿真研究，可以更好地帮助学生理解和掌握介质内部气体放电的过程，并对影响放电的相关因素进行深入把握，这是使学生进一步的理解局部放电的过程的重要的途径。

二、对介质局部放电的仿模型搭建与仿真

在动态系统仿真领域中，以MATLAB平台为基础的simulink仿真语言，可谓是非常有名的仿真集成环境。目前，该仿真集成环境已广泛应用在许多领域中[1]。借助simulink模块库对高电压技术中气隙局部放电进行建模并仿真。由于利用simulink模块库可以用来构建一般的动态系统模型，本文在此基础上，结合电力系统专业模块库，来建立模型，对气隙局部放电进行仿真研究。

1、仿真电路的搭建

我们仿真采用的是单气隙绝缘试样中局部放电阻容模型为研究对象，如图1所示。我们充分考虑在实际运行过程中，可能存在的各种因素会对放电造成误差，因此在放电的模型中采用引入气隙电阻的半导电化的过程，对模型进行修正。其中R1为气隙绝缘电阻，R2为气隙沿面绝缘电阻，Rc是由R1和R2组成的。

图1 单气息局部放电模型

在单气隙内部发生局部放电时，则气隙中的电阻将被半导电化,也就是此时的电阻R1或是R2分别会变化到它们对应的半导电化电阻R1′或是R2′。

利用simulink模块库，对单气隙局部放电仿真的等效电路中的电阻、电容元件及交流电压源所对应的标准模块进行构建模型。由于在单气隙试样中发生局部放电时，需要建立模型，对气隙内部局部放电放电过程进行仿真模拟，本文综合考量了仿真过程中可能出现的放电过程。

2、仿真电路

在仿真过程中，首先假设该气隙的放电是在瞬间就能完成,那么在等效电路中，气隙此时的电阻也瞬间减为它的半导电化电阻电阻值，在仿真过程中，我们采用的开关为理想开关控制.在上述仿真电路图中，气隙两端的电压是用电压测量器进行测量的；然后通过Abs模块，对电压求绝对值；在仿真电路图中采用了信号延迟器，如果在仿真过程中，作用在气隙两端的电压值，要明显高于起始电压值时，信号延迟器输出为高电平；当作用在气隙两端的电压值小于能够使气隙放电的熄灭的电压值时，信号延迟器输出就为低电平。如果在仿真过程中，信号延迟器输出高电平时，开关就会发生闭合，由此就会输出低电平,此种情况下，连接在R2两端的理想开关就会打开。在开始放电的时候，理想开关就会闭合，相应地，R2减小到其电阻R2′。待到结束放电后，理想开关就会断开[2]。在仿真回路中，气隙回路中的电流值是由电流测量器进行测量的；由于信号显示器所对应的显示界面和我们所用的示波器十分接近，因此对于动态系统的仿真结构我们采用信号显示器进行定型的分析，另外信号显示器还可以方便的对系统模块中指定的信号进行定性的分析。在我们的仿真电路图中，对于气隙局部放电过程中所对应的交流电压源的波形、气隙两端的电压波形、以及放电脉冲触发波形等，这些波形均可在信号显示器1上进行呈现。显示器2主要是显示气隙两端的电压波形和放电中的电流波形。

3、仿真结果

在教学实践中，教师可以选择文献中一个环氧绝缘试样参数进行仿真，各元件参数具体可见文献。其结果如下图2所示。

图2 局部放电仿真结果

只要科学控制放电起始电压，并确保放电熄灭电压值在合理范围内，就可以对气隙击穿工程进行实现，并得到图2的局部放电电压波形，是一系列接近正弦波的放电脉冲。这些仿真波形与其它软件的仿真波形不一样，其它一些软件仿真结果大多是锯齿波，而本文仿真结果更接近真实放电波形。这表明，本文仿真结果更为准确。

三、结论

综上所述，在研究气隙局部放电过程中，利用simulink仿真语言建模和不同气隙击穿过程数值仿真，能够提高绝缘试样中气隙局部放电仿真精确度，并能使计算结果更接近实际放电波形。除此之外，教师在开展高电压技术课程教学时，应结合学生的具体情况，对教学难度较大的过电压实践教学进行相应的调整处理，合理应用matlab/simulink来进行教学，从而帮助学生更好地理解电力系统过电压的相关知识，促进课堂教学有效性提升。

[1]姚俊，马松辉.SIMULINK建模与仿真[M].西安∶西安电子科技人学出版社，2002.

[2]刘家会，胡汉梅，黄景光.M A T L A B/s i m u l i n k在高电压技术课程教学中的应用[J].中国电力教育，2007，（9）：53-54.