带电断开110千伏空载架空线电弧研究与仿真

南方电网昭通供电局 刘毅 范江波

1 引言

云南电网目前存在局部电网薄弱因素，特别是夏、冬季用电高峰期，部分线路用电负荷过大，不能及时停电对线路进行消缺处理，造成长时间带病运行，对电网安全稳定运行造成很大的影响[1]。为了减少停电时间和提高用电的可靠性以及保证带电作业人员的安全，因此开展110千伏架空线路带电作业过程的暂态研究十分必要。

2 基于PSCAD的架空线仿真分析

2.1 仿真模型建立

以110千伏架空线路为例在PSCAD中建立仿真模型图如图1所示。电源可简化为理想三相电源，电压为10.5千伏，容量为无穷大，不考虑其它的影响因素。变压器采用Δ-Y型连接方式，变压器二次侧与110千伏架空线路相连，因此变比设为10.5/110。为了仿真分析架空线物理结构对其空载电流的影响，另一侧接数值很大的电阻，以此作为架空线空载状态。通过仿真分析架空线路长度、塔型、高度、相间距离、导体截面积对架空线空载状态下电流的影响。架空线在空载状态下有电流流过是因为架空线存在对地电容，此时的电流是呈容性。

图1 110千伏架空线仿真模型图

2.2 结果分析

仿真电路其他参数不变，运用单一变量进行仿真分析，在架空线长度从100米增长到10千米的过程中，电容电流从1.443安培增加到3.342安培。架空线标称截面积从95平方毫米增长到400平方毫米的过程中，电容电流从2.461安培增加到3.388安培。架空线高度从5米变化到20米的过程中，电容电流从2.601安培减小到2.137，安培。相间距离从5米变化到10米的过程中电容电流从2.501，安培减小到2.014，安培。使用直线型和三角形杆塔时对应的电容电流分别为2.461安培和2.463安培。

通过仿真计算数据可知，架空线路长度、塔型、高度、相间距离、标称截面积对空载运行时的电容电流均有影响，架空线长度和标称截面积的增加，其空载运行时的电容电流的也不断增加。架空线对地高度值和相间距离越大其空载运行时的电容电流则不断变小。而架空线塔型对线路的电容电流影响很小可以忽略不计。

3 建立电弧模型

Cassie模型是在一定的假设下建立的，着力于描述电弧性质的电弧模型，其假设如下，该模型认为电弧的温度不会发生变化，在通过电弧气态介质通道的电流发生变化的同时，气态介质通道的直径也在变化，直径的变化导致散热的变化。

Cassie模型的数学方程如下：

式中：gc为电弧电导，Г是电弧模型定义的时间常数，EC电弧瞬态恢复电压（TRV）表示方法中的参考电压，E0取为TRV的峰值，E是电弧电压。

Cassie电弧模型中并没有考虑电弧的伸长，通过现场试验用高速摄像机观测发现，电弧在燃烧的过程会变长。因此设电弧长度为L(t)，电弧随时间变化弧长震荡增加，的表达式为：

式中：△L（t-Ti）表示弧长改变量，Ti是电弧的开始时间，h（t）是赫维赛德函数（符号函数），而△L（t-Ti）又可以表示为：

联立式（3）和式（4）有：

采用指数函数来描述电弧长度改变的动态过程∶

式中：L0为电弧初始长度，t0为产生电弧时间。α和β为决定弧长改变量的参数，且

α、β的值为常数，可通过相关的实验数据的基础上通过曲线拟合的方法计算得到。

综上，电弧模型的表达式为：

E0(t)表示电弧初始时刻的电压值，因此得到改进的Cassie电弧模型如下：

基于电弧数学模型，利用ATP-EMTP中的MODELS模块和TACS模块来搭建电弧的仿真模型[2-4]，从而可直观呈现电弧的动态特性。

在ATP中，电弧模型可表示为如图2所示的模型。

图2 电弧模型

4 带电断开架空线仿真分析

4.1 架空线长度对带电断开引流线时电弧的影响

由于架空线型号确定其单位长度的电阻、电感、电容也确定，当长度发生改变总的电阻、电感、电容也相应发生改变。架空线空载时的电流是由于线路的对地电容产生，因此在带电断开架空线时电弧会随着长度的变化而变化。

架空线选择常用的LGJ-185，其电阻为0.17欧姆/千米，感抗为0.409欧姆/千米，电容为8.85×，10-6微法/米，仿真电路图如图3所示。

图3 仿真电路图

图3 仿真电路图中电源电压为Us，R1、R2、L1构成电源等效内阻，其值为R1=400欧姆，R2=5欧，姆，Us=110/√3=63.5千伏，L1=45豪亨，R1、R2、L1构成电源等效内阻。架空线参数通过参数输入设置[5]。

1）架空线长度为1千米时

当架空线选取1千米时，电弧电流仿真波形图如图4所示。根据傅里叶变换求得电弧电流有效值为0.17安培。

图4 电弧电流

架空线首端电弧电压仿真波形图如图5所示，根据傅里叶变换后计算求得电压有效值为58.6千伏。

2）架空线长度为5千米时

当架空线选取5千米时，电弧电流仿真波形图6所示。根据傅里叶变换后求得电流有效值为1.03安培。

电弧电压仿真波形图如图7所示，根据傅里叶变换后求得电弧电压有效值为61.6千伏。

图5 架空线首端电弧电压

图6 电弧电流

3）架空线长度为10千米时

当架空线选取10千米时，电弧电流仿真波形如图8所示。电弧电流有效值为1.7安培。

电弧电压仿真波形如图9所示，根据傅里叶变换后求得电弧电压有效值为61.5千伏。

从图5、图7、图9中波形的有效值可以看出，线路上基本没有过电压的产生，且电压变化不大，满足110千伏系统运行过电压倍数的规定。

从图4、图6、图8可以看出，架空线长度越大电弧电流的有效值也越大，并且当线路较短时电弧可以自然熄灭，当长度达到一定值时，电弧将不能自然熄灭。因此为了抑制电弧的重燃使电弧尽快熄灭，可通过减少线路电容，来抑制电容电流，从而使电弧在过零时能自熄。

4.2 架空线标称截面积对带电断开引流线时电弧的影响

由于电阻和感抗均是随着截面积的增大而减小，而对地电容却随截面积增大而增大，由于带电断开空载架空线引流线时电感和电阻对其产生的电弧影响很小，主要是电容的影响。因此在带电断开架空线时电弧会随着架空线标称截面积的变化而变化。

图7 架空线首端电弧电压

图8 电弧电流

图9 架空线首端电弧电压

选取架空线选取LGJ型钢芯铝绞线，长度均为5千米，其他条件均相同。唯一变量为架空线的标称截面积选取截面积为95、185、300平方毫米三种规格的架空线进行仿真[6]，得出电弧电流有效值分别为0.64、1.03、1.48安培，且基本不能熄灭。从仿真数据可以得出截面积越大，带电断开空载架空线路时产生电弧越大。

5 现场带电投切实验

试验方法如下：

（1）通过模拟人工带电作业分断110千伏架空线路空载容性电流情况，采用隔离开关分闸，在固定开距情况下，以0.8米/秒速度打开隔离开关，高速摄像仪记录断口起弧至灭弧过程。

（2）选取不同长度和不同架空线标称截面积等效对应的不同电容值进行仿真。最后得出实验结果与仿真结果基本一致[7-8]。

图10 主电路模拟图

QF—断路器，，TB—调压器，TM—试验用变压器

TA—电流互感器，TV—电压互感器，C—电力电容器，QS—隔离开关

图11 带电分断现场试验图片

图12 高速摄像机记录的电弧燃烧图片

6 结论

通过以上仿真分析和现场试验得出如下结论：

（1）带电断开空载架空线产生电弧由线路的电容电流引起，因此线路越长、标称截面积越大均会引起整个线路的电容值更加，造成电弧电流的增大，电弧更难熄灭。

（2）对110千伏线路进行带电断开操作时过电压水平比较低，因此在实际操作时主要考虑电弧电流。而电弧电流与线路空载运行时的电容电流密切相关，因此可以参考稳态时的电容电流来估算电弧电流，来选择合适带电操作的灭弧工具。

（3）空载架空线稳态电容电流对架空线断开引流线时的电弧电流影响很大，线路长度、塔型、高度、相间距离、标称截面积等对架空线空载运行时的电容电流均有影响。架空线长度和标称截面积的增加，其空载运行时的电容电流的也不断增加。架空线对地高度值和相间距离越大其空载运行时的电容电流则不断变小。因此可以通过分析线路长度、塔型、高度、相间距离、标称截面积等来定性分析空载稳态下架空线的电容电流。

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