一起500 kV变电站落冰引起的闪络事故原因分析

张溢戈 王栋 张世尧 陶亚光 李丰君

摘 要：本文以一起变电站系统内落冰通过母线间隔引起的闪络现象作为模型，讨论了落冰经过母线间隔时系统的静电场瞬时分布及其在数值模拟中的应用，并根据河南省某500 kV变电站设备参数，通过ANSYS Maxwell仿真得到了系统中的场强分布。计算结果表明，落冰的长度和与母线间的位置关系是影响电场分布的重要因素。该研究为变电站系统内落冰闪络原因分析提供了理论依据，具有重要意义。

关键词：变电站母线;落冰;闪络;放电机理;仿真计算

中图分类号：TM63文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）31-0134-03

Analysis of Flashover Fault Caused by Falling

Ice at 500 kV Transformer Substation

ZHANG Yige1 WANG Dong2 ZHANG Shiyao2 TAO Yaguang2 LI Fengjun2

（1. State Grid Henan Electric Zhengzhou Power Supply Company，Zhengzhou Henan 450052;2.State Grid Henan Electric Power Research Institute，Zhengzhou Henan 450052）

Abstract： In this paper， a flashover phenomenon caused by ice falling through the bus compartment in a substation system was taken as a model. The transient distribution of electrostatic field in the system and its application in numerical simulation were discussed. According to the equipment parameters of a 500 kV substation in Henan Province， the field strength distribution in the system was obtained by ANSYS Maxwell simulation. The results show that the length of falling ice and the position relationship between the ice and the bus are the important factors affecting the electric field distribution. The study of ice flashover discharge mechanism provides a theoretical basis for the flashover caused by falling ice， and it makes a great significance.

Keywords： transformer substation bus;falling ice;flashover;discharging mechanism;simulation calculation.

冰害一直是影响电力系统安全运行的重要隐患。输电线路的运行和维护面临复杂的地理条件和气候环境，冰引发的闪络等问题仍然缺乏有效的防治[1]。在低温高湿的环境中，输电线路易受冰雪灾害的影响，当温度低于0 ℃，覆冰透明且附着力极强。而覆冰导线在气温回升、自然风力作用或空气含湿量降低时会有落冰产生[2]，当落冰通过导线间隔时，会影响导线周围的电场分布，在一定条件下会在空气间隙中引发局部放电，极端情况下甚至会形成通路，产生电弧，导致闪络现象的发生，对电网的安全运行产生影响。

1 故障情况报告

2019年1月31日09：26，河南省某500 kV变电站500 kV Ⅱ母双套母线保护动作。现场检查500 kV Ⅱ母第五串懸式绝缘子A相均压环西侧、B相均压环东侧有明显放电痕迹，绝缘子无异常，站内其他设备无异常。跳闸时变电站内无操作和检修工作。核查变电站500 kV Ⅱ母有关一次、二次设备历史报告，未发现异常，且均符合周期要求。变电站一次系统接线如图1所示。

1月30日大雪造成横跨湛500 kV Ⅱ母的跨条（湛白线C相站内跳线）覆冰。1月31日，温度上升较快，导致长条状覆冰整块脱落，跳闸现场如图2所示。跳闸母线A、B相下方周围有明显覆冰。根据检查结果，并结合天气、站内覆冰落冰情况可得出，可能是覆冰下落至A、B相相间引起短路，母线保护正确动作跳闸。

2 验证方法

本文侧重于工程实际，以上述工况为试验依据，通过仿真计算模拟冰条下落通过母线间隔时电场的分布情况，以此对冰条引起闪络的机理进行探究。仿真过程中，通过对横截面进行分析的方式简化分析过程，其中母线的横截面可等效为一个圆形，落冰经过母线间隔如图3所示。

3 仿真参数设置

仿真软件为ANSYS Maxwell，通过2D建模仿真，母线设置为铝材料[3]，外径为20 cm，两导线间距为6.5 m，距离地面15.75 m。母线上方的架空导线为镁铝合金绞线，冰覆在导线周围，可视为圆环体形状。在仿真过程中，为使仿真结果更具有一般性，将落冰等效为圆柱体冰条，等效过程如图4所示[4]。此时冰条的纵截面为横在两导线间的圆角矩形，通过调整冰条长度和冰条位置来模拟冰条下落过程的不同工况。

仿真参数设置如表1所示。

4 仿真结果

分别对以下场景进行仿真分析，通过模拟冰条与母线处于不同相对位置时的电场分布，来判断冰条下落过程中发生闪络的概率。

如图5所示，母线间不存在冰条时，仿真计算可得区域中最大场强约为9.2 kV/cm，远未达到空气的击穿场强30 kV/cm，此时区域中没有放电现象发生。

冰在下落的过程中，和母线中心点的间距是变化的，从冰条在母线上方40 cm时开始模拟冰条下落过程，冰条与母线中心距离和最大场强的关系如图6所示。由图可知，冰条在从母线上方下落到母线中间的过程中，区域中最大场强逐渐上升，在冰条落到母线正中间时达到最大值。

因冰条落在母线中间时，区域出现最大场强，故本段研究冰条在母线正中间时，区域中的场强分布与冰条长度的关系。调整冰条与母线距离后，区域中的场强分布如图7所示。

由图7可知，冰条与两导线都不接触时，区域中最大电场强度随着冰条长度的增大而增大。在冰条与母线间距为18 cm左右时，即冰条约为5.94 m时，区域中最大的电场强度超过空气的击穿场强，此时冰条端部有局部放电发生;在冰条与母线间距为10 cm左右，即冰条约为6.1 m时，冰条与母线的间隔区域超过空气的击穿场强，此时冰条与母线间存在通路，发生闪络的概率极大。

当冰條一端与母线接触时，改变冰条长度，得到冰条与另一端母线距离和最大场强的关系如图8所示。

在此种情况下，区域中最大电场强度随着冰条长度的增大而增大。在冰条与另一母线间距达到62 cm，即冰条达到5.68 m时，区域中最大的电场强度出现在冰条端部，超过空气的击穿场强，此时区域中有局部放电发生;在冰条与另一母线间距为30 cm，即冰条长度为6 m时，冰条与另一母线的间隔区域超过空气的击穿场强，此时两母线间存在通路，发生闪络的概率极大。

5 结论

本文以一起变电站内落冰通过母线间隔引起的闪络事故作为模型，讨论了落冰经过母线间隔时系统的静电场瞬时分布及其在数值模拟中的应用，并根据该500 kV变电站设备参数，通过仿真计算得到了系统中的场强分布与冰条长度和位置的关系。

①当冰条下落到两母线正中间时，系统的峰值场强达到最大值，冰条在这个位置引发闪络的概率最大。

②整个落冰与母线的系统内部电场强度最大值出现在冰条的表面端部，此处发生空气击穿的概率相对较大。

③通过对落冰的不同长度和与母线间的不同位置关系模拟计算后发现：当冰条足够长时，下落通过母线间隔时在某些位置条件下系统内最大场强超过空气的击穿场强，此时系统中会有空气击穿发生，结合具体的温湿度和环境情况，有引起闪络的可能性。

④当冰条进一步加长时，冰条与母线之间形成击穿空气的通路，此时闪络发生的概率极大。

⑤当落冰与某一导线接触时，系统中最大场强急剧增大，引起闪络的可能性进一步增强。

参考文献：

[1]毕茂强，蒋兴良，巢亚锋，等.自然覆冰与衬垫的粘附特性及影响因素[J].高电压技术，2011（4）：1050-1056.

[2]苑吉河，蒋兴良，易辉，等.输电线路导线覆冰的国内外研究现状[J].高电压技术，2004（1）：6-9.

[3]弋东方.电力工程电气设计手册电器一次部分[M].北京：中国电力出版社，1989.

[4]邓禹，贾志东，江灏，等.不同形貌冰棱的融化过程及其对覆冰闪络特性的影响[J].高电压技术，2015（2）：669-679.