帶電斷開110千伏空載架空線電弧研究與仿真

南方電網(wǎng)昭通供電局 劉毅 范江波

1 引言

云南電網(wǎng)目前存在局部電網(wǎng)薄弱因素，特別是夏、冬季用電高峰期，部分線路用電負荷過大，不能及時停電對線路進行消缺處理，造成長時間帶病運行，對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成很大的影響[1]。為了減少停電時間和提高用電的可靠性以及保證帶電作業(yè)人員的安全，因此開展110千伏架空線路帶電作業(yè)過程的暫態(tài)研究十分必要。

2 基于PSCAD的架空線仿真分析

2.1 仿真模型建立

以110千伏架空線路為例在PSCAD中建立仿真模型圖如圖1所示。電源可簡化為理想三相電源，電壓為10.5千伏，容量為無窮大，不考慮其它的影響因素。變壓器采用Δ-Y型連接方式，變壓器二次側(cè)與110千伏架空線路相連，因此變比設(shè)為10.5/110。為了仿真分析架空線物理結(jié)構(gòu)對其空載電流的影響，另一側(cè)接數(shù)值很大的電阻，以此作為架空線空載狀態(tài)。通過仿真分析架空線路長度、塔型、高度、相間距離、導體截面積對架空線空載狀態(tài)下電流的影響。架空線在空載狀態(tài)下有電流流過是因為架空線存在對地電容，此時的電流是呈容性。

圖1 110千伏架空線仿真模型圖

2.2 結(jié)果分析

仿真電路其他參數(shù)不變，運用單一變量進行仿真分析，在架空線長度從100米增長到10千米的過程中，電容電流從1.443安培增加到3.342安培。架空線標稱截面積從95平方毫米增長到400平方毫米的過程中，電容電流從2.461安培增加到3.388安培。架空線高度從5米變化到20米的過程中，電容電流從2.601安培減小到2.137，安培。相間距離從5米變化到10米的過程中電容電流從2.501，安培減小到2.014，安培。使用直線型和三角形桿塔時對應的電容電流分別為2.461安培和2.463安培。

通過仿真計算數(shù)據(jù)可知，架空線路長度、塔型、高度、相間距離、標稱截面積對空載運行時的電容電流均有影響，架空線長度和標稱截面積的增加，其空載運行時的電容電流的也不斷增加。架空線對地高度值和相間距離越大其空載運行時的電容電流則不斷變小。而架空線塔型對線路的電容電流影響很小可以忽略不計。

3 建立電弧模型

Cassie模型是在一定的假設(shè)下建立的，著力于描述電弧性質(zhì)的電弧模型，其假設(shè)如下，該模型認為電弧的溫度不會發(fā)生變化，在通過電弧氣態(tài)介質(zhì)通道的電流發(fā)生變化的同時，氣態(tài)介質(zhì)通道的直徑也在變化，直徑的變化導致散熱的變化。

Cassie模型的數(shù)學方程如下：

式中：gc為電弧電導，Г是電弧模型定義的時間常數(shù)，EC電弧瞬態(tài)恢復電壓（TRV）表示方法中的參考電壓，E0取為TRV的峰值，E是電弧電壓。

Cassie電弧模型中并沒有考慮電弧的伸長，通過現(xiàn)場試驗用高速攝像機觀測發(fā)現(xiàn)，電弧在燃燒的過程會變長。因此設(shè)電弧長度為L(t)，電弧隨時間變化弧長震蕩增加，的表達式為：

式中：△L（t-Ti）表示弧長改變量，Ti是電弧的開始時間，h（t）是赫維賽德函數(shù)（符號函數(shù)），而△L（t-Ti）又可以表示為：

聯(lián)立式（3）和式（4）有：

采用指數(shù)函數(shù)來描述電弧長度改變的動態(tài)過程∶

式中：L0為電弧初始長度，t0為產(chǎn)生電弧時間。α和β為決定弧長改變量的參數(shù)，且

α、β的值為常數(shù)，可通過相關(guān)的實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過曲線擬合的方法計算得到。

綜上，電弧模型的表達式為：

E0(t)表示電弧初始時刻的電壓值，因此得到改進的Cassie電弧模型如下：

基于電弧數(shù)學模型，利用ATP-EMTP中的MODELS模塊和TACS模塊來搭建電弧的仿真模型[2-4]，從而可直觀呈現(xiàn)電弧的動態(tài)特性。

在ATP中，電弧模型可表示為如圖2所示的模型。

圖2 電弧模型

4 帶電斷開架空線仿真分析

4.1 架空線長度對帶電斷開引流線時電弧的影響

由于架空線型號確定其單位長度的電阻、電感、電容也確定，當長度發(fā)生改變總的電阻、電感、電容也相應發(fā)生改變。架空線空載時的電流是由于線路的對地電容產(chǎn)生，因此在帶電斷開架空線時電弧會隨著長度的變化而變化。

架空線選擇常用的LGJ-185，其電阻為0.17歐姆/千米，感抗為0.409歐姆/千米，電容為8.85×，10-6微法/米，仿真電路圖如圖3所示。

圖3 仿真電路圖

圖3 仿真電路圖中電源電壓為Us，R1、R2、L1構(gòu)成電源等效內(nèi)阻，其值為R1=400歐姆，R2=5歐，姆，Us=110/√3=63.5千伏，L1=45豪亨，R1、R2、L1構(gòu)成電源等效內(nèi)阻。架空線參數(shù)通過參數(shù)輸入設(shè)置[5]。

1）架空線長度為1千米時

當架空線選取1千米時，電弧電流仿真波形圖如圖4所示。根據(jù)傅里葉變換求得電弧電流有效值為0.17安培。

圖4 電弧電流

架空線首端電弧電壓仿真波形圖如圖5所示，根據(jù)傅里葉變換后計算求得電壓有效值為58.6千伏。

2）架空線長度為5千米時

當架空線選取5千米時，電弧電流仿真波形圖6所示。根據(jù)傅里葉變換后求得電流有效值為1.03安培。

電弧電壓仿真波形圖如圖7所示，根據(jù)傅里葉變換后求得電弧電壓有效值為61.6千伏。

圖5 架空線首端電弧電壓

圖6 電弧電流

3）架空線長度為10千米時

當架空線選取10千米時，電弧電流仿真波形如圖8所示。電弧電流有效值為1.7安培。

電弧電壓仿真波形如圖9所示，根據(jù)傅里葉變換后求得電弧電壓有效值為61.5千伏。

從圖5、圖7、圖9中波形的有效值可以看出，線路上基本沒有過電壓的產(chǎn)生，且電壓變化不大，滿足110千伏系統(tǒng)運行過電壓倍數(shù)的規(guī)定。

從圖4、圖6、圖8可以看出，架空線長度越大電弧電流的有效值也越大，并且當線路較短時電弧可以自然熄滅，當長度達到一定值時，電弧將不能自然熄滅。因此為了抑制電弧的重燃使電弧盡快熄滅，可通過減少線路電容，來抑制電容電流，從而使電弧在過零時能自熄。

4.2 架空線標稱截面積對帶電斷開引流線時電弧的影響

由于電阻和感抗均是隨著截面積的增大而減小，而對地電容卻隨截面積增大而增大，由于帶電斷開空載架空線引流線時電感和電阻對其產(chǎn)生的電弧影響很小，主要是電容的影響。因此在帶電斷開架空線時電弧會隨著架空線標稱截面積的變化而變化。

圖7 架空線首端電弧電壓

圖8 電弧電流

圖9 架空線首端電弧電壓

選取架空線選取LGJ型鋼芯鋁絞線，長度均為5千米，其他條件均相同。唯一變量為架空線的標稱截面積選取截面積為95、185、300平方毫米三種規(guī)格的架空線進行仿真[6]，得出電弧電流有效值分別為0.64、1.03、1.48安培，且基本不能熄滅。從仿真數(shù)據(jù)可以得出截面積越大，帶電斷開空載架空線路時產(chǎn)生電弧越大。

5 現(xiàn)場帶電投切實驗

試驗方法如下：

（1）通過模擬人工帶電作業(yè)分斷110千伏架空線路空載容性電流情況，采用隔離開關(guān)分閘，在固定開距情況下，以0.8米/秒速度打開隔離開關(guān)，高速攝像儀記錄斷口起弧至滅弧過程。

（2）選取不同長度和不同架空線標稱截面積等效對應的不同電容值進行仿真。最后得出實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致[7-8]。

圖10 主電路模擬圖

QF—斷路器，，TB—調(diào)壓器，TM—試驗用變壓器

TA—電流互感器，TV—電壓互感器，C—電力電容器，QS—隔離開關(guān)

圖11 帶電分斷現(xiàn)場試驗圖片

圖12 高速攝像機記錄的電弧燃燒圖片

6 結(jié)論

通過以上仿真分析和現(xiàn)場試驗得出如下結(jié)論：

（1）帶電斷開空載架空線產(chǎn)生電弧由線路的電容電流引起，因此線路越長、標稱截面積越大均會引起整個線路的電容值更加，造成電弧電流的增大，電弧更難熄滅。

（2）對110千伏線路進行帶電斷開操作時過電壓水平比較低，因此在實際操作時主要考慮電弧電流。而電弧電流與線路空載運行時的電容電流密切相關(guān)，因此可以參考穩(wěn)態(tài)時的電容電流來估算電弧電流，來選擇合適帶電操作的滅弧工具。

（3）空載架空線穩(wěn)態(tài)電容電流對架空線斷開引流線時的電弧電流影響很大，線路長度、塔型、高度、相間距離、標稱截面積等對架空線空載運行時的電容電流均有影響。架空線長度和標稱截面積的增加，其空載運行時的電容電流的也不斷增加。架空線對地高度值和相間距離越大其空載運行時的電容電流則不斷變小。因此可以通過分析線路長度、塔型、高度、相間距離、標稱截面積等來定性分析空載穩(wěn)態(tài)下架空線的電容電流。

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