諧波導(dǎo)致復(fù)合絕緣子不明閃絡(luò)機(jī)理研究

初金良， 朱利鋒， 高 磊， 姜文東， 許文濤， 劉文偉， 趙九輝， 李盛濤， 張 健

(1. 國網(wǎng)浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323000；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310005；3.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049；4.杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院有限公司，杭州 310030)

0 引言

復(fù)合絕緣子質(zhì)量輕，機(jī)械強(qiáng)度高，與傳統(tǒng)的瓷質(zhì)絕緣子和玻璃絕緣子相比具有更優(yōu)異的表面憎水性，因而具有較強(qiáng)的耐污閃性能，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，復(fù)合絕緣子的研究和應(yīng)用，極大程度地減少了污閃事故的發(fā)生，目前已成為我國解決外絕緣污閃問題的有效手段之一[5-8]。但隨著掛網(wǎng)數(shù)量和運(yùn)行年限的增加，復(fù)合絕緣子閃絡(luò)事故也日益增加，其中不明原因閃絡(luò)占有相當(dāng)大的比重[9]。不明閃絡(luò)是指無法歸因于雷擊過電壓或操作過電壓、污閃或冰閃、鳥害(鳥啄導(dǎo)致?lián)p壞和鳥糞堆積)等常見原因的閃絡(luò)類型。研究不明閃絡(luò)發(fā)生的原因和機(jī)理，對(duì)于輸電線路運(yùn)行維護(hù)和提高電力系統(tǒng)可靠性具有重要意義。

不明閃絡(luò)事故具有瞬間發(fā)生后立即消失的特點(diǎn)，不易捕捉，且閃絡(luò)后通常能夠自動(dòng)重合閘成功，摘回的絕緣子進(jìn)行閃絡(luò)電壓試驗(yàn)，基本都能符合要求[10]，故對(duì)于不明閃絡(luò)事故的原因分析難度較大。目前的研究主要將不明閃絡(luò)歸結(jié)于以下兩個(gè)原因：1)復(fù)合絕緣子在不同溫度、不同污穢類型和程度的條件下，憎水性發(fā)生改變，加上運(yùn)行年限的增加，憎水性暫時(shí)性或永久性喪失導(dǎo)致其耐污閃能力下降[11-14]。一些學(xué)者提出了復(fù)合絕緣子憎水性的識(shí)別方法，以此作為復(fù)合絕緣子耐污閃性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[15-18]。2)以鳥糞為代表的異物導(dǎo)致絕緣子附近的電場發(fā)生改變，已有許多學(xué)者通過試驗(yàn)證明鳥糞在絕緣子串附近落下形成放電通道是誘發(fā)閃絡(luò)的重要原因[19-20]。也有學(xué)者提出，實(shí)際情況可能是低溫、濕污環(huán)境下復(fù)合絕緣子憎水性降低或消失，同時(shí)受到鳥糞等異物的影響，二者共同作用導(dǎo)致閃絡(luò)的發(fā)生[21]。

上述兩個(gè)原因無法解釋所有不明閃絡(luò)事故。本文認(rèn)為電力系統(tǒng)中的諧波也是不明閃絡(luò)發(fā)生的原因之一，現(xiàn)開展以下工作進(jìn)行研究：

1)理論分析，根據(jù)絕緣子串的等值電路，找出流過絕緣子的電流大小的影響因素，提出諧波引發(fā)不明閃絡(luò)的理論依據(jù)。

2)案例分析，針對(duì)特定輸電線路中的不明閃絡(luò)事故案例，通過尋找諧波源、分析故障電流錄波圖及其頻譜圖，指出諧波引發(fā)不明閃絡(luò)的可能性。

3)在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步定量分析，通過實(shí)際測量和仿真計(jì)算的方法，證明諧波與不明閃絡(luò)之間的關(guān)聯(lián)性。

1 流經(jīng)絕緣子電流的影響因素

絕緣子的等值電路如圖1所示，其中R0為絕緣子的等值電阻，C0為絕緣子的等值電容。常見的污穢閃絡(luò)事故通常是由于絕緣子表面污穢、覆冰等因素導(dǎo)致表面電阻大幅減小，進(jìn)而使泄漏電流劇增引發(fā)沿面閃絡(luò)。

圖1 單片絕緣子等值電路Fig.1 Equivalent circuit of single insulator

根據(jù)每一片絕緣子的等值電路和實(shí)際線路中絕緣子的連接方式，絕緣子串可等效為圖2所示的電路[22-25]。其中，i為絕緣子編號(hào)，一串絕緣子串上共有n片絕緣子。R0,i為第i片絕緣子的等值電阻，C0,i為第i片絕緣子自身的等值電容，C1,i為第i片絕緣子與桿塔間的雜散電容，C2,i為第i片絕緣子與高壓導(dǎo)線間的雜散電容。

圖2 絕緣子串等值電路Fig.2 Equivalent circuit of insulator string

根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，干燥潔凈的絕緣子絕緣電阻可達(dá)2 400 MΩ，隨著污穢程度和環(huán)境濕度的增加會(huì)有所減小，直至小于一定值時(shí)判定為劣化絕緣子；自身電容一般為40～70 pF，且隨環(huán)境條件變化不大；雜散電容遠(yuǎn)小于絕緣子的自身電容[26]，通常忽略不計(jì)。在認(rèn)為每一片絕緣子電阻和電容相同的前提下，絕緣子串等值阻抗為

(1)

當(dāng)施加在絕緣子串端部的電壓為時(shí)，流過絕緣子串的電流為

(2)

由式(2)可知，當(dāng)絕緣子未發(fā)生嚴(yán)重劣化而導(dǎo)致電阻R0顯著減小時(shí)，電阻支路幾乎不具有導(dǎo)電作用，泄漏電流處于安全區(qū)域；在工頻額定電壓下，電容支路同樣幾乎無法導(dǎo)電，但隨著端電壓的增大和頻率的提高，即式(2)中U和ω增大，電容支路的導(dǎo)電作用越來越顯著，電流逐漸增大。因此初步判斷，如果電力系統(tǒng)中的諧波引發(fā)高頻諧振過電壓作用于絕緣子串端部，那么將有可能使絕緣子串上的電流增大甚至超標(biāo)，導(dǎo)致保護(hù)動(dòng)作。

2 復(fù)合絕緣子不明閃絡(luò)事故案例

2.1 案例介紹

浙江麗水供電公司麗巖線所處電力網(wǎng)絡(luò)如圖3所示。

圖3 麗巖線電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Power network structure of Liyan line

該線路多次發(fā)生絕緣子不明閃絡(luò)事故，記錄如下：

1)2018年12月21日10時(shí)12分6秒，麗水變麗巖1058線零序過流I段保護(hù)動(dòng)作，縱聯(lián)距離保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳閘，重合成功，故障相別為A相，保護(hù)測距5 km，故障錄波器測距8.4 km?，F(xiàn)場一、二次設(shè)備檢查均無異常，天氣晴。

2)2019年5月4日10時(shí)02分52秒，麗水變麗巖1058線縱聯(lián)距離、縱聯(lián)零序、零序過流I段保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳閘，重合不成功，故障相別為C相，保護(hù)測距8.4 km，故障錄波器測距8.804 km?，F(xiàn)場一、二次設(shè)備檢查均無異常，天氣晴。當(dāng)日17時(shí)20分試送成功。

3)2019年8月23日14時(shí)34分01秒，麗水變麗巖1058線縱聯(lián)距離、零序方向保護(hù)動(dòng)作，開關(guān)跳閘，重合成功，故障相別為C相，保護(hù)測距9 km，故障錄波器測距9.419 km。現(xiàn)場一、二次設(shè)備檢查均無異常，天氣上午晴，下午晴轉(zhuǎn)多云。

2.2 案例分析

現(xiàn)對(duì)上述事故案例(3)進(jìn)行分析。故障錄波器于14點(diǎn)33分50秒開始記錄的故障前約10 s內(nèi)故障相的電壓、電流波形如圖4所示。對(duì)電流進(jìn)行頻譜分析，得到各頻次諧波分量的頻譜圖如圖5所示(記錄時(shí)間：2019年8月23日14點(diǎn)33分50秒)。

分析電流波形及頻譜圖可知，電流存在較多的高次諧波分量。由圖3電力網(wǎng)絡(luò)及相關(guān)調(diào)研工作發(fā)現(xiàn)，距故障點(diǎn)直線距離約10 km處，存在220 kV麗水高鐵牽引變電站，其中存在換流與變頻等環(huán)節(jié)，是諧波產(chǎn)生的主要原因之一[27-28]。

根據(jù)前文對(duì)流經(jīng)絕緣子的電流大小影響因素的分析，這些諧波電流若在線路中引起高頻諧振過電壓，則可能導(dǎo)致絕緣子上的電流增大，使得保護(hù)動(dòng)作。10次諧波及其鄰近頻次諧波分量幅值較高，分布相對(duì)集中，猜測其與絕緣子閃絡(luò)事故可能存在關(guān)聯(lián)。

3 諧波電流引發(fā)的諧振過電壓對(duì)流經(jīng)絕緣子電流的影響

3.1 諧振頻率計(jì)算

對(duì)圖3中的電力網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行等值變換，將各元件參數(shù)歸算至故障點(diǎn)所在的110 kV電壓等級(jí)，得到分布參數(shù)等值電路如圖6所示。其中，XT1、YT1為車載變壓器的等值阻抗和導(dǎo)納，XT2、YT2為牽引變壓器的等值阻抗和導(dǎo)納，XL1、YL1為楓鐵2R31線的等值阻抗和導(dǎo)納，XL2、YL2為麗楓2Q68線的等值阻抗和導(dǎo)納，XT3、YT3為麗水變壓器的等值阻抗和導(dǎo)納，XL3、YL3為麗巖1058線的等值阻抗和導(dǎo)納。

圖6 電力網(wǎng)絡(luò)等值電路Fig.6 Equivalent circuit ofpower network

在變壓器中，流過勵(lì)磁支路的電流很小可忽略不計(jì)；三條輸電線均為短距離傳輸線，其對(duì)地電容可忽略不計(jì)。因此，為了簡化計(jì)算，其余各導(dǎo)納支路均忽略不計(jì)，僅考慮麗巖1058線的對(duì)地電容，將其等效至遠(yuǎn)離諧波源一側(cè)的集中電容C。最終電路可簡化為六個(gè)元件的電感與麗巖1058線電容的串聯(lián)電路。

車載變壓器容量ST1=9MVA，短路電壓百分比UT1%=21.4%；牽引變壓器(兩臺(tái)并聯(lián))容量ST2=25 MVA，短路電壓百分比UT2%=8%，兩臺(tái)并聯(lián)；麗水變壓器容量ST3=180 MVA，短路電壓百分比UT3%=5%。由此求出各變壓器電感量。

(3)

(4)

(5)

線路阻抗x=0.432 Ω/km，三段線路長度分別為4.8 km、2.9 km和10.35 km，由此求出各線路電感量。

(6)

(7)

(8)

串聯(lián)后的電感之和為L=1.066 4 H。線路對(duì)地電容為0.008 9 μF/km，則麗巖1058線對(duì)地電容C=0.092 1 μF。據(jù)此求得串聯(lián)諧振頻率為

(9)

計(jì)算結(jié)果表明，10次諧波電流對(duì)應(yīng)的頻率為諧振頻率，會(huì)在線路中引起諧振，產(chǎn)生諧振過電壓。結(jié)合圖5中顯示的故障相電流10次諧波幅值最大，進(jìn)一步增強(qiáng)了諧波與本次事故之間的關(guān)聯(lián)性。

3.2 絕緣子電流測量

110 kV麗巖1058線處于熱備用狀態(tài)時(shí)，工頻負(fù)荷電流應(yīng)為零，此時(shí)測得故障相的電流即可認(rèn)為是流經(jīng)絕緣子的電流。9、10、11次諧波對(duì)應(yīng)的電流有效值測量結(jié)果如下：

表1 諧波頻次對(duì)應(yīng)的流經(jīng)絕緣子的電流有效值Table 1 The effective value of current flowing through the insulator corresponding to the harmonic frequency

因此，9～11次諧波共同作用下的流經(jīng)絕緣子的電流有效值為

(10)

根據(jù)相關(guān)資料和經(jīng)驗(yàn)，絕緣子閃絡(luò)發(fā)生過程的不同階段與絕緣子上電流大小的關(guān)系如表2所示[29-30]。對(duì)比計(jì)算結(jié)果與表2中數(shù)據(jù)，在9～11次諧波電流的作用下，電流已經(jīng)超過危險(xiǎn)區(qū)進(jìn)入了閃絡(luò)范圍，因此必然會(huì)使保護(hù)裝置動(dòng)作。

表2 閃絡(luò)發(fā)展階段與絕緣子上電流有效值對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 2 Corresponding relationship between flashover development stage and effective current value on insulator

3.3 諧振過電壓仿真

為了驗(yàn)證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，本文還對(duì)諧振過電壓進(jìn)行了仿真。根據(jù)圖6等值電路，使用PSCAD軟件，在t=0.5 s時(shí)刻對(duì)網(wǎng)絡(luò)注入9～11次諧波電流，絕緣子串端部承受的電壓波形如圖7所示。

圖7 絕緣子端部諧振過電壓仿真波形Fig.7 Insulator end resonant overvoltage simulation waveform

由仿真波形可知，絕緣子串端部確實(shí)產(chǎn)生了諧振過電壓。過電壓幅值約為750 kV，有效值約為530 kV，帶入式(2)中，計(jì)算得到此電壓作用下流過一串絕緣子串的電流有效值為9.515 mA(絕緣子片數(shù)n取7，單片絕緣子電容C0取40 pF，電阻R0取2 200 MΩ)。全線路共有60串絕緣子串，流經(jīng)絕緣子的電流總和為570.9 mA。由仿真計(jì)算所得電流值與前述測量計(jì)算結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)一致。

4 結(jié)論

通過理論分析和實(shí)例計(jì)算研究了諧波與復(fù)合絕緣子不明閃絡(luò)之間的關(guān)聯(lián)性，主要得出以下結(jié)論：

1)絕緣子的不明閃絡(luò)，除了現(xiàn)有研究中的憎水性改變和鳥糞等異物干擾，電力系統(tǒng)中的諧波也是一個(gè)重要原因。實(shí)際上絕緣子并未真正發(fā)生閃絡(luò)，而是電力電子設(shè)備等諧波源向線路中輸入高頻諧波電流，引起諧振過電壓，導(dǎo)致流經(jīng)絕緣子的電流過大，保護(hù)動(dòng)作。

2)浙江麗水供電公司麗巖線于2019年8月23日14時(shí)34分01秒發(fā)生的跳閘事故，經(jīng)研究是由10次諧波電流及其鄰近頻次諧波電流在線路中引起諧振過電壓，在高電壓幅值和高頻率兩個(gè)因素的共同作用下使得流經(jīng)絕緣子的電流超過安全范圍。

3)為減少事故的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)輸電線路產(chǎn)生高次諧波的電力電子設(shè)備等環(huán)節(jié)的監(jiān)管，并對(duì)諧波環(huán)境下的絕緣子等絕緣設(shè)備采取更加可靠的絕緣設(shè)計(jì)方案，以保障電力系統(tǒng)供電的可靠性。