220kV合成绝缘子闪络特性的仿真计算分析

( 3)
式( 1) 至式( 3) 中: V 为电 位; 为磁通; J 为电
流密度; r 为电弧半径; !为相位。
其边界包括导体表面与介质的分界面和无限远
处场的外边界。在导体表面与介质交界面处,
V 1 = V 2 , ∀1 V 1 / m = ∀2 V 2 / m ; ( 4) 在无限远处,
V(r)r = 0
L I U Y an1 , L EI M ing 2 , L IU G a ng2 ( 1. G ua ng dong W eiheng Po we r T r ansmission and Substation Eng ineer ing Co. , L td. , Fo shan, G uang do ng 528000, China; 2. Ele ctric Po wer Co l. , South China U niv. o f T echno lo gy , G ua ngzho u, G uangdo ng 510640, China)
根据图 2, 通过计 算可 以得出 E 5, av < E 4, av < E 6, av 。由以上计算结果可推断电弧发展应该为大小 伞端部之间空气击穿, 即合成绝缘子发生闪络路径 为沿连接大小伞端部发展, 直至空气击穿。比较连 接绝缘子端部间的空气电场强度 E 7 与紧靠绝缘子
第7期
刘艳等: 220 kV 合成绝缘子闪络特性的仿真计算分析
3
E4 、E 5、E 6 ∀ 路径 4、路径 5 和路径 6 的电场强度 图 2 两伞端之间空气、沿面电场强度分布
端部间的电场强度 E 8 ( 如图 3 所示) 可知, E 7 变化 有一定的波浪起伏, 但变化幅度不高, 而 E 8 平滑 变化, 其幅值大小与 E 7 相当, 近似等价于 E 8 的 拟合曲线。也就是合成绝缘子闪络路径及击穿电压 的计算可以看成为, 合成绝缘子由均压环产生电弧 连接第一片大伞端部, 依次向上发展直至合成绝缘 子长间隙空气击穿。
第 22 卷 第 7 期 2009 年 7 月
广 东电 力 GUANGDONG ELECTRIC POWER
V o l 22 N o 7 Jul 2009
文章编号: 1007 290X ( 2009) 07 0001 03
220 kV 合成绝缘子闪络特性的仿真计算分析
刘艳1 , 雷鸣2, 刘刚2
( 1 广东威恒输变电工程有限公司, 广东 佛山 528000; 2 华南理工大学 电力学院, 广东 广州 510640)
1 绝缘子电场有限元模型
研究表明, 绝缘子在输电线路中起着支撑导线 和绝缘的作用, 其计算属于似稳电场范畴, 而且受 杆塔和横担导线的影响非常微小, 因此, 在计算绝
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广 东电 力
第 22 卷
缘子的电场强度时可以作为静电场来处理, 只对绝
缘子建立静电场有限元模型。在满足边界条件的情
况下, 用于包含电介质 和导体的静电 场问题的求 解, 首先将电场问题转化为能量积分求极值的变分
电弧产生后, 在绝缘子伞裙附近发展, 影响电 场, 使其重新分布。电弧电阻与空气电阻串联, 共 同承担外加电压, 由于电弧具有负的伏- 安特性, 随着电弧电流的变 化, 一定长 度电弧电压逐 渐变 小, 电压与电场重新分配, 从而引起外加电压出现 最小值, 该值就是对应于 x 的临界电压。通 过不 断改变 x , 求出不同临界 加载电压 U 、电弧 电流 I , 就可以得出 U 、I 与电弧的关系:
为了提高电网的防污闪能力, 减少污闪事故的 发生, 输电线路大量采用合成绝缘子代替瓷和玻璃 绝缘子。但是, 目前对于合成绝缘子取代玻璃绝缘 子对线路耐雷水平的影响却存在争议[ 1] 。与瓷和玻 璃绝缘子相比, 合成绝缘子的防污性能更为优异, 但由于其伞裙直径较小, 在相同高度情况下, 其干 弧距离总是小于瓷和玻璃绝缘子, 即耐雷水平小于 相同长度的瓷和玻璃绝缘子。由于沿面闪络的重要 性, 国外加大了对绝缘子沿面闪络的研究。因为绝 缘子沿面闪络较为复杂, 至今对沿面闪络的机理没 有形成完善的理论。目前的研究基本上都是采用试
图 3 电极两端之间电场强度分布
3 闪络的判定模型
通常绝缘子外加电压分别由电弧电压、空气电
压和电极电压共同分担[ 3] , 其计算公式为:
U = A #x #I -n + U e + Ir ( x )
( 8)
其中: 电弧 压降 U arc = A # x # I - n ; U e 为电 极压
降; A 为试验常数; x 为电弧长度; I 为电弧电流。
由以上计算结果, 可以断定电弧发展延伸路径 为路径 3, 也就是电弧由均压环始, 沿着均压环与 合成绝缘子高压端第一片大伞伞裙端部空气击穿。 电弧在直流电压作用下持续发展, 从第一片大伞端 部到第二片大伞端部也有 3 种发展趋势: 一是沿大 伞沿面发展, 即路径 4; 二是由大伞端部到小伞端 部, 然后连接第二片大伞端部, 即路径 5; 三是由 大伞端部直接空气 击穿连接第二 片端部, 即 路径 6。电场强度分布情况如图 2 所示。利用有限元软 件进行电场强度计算, 理论依据为短间隙电弧发展 主要受平均电场强度的影响。
E 1、 E2 、E 3 ∀ 路径 1、路径 2 和路径 3 的电场强度 图 1 路径 1、路径 2、路径 3 的电场强度分布
对比分析图 1 中的 E 1 、E 2 、E 3 , 并分别代入 式( 7) 求其各自平均电场强度, 得到路径 1 的平均 电场强度 E 1, av 、路径 2 的平均电场强度 E 2, av 、路 径 3 平均电场强度 E 3, av 之间的关系为 E 1, av < E 2, av < E 3, av 。
摘要: 针对用复合绝缘子代替玻璃绝缘子对线路的 闪络特 性存在 争议的 问题, 从绝 缘子闪 络特性 及放电 机理着
手, 通过计算机仿真软件对加载的正极性直流 电压绝 缘子电 场进行仿 真, 研究 分析闪络 电弧动 态变化, 结合气
体放电理论推导绝缘子直流闪络过程。通过研究合 成绝缘 子不同 区段电 场大小 和随时间 变化的 态势, 对 合成绝
Abstract: A s the flasho ver char acter istics ar e co ntro ve rsial w hile r eplac ing the g lass insulato r with the co mposite insulat or , based o n the flasho ver char acter istics a nd discha rge mechanism of insula tor , the insulato r is loa ded with positive po lar ity dir ect v oltage to simula te electr ic f ield by c omputer simula tio n so ftw ar e, so as to analyze the dynam ic chang es o f flasho ve r ar c. T he DC f la sho ver pr oce ss o f insula tor is deduced in co mbinatio n w ith the g as dischar ge the or y. By study ing the electr ic f ield changes a nd the tr end w ith time o f dif fer ent sections o f com po site insula tor s, ea ch co mposite insulato r flasho ve r path is pre dicted. O n this basis, the ar c air flasho ver circuit model is established to solve the minim um flasho ver v oltag e w ith dif fer ential c omputation, w hich is v erified com bined w ith tests. Key words: sho ck char acter istic; g as discharg e; lig htning flasho ver ; f lashov er vo lta ge; flasho ver path; c ir cuit model
内用于静电场分析的有限元公式为:
KE = Q
其中: K 是系数矩阵; E 为节点电势; Q 为外加载
荷矢量。
2 合成绝缘子闪络路径分析
基于电弧的发展主要是由绝缘子周围的电场决 定的理论, 对绝缘子加载相当于工频 197 kV 的直 流电压, 对绝缘子电场进行分析。根据短间隙气体 放电的原理, 当平均电场强度超过气体放电电场强 度时, 就引起空气电场放电。计算绝缘子短间隙平 均电场强度的公式为:
I = f 1( x ) ; U = f 2 ( x ) 对任一长度电弧求出 临界电流, 分别代入 式 ( 9) 、式( 10) , 求出 E arc 和 E 1 。如果首次满足电弧 临界闪络判据 E 1 > E ar c, 那么此时电弧长度为临界 长度, 对应的电 压为所加载的 临界电压, 即 闪Βιβλιοθήκη Baidu 电压。
问题, 然后利用剖分将待求解的场域划分成许多小
单元, 从而将泛函极值问题简化为普通的多元线性 代数方程[ 2] 。依据高斯定理 和电场强度的 环路定
理, 得到用于静电场分析的麦克斯韦方程组:
E= - V,
( 1)
=J
( 2)
由式( 1) 和式( 2) 可推导出:
2V=
1 r
r
r
V r
+
!(
V!) = 0
电弧的电场强度为:
E ar c= U arc / x = A #I - n
( 9)
电弧弧头前的的电场强度为:
E 1= Ir ( x ) / x
( 10)
当电弧弧头前的电场强度 E 1 大于电弧的电场
强度 E arc时, 电流会增加, 加速电弧头部的空气电
离, 继而推动电弧的发展。因此 E 1 > E arc 就是电弧 临界闪络判据( H am pt on 判据) [ 4] 。
! E av = E dL / L L
( 7)
式中 L 为间隙长度。
合成绝缘子的电弧始于均压环, 电弧发展方向 与趋势沿着平均电场强度较大 的路径首先得 到加 强, 并进一步延伸。由于电弧发展总是沿着最短路 径, 因此可以预测电弧在均压环产生。电弧发展的 3 个最短路径为: 均压环与高压端第一片小伞端部 之间空气路径, 即路径 1; 均压环与高压端第二片 小伞之间空气路径, 即路径 2; 均压环与高压端第 一片大伞之间 空气路径, 即路 径 3。鉴 于以上 预 测, 利用有限元定义路径画出各自路径电场强度分 布情况如图 1 所示。
缘子各自闪络路径进行预测。在此 基础 上, 建立 电弧 - 空 气闪络 电路 模型, 进 行微 分计算 求解 最小闪 络电 压,
最后结合试验进行验证。
关键词: 冲击特性; 气体放电; 雷击闪络; 闪络电压; 闪络路径; 电路模型
中图分类号: T M 852
文献标志码: A
Simulation Analysis of Flashover Characteristics of 220 kV Composite Insulator
收稿日期: 2009 04 30 基金项目: 国家重点基础研究发展计划( 973 计划) ( 2009CB724507)
验方法, 具有很大的偶然性, 所以不同实验环境得 出的结果相差较大。虽然沿面闪络至今没有形成系 统的、完备的理论, 但利用有限元软件可以计算电 场强度 E 分布, 而通过电场强度推测闪络则较为 可靠, 为此, 本文利用有限元软件进行推导和计算 电场强度。又因为电场是决定电弧发展的决定性因 素, 所以在推导和计算电场强度的基础上建立电弧 发展模型, 以判定绝缘子的闪络路径和闪络电压。
( 5)
式( 4) 中: V 1 和 V 2 分别为交界面两侧导体表面和
介质的电位; ∀1 和 ∀2 分别为导体和介质的介电常 数; m 代表切线方向。
满足以上条件的相应变分问题为:
F V=
1 2
∀
V r
2
+
V z
2
- JV r dr d != m in
( 6)
将整个求解区剖分为 n 个单 元, 在每个单元