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计及过电压问题 输电线路电晕研究

时间:2014-01-07 16:24来源:电子制作 作者:倪倩倩 薛恒宇 点击:
随着我国经济的发展,电力系统对于经济的重要性越加得到体现, 其中输电线路传输的电能容量在逐渐增大,伴随着输电线路正往高度化发展,绵延数公里的超高压特、高压线路经常遭受雷电过电压干扰, 引发线路事故。雷电引起的冲击电晕也会对线路造成破坏,进而影
0 前言
我国高压输电线路绵延分布,极为广泛,这也是线路极易遭受雷击的原因。当雷电对输电线路造成冲击时,会产生冲击电晕,同时雷电顺着线路会对设备造成破换,产生过电压。雷电过电压是电力系统常见的故障,也是造成停电事故的主要原因之一。而冲击电晕的放电过程需要在对过电压进行深入分析后不断的研究探讨。
1 过电压机理
过电压分类详细,首先介绍的是感应雷电过电压。为了更好的理解感应雷电过电压,应明白束缚电荷的原理,所谓束缚电荷就是在输电线路上空的雷云所感应出的与雷云电荷相等但极性相反的电荷。过电压的产生正是雷云对地放电时束缚电荷被释放的结果,产生的过电压的极性与雷电流的极性相反。这样的感应雷电过电压的波形、幅值受多方面的影响,其中导线、雷电流等参数的数值对结果改变较大。而对于三相导线的过压研究,由于发生雷击时的距离大致相似,因此不论是极性,还是波形幅值,三相输电线上的感应雷电过电压均相似。
其次是对反击雷电过电压的研究。当雷电击中输电杆塔的塔顶时,大部分的雷电会沿着杆塔流入大地,此时塔顶电位升高,杆塔上压降很大,这是由于杆塔阻抗及接地电阻造成的。当雷电击中线路时, 输电线路发生接地故障的原因就是绝缘子串发生闪络,而绝缘子串发生闪络是因为加在线路绝缘子串两端的电位差比冲击闪络电压大造成。综上所述,雷电的反击过程包括杆塔电位升高和绝缘子串击穿这两个过程。当绝缘子串未被击穿时, 除大部分雷电流沿杆塔入地外,少部分雷电流被避雷线分流,此时,雷电流不存在于输电线路上,当杆塔的电位继续上升直至绝缘子串被击穿时,输电线路将会有雷电流的流入,输电线路的电流值将阶跃式上升。
最后是对绕击雷电过电压的分析。雷电流击中输电线路时,雷电流会注人导线,直接后果就是输电线路对地电压的升高。若绝缘子串两端的冲击闪络电压与两端电位差相比较小时,绝缘子串会发生闪络的情况,导线即对地放电。雷电绕击发生时,雷电流首先会作用于导线。图1 显示了绕击发生前后,绝缘子串闪络变化的等值电路图。图中S 就是绝缘子串,S 打开表示绝缘子串未击穿,此时杆塔中没有雷电流,输电线路的雷电流使得其电位升高;当绝缘子串被击穿后,开关s 闭合,这时雷电流通过杆塔入地。由以上对雷电过电压的分析可知,3 种情况下的电流不同。当输电线路发生感应雷电过电压时,电流为感应电流;发生反击时又分2 种情况, 一种是绝缘子未击穿前,电流为电磁耦合电流,一种是绝缘子被击穿后,电流变为直击雷电流;发生绕击时,线路上的电流为直击雷电流。 
图(a) 绝缘子未闪络
图(b) 绝缘子闪络后
图1 绕击等值电路图
2 电晕模型机理
1) 在电力系统场的研究中,输电线附近的场很接近于同轴圆筒内电场,因此输电线路冲击电晕的模型将主要考虑同轴圆筒的情形进行研究分析。
2 ) 线路冲击电晕是经历了电子崩的发展而形成的,而据科研人员研究发现, 现行的电子崩是在内电极表面某种光子产生的光电子发射而形成,而所说的这种光子是由空间发展的电子崩产生的。
3) 由于电极呈圆筒对称,绕内电极的均匀发展的多个电子崩可组成新一代的电子崩,新电子崩也呈圆筒对称。还会出现电子崩头部的电子包围内电板变成壳电子层,这时由于电子崩发展成熟之后, 其头部的电子将围绕内电极连续分布形成的。在电子崩形成过程中,电离产生的正、负离子会包围内电极,以体电荷型式分布,形状为圆筒状。
4 ) 由以上分析知电子、离子均是呈圆筒状,且围绕内电极分布,故为了便于理解可将电荷的分布简化成沿径向的一维分布,因此在对电晕做离散分析时,可以顺着内电极表面开始至外电极结束的顺序分成若干厚度相同的薄圆筒单元进行离散分析。 
3 电晕对过压的影响
研究表明,冲击电晕对雷击线路产生的输电线路过电压有着极大的影响,并且过电压的波形出现衰减和变形。在超特高压电网的建设过程中,随着输电线路电压等级的提高,应该更加关注冲击电晕所带来的影响。
首先介绍冲击电晕的伏库特性。冲击电晕的伏库特性是指在波传播的过程中, 导线的冲击电压瞬时值u 与导线上的总电荷q 的关系。图2 所示为冲击电晕伏库特性曲线以及分析时的三个阶段。
对于OA 段的分析,作为波头部分的这一阶段可以看出曲线的形状是直线,直线的斜率可看做是输电线路线的几何电容C0,即。
接着是对AB 段的分析,作为电晕发展阶段的AB 段可以看出曲线形状是呈非线性上翘的。这一阶段由于随着电压的增长同极性空间电荷而越来越多,且电荷分布在导线周围,可形成导电性良好的电晕套,因而导线的对地电容是动态增加的, 其动态电容表达式为。
最后是BC 段的分析,可以看出作为
图2 冲击电晕的伏库特性
波尾部分的BC 段其伏库特性和OA 段近似,平行分布。这时的导线对地电容较几何电容的数值略大,故计算时也可认为是C0。
在进行雷电过电压产生的冲击电晕模拟时,电导是可以不考虑的,由于电晕套的作用就是对导线电容及电导的增大作用,故合理的模型就是用动态电容去等效模拟电晕引起的衰减和变形。本文将利用PSCAD 软件对冲击电晕建立模型,如图 3 所示。由图2、图3 可知,当起晕电压与线路电压相比较大时,压控开关 K 是处于断开状态的,这时线路处于自然状态, 这是对之前描述的有关电晕伏库特性中OA 段的模拟;当起晕电压的数值不大于线路电压数值时,压控开关 K 闭合,这时可以把附加电容Cf 接入线路中,线路处于充电状态,这是对之前描述的有关电晕伏库特性中AB 段的模拟;当线路电压与线路电压峰值相比较小时,这时的线路电压变化趋势是逐步减少衰减的,此时附加电容的放电电压数值大于线路电压的数值, 二极管的不导通性会将电晕的附加电容直接切除,这是对之前描述的有关电晕伏库特性中BC 段的模拟。
最后对考虑冲击电晕的雷电过电压的影响做全面分析,此处对雷电流做2 种常见类型的考虑研究。一种是当雷电流的幅值为175kA 时,畸变发生在冲击电晕产生以后反击雷电过电压的波形变化情况, 同时过电压波形也出现了明显的振荡。另一种是当雷电流幅值为20kA 时,绕击过电压的波形在冲击电晕发生之后也会出现较大幅度的衰减以及波形的变形。综上所述,对于主要分析雷击输电线路产生的暂态过程时,冲击电晕的形成对分析结果影响很大,应该在雷电过电压的分析计算中充分考虑这一影响。只有经过以上仔细的考虑,才能准确分析电晕的机理特性以及雷电过电压在输电线路中的传播机理。 
图3 冲击电晕模型示意图
4 小结
本文首先介绍了在我国大力发展特高压输电线路的大背景下,线路极易遭受的雷电过电压产生的机理,其次介绍了线路冲击电晕的模型概况,最后综合分析了冲击电晕对线路过电压的影响。结果表明,所分析的内容可以作为对输电线路电晕深度研究的基础。
【参考文献】
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(责任编辑:铅笔画圆)

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