基于EMT P软件仿真绝缘子串的电压分布
2022-02-28
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第27卷第11期 2014年11月 广东电力 GUANGDoNG ELECI]RIC PoWER Vo1.27 NO.11 NOV.2014 doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2014.11.018 基于EMT P软件仿真绝缘子串的电压分布 成可苗 ,陈健新 ,赖元潮 ,郭沛明 ,冯霞 ,张潇 (1.广东电网有限责任公司潮州供电局,广东潮州521000;2.上海电力学院,上海200090) 摘要:劣化绝缘子和零值绝缘子的存在直接威胁着电力系统的安全运行。在220 kV电压等级下,为得到不同频 率时劣化绝缘子和零值绝缘子处于绝缘子串不同位置时对电压分布的影响,从而便于检测线路中的故障绝缘子, 利用电磁暂态程序(electro—magnetic transient program,EMTP)软件对正常良好绝缘子、含劣化绝缘子、含零 值绝缘子三种不同情况下的绝缘子串的等值电路进行仿真模拟,得到绝缘子串中每个绝缘子两端的电压幅值, 并对实验结果进行绘图,据此分析电压分布结果。仿真结果表明,劣化绝缘子承受的电压明显下降,零值绝缘 子承受的电压为零,其他正常绝缘子承受电压大致呈“u”型分布。全面分析绝缘子串的电压分布对绝缘子的优化 设计及检测绝缘子的状况具有重要的意义。 关键词:电磁暂态程序;劣化绝缘子;零值绝缘子;电压分布 中图分类号:TM726 文献标志码:A 文章编号:1007—29Ox(2O14)1 1-0086.04 Voltage Distribution of Insulator Chain Based on Electro-magnetic Transient Program Software Simulation CHENG Kemiao ,CHEN Jianxin ,LAI Yuanchao ,GUO Peiming ,FENG Xia。,ZHANG Xiao (1.Chaozhou Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Chaozhou,Guangdong 521000,China;2 Shanghai Electric Power Institute,Shanghai 200090,China) Abstract:Existence of faulty insulator and zero resistance insulator is dangerous to safe operation of power system.For get— ting know of affect on voltage distribution by faulty insulator and zero resistance insulator at different positions of insulator chain at different frequencies under 220 kV voltage class and in order to detect fault insulators in lines,electro—magnetic transient program software was used for simulation on equix,alent circuit of the insulator chain under three different situa— tions including normal and good insulators,faulty insulators and zero resistance insulators.Voltage amplitudes at each insu・ lator ends in insulator chain were thus received and experimental result was drawn for analyzing voltage distribution result. Simulation result indicated that voltage of faulty insulator was obviously decreasing,voltage of zero resistance insulator was zero and voltage of other normal insulator was distributing as“U”type.Comprehensive analysis on voltage distribution of insulator chain was proved to be of important significance for optimization design on the insulator and detection on its condi— tion. Key words:electro-magnetic transient program;faulty insulator;zero resistance insulator;voltage distribution 绝缘子在输配电系统中应用广泛,其安全运行 问题更是直接决定了整个系统的投资及安全水 平 卜 。随着时间的增长,绝缘子性能下降,从而 产生零值或低值绝缘子,进而引发绝缘子闪络、炸 裂、导线落地等事故,危机电网安全[4]。2000年, 江苏省溧阳变电站220 kV悬式瓷绝缘子因零值绝 缘子的存在而导致掉串事故;2006年,河南省电 网三条220 kV输电线路因盘形悬式瓷零值绝缘子 收稿日期:2014-07-14 基金项目:广东电网有限责任公司科技项目(K.GD2013—0361) 的炸裂导致导线脱落。绝缘子串的电压分布可以用 第11期 成可苗,等:基于EMTP软件仿真绝缘子串的电压分布 于检测线路中的故障绝缘子,国内外已对其展开了 相关研究_5 ]:文献E9—11]采用电晕脉冲电流法, 对照三相电晕脉冲个数和分布的变化,检测劣化绝 缘子;文献[12]通过紫外检测仪检测劣化绝缘子引 起的绝缘子串电压分布变化,从而发现其劣化情 况。加拿大魁北克水电研究院和我国华北电力大学 利用电场测量法,检测绝缘子串附近电场分布的变 化,并得出电压分布,从而判断劣化绝缘子的存 在。本文利用电磁暂态程序(electro-magnetic transient program,EMTP)软件,在220 kV电压 等级下,对正常良好绝缘子、含劣化绝缘子、含零 值绝缘子三种情况进行仿真模拟,得到其电压分布 图,并对该电压等级在三次谐波下进行类似的实 验。仿真结果表明,该项研究对线路绝缘子劣化的 状态监测具有重要的工程价值。 1建模仿真 1.1模型选取及参数设定 电压分布测定法是目前在悬式绝缘子的零值检 测中较为常用的一种方法。在电压作用下,正常绝 缘子串上的电压分布受绝缘子对地电容及对到导线 电容的影响,每片绝缘子分担的电压△ 是不相等 的。绝缘子串中,串接绝缘子的数目决定于线路要 求的绝缘水平。本文利用EMTP软件搭建仿真电 路模型如图1所示,并使用15片玻璃绝缘子,线 路电压为220 kV,线路频率为50 Hz。 C c,一绝缘子的等值电容;Cg一对地电容;C 一导线电容;Uli 线路电压。 图1绝缘子串的等值电路模型 分别在220 kV工频电压下及220 kV电压的 三次谐波下进行以下三种情况的实验:15片正常 良好绝缘子的电压分布模拟;15片绝缘子,含1 片劣化绝缘子处于不同位置的电压分布模拟;15 片绝缘子,含1片零值绝缘子处于不同位置的电压 分布模拟。 1.2绝缘子串电压分布的理论分析 悬式绝缘子串由于绝缘子的金属部分与接地铁 塔或带电导线间有电容存在,使绝缘子串的电压分 布不均匀,呈“u”型分布。若仅考虑对地电容C , 越靠近导线端的绝缘子通过的电流越大,从而电压 降也越大;若仅考虑导线电容c 的影响,即越靠 近接地端的绝缘子电压降越大。实际情况下,C 和C 同时存在,且C 的影响比C 大,故绝缘子 串中靠近导线端的绝缘子承受的电压降最大,离导 线端远的绝缘子电压降逐渐减小,当靠近地时, C 的作用显著,电压降又有所升高。 劣化绝缘子的绝缘电阻阻值下降,导致劣化绝 缘子自身承担的电压严重下降,引起该绝缘子串中 的各个绝缘子的分布电压与标准分布电压之间产生 差异,而且劣化绝缘子在绝缘子串中的位置不同、 劣化程度不同,该差异程度也不相同_1 。 2 220 kV工频电压下线路电压分布仿真及 分析 2.1正常良好绝缘子的电压分布 运行电路模型并调节元件参数,使模拟实验获 得合理正确的结果,分别读取并记录绝缘子串中每 个绝缘子两端的分布电压的幅值,将所得的各个绝 缘子分布电压绘制成如图2所示的曲线。 25 20 耋 15 l0 5 O 0 2 4 6 8 10 12 14 16 绝缘子编号 图2 220 RV工频电压正常良好绝缘子电压分布 由图2可知,绝缘子串的电位分布不均匀,电 压曲线呈不对称“U”型。靠近导线侧的绝缘子承担 电压较高,达24.896 kV,离导线远的绝缘子承担 电压逐渐减小,当靠近接地端时,电压达到最低, 仅5.3335 kV,之后绝缘子承担电压又有所升高。 与文献E144中220 kV绝缘子串电压分布的实测结 果基本相同。因此,本文的劣化绝缘子与零值绝缘 子的仿真结果具有一定的参考性。 2.2含1片劣化绝缘子的电压分布 分别从第一个到最后一个位置上设置劣化绝缘 子。在正常C。上并联50 MIB电阻,得到劣化绝 缘子及上述方法测得含劣化绝缘子的模拟电压幅 值,其电压分布如图3所示。 广东电力 第27卷 一劣化绝缘子的位置1 *劣化绝缘子的位置1 1 — 一劣化绝缘子的位置2 —§一劣化绝缘子的位置l2 一劣化绝缘子的位置3 劣化绝缘子的位置4 一劣化绝缘子的位置13 — 25 ;化绝缘子的位置5 劣化绝缘子的位置14 ☆劣化绝缘子的位置6 e一劣化绝缘子的位置15 2O 一劣化绝缘子的位置7 —一劣化绝缘子的位置8 j量1四 5 劣化绝缘子的位置9 幽10 劣化绝缘子的位置1O 5 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 绝缘子编号 图3 220 RV工频电压含1片劣化绝缘子电压分布 由图3可见,含1片劣化绝缘子的电压分布曲 线大致呈“u”型,劣化单元承担的电压显著减小, 其他正常单元的电压上升。当不良绝缘子位于1号 位置导线端时,其分担电压下降了16.093 kV,转 移到其他绝缘子上的电压较多,而当劣化绝缘子位 于“U,’型曲线的低谷9号位置时,其分担电压下降 了1.686 kV,转移到其他绝缘子上的电压较少,当 位于14号位置时,劣化绝缘子承担的电压有所增加, 分担电压下降了1.698 kV,与理论分析的结果相同。 当位于2号位置时,第一片绝缘子所承受的电压上升 最高,上升幅值为3.236 kV,幅度为12.99%。因此, 当不良绝缘子位于2号位置时,承受最大电压的第一 片绝缘子电压上升幅度最大,引发绝缘子闪络、炸 裂、导线落地等事故的可能性最大。 2.3含1片零值绝缘子的电压分布 分别从第一个到最后一个位置上设置零值绝缘 子。在正常c。上并联50 Q电阻,得到零值绝缘 子及上述方法测得含劣化绝缘子的模拟电压幅值, 其电压分布如图4所示。 一劣化绝缘子的位置1 女一劣化绝缘子的位置1 1 劣化绝缘子的位置2 +劣化绝缘子的位置l2 一劣化绝缘子的位置3 一劣化绝缘子的位置13 o劣化绝缘子的位置4 ≠一劣化绝缘子的位置14 ;化绝缘子的位置5 一一劣化绝缘子的位置15 ☆劣化绝缘子的位置6 一劣化绝缘子的位置7 一劣化绝缘子的位置8 — 一劣化绝缘子的位置9 窨 。 一劣化绝缘子的位置lO 4 6 8 lO l2 14 16 绝缘子编号 图4 220 kV工频电压含1片零值绝缘子电压分布 由图4可见,零值绝缘子的电压幅值为0,除 去零值绝缘子外,其余绝缘子电压分布仍然大致呈 “u”型。当零值绝缘子位于2号位置时,第一片绝 缘子所承受的电压上升最高,上升幅值为3.965 kV,幅度为15.9%。含有1片零值绝缘子时,其 余绝缘子承受电压上升,比含有1片劣化绝缘子的 情况更高,说明引发事故的可能性更大。因此,通 过在线检测技术随时检测绝缘子的运行状况及劣化 绝缘子的定位,特别是导线附近的绝缘子的运行状 况的检测更为重要。早发现劣化或者零值绝缘子及 时更换,可大大提高输电线路的运行可靠性,也满 足不断提高的人们对电网电能质量的要求。 将频率调整为150 Hz,用类似方法进行220 kV线路三次谐波下的仿真模拟,在正常良好绝缘 子及含零值绝缘子的情况下,实验结果与工频电压 相似,而含劣化绝缘子时,三次谐波下的劣化绝缘 子单元电压未大幅下降,与工频电压结果略有不 同,其整体仍呈“u”型分布。 3结论 a)在220 kV工频线路中,正常良好绝缘子串 的电压分布呈现与理论分析一致的“u”型电压分 布,即线路端绝缘子承受的电压最高,串中部的绝 缘子承受的电压最低,接着又会有所升高。 b)当含劣化绝缘子时,劣化绝缘子承受电压 显著下降,含零值绝缘子时,其余绝缘子承受电压 上升更高,引发事故的可能性更大。因此,随时检 测绝缘子的运行状况,特别是导线附近的绝缘子的 运行状况的检测更为重要。 c)当存在谐波时,对三种情况的电压分布基本 上无影响,因此谐波的存在对绝缘子的电压分布的 影响可以忽略不计。 d)由劣化绝缘子与零值绝缘子的仿真结果可 知,当2号绝缘子发生故障时,1号绝缘子所承受 的电压上升幅度最大,使第一片绝缘子故障的可能 性最大。因此在生产安装绝缘子过程中,应当重视 第二片绝缘子的质量及状况。 e)通过EMTP软件仿真得到绝缘子串的电压 分布,并和标准电压分布曲线对照,从而判断劣化 绝缘子的存在,该法计算速度快、结果准确度高。 特高压迅速发展,目前对750 kV及以上输电 线路绝缘子串电压分布尚无统一标准且仿真分析不 第11期 成可苗,等:基于EMTP软件仿真绝缘子串的电压分布 ZHU TIAN Zhengmin.Poor Insulator Detector and Method 成熟,因此,通过EMTP软件仿真分析其电压分 布,对绝缘子的优化设计、检测劣化、零值绝缘 子,并实施相关均压措施,也为绝缘子的在线监测 提供参考依据,确保输电线路的安全运行具有重要 的意义。 参考文献: [1 1 GUBANKI S M Modern out Door Insulation Concerns and of Use of Pulsed Discharge Current Power LineEJ].Electrical calculation,1980(9):64.66. 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