500kV高压线路单相弧接地放电特性数据模拟(图文)

　　摘要：采用构建500 kV 高压线路单相弧接地放电等效电路的方式，掌握线路瞬时接地的放电特性，同时，设计单相弧接地放电特性数据模拟条件，在此基础上，基于修正函数的应用，对放电特性数据进行模拟与修正补偿。实验证明设计的方法能够有效提高数据模拟精度，得出与实际数值基本一致的数据结果。

　　关键词：500 kV；高压线路；单相弧；接地；放电特性；数据模拟方法

　　中图分类号：TM501.2

　　500 kV高压线路是供配电站中常用的输电线路。在实际应用中，此种输电线路具有传输距离长、有效覆盖范围广等优势，但在供配电站中也常受到外界环境因素的影响而出现输电故障^[1]。为了掌握500 kV 高压线路单相弧接地异常现象，我国电力研究单位联合了美国科研所，协同搭建了针对接地故障击穿实验的仿真操作平台，并进一步地研究了500 kV 高压线路在多种接地介质下的放电特性^[2]。但早期的相关研究，均缺少专业技术与仿真电路作为支撑，因此，实验过程通常采用真实的线路，此种操作方式不仅成本高，同时也存在一定危险性，并且验证结果存在偶然性。为了解决此种问题，本文将以500 kV 高压线路为例，对其单相弧接地过程存在的放电特性，进行数据模拟研究，以期通过此种方式，更清晰地掌握单相弧接地故障时的瞬时放电特性。

　　1 500 kV 高压线路单相弧接地放电特性数据模拟方法

　　1.1构建500 kV高压线路单相弧接地放电等效电路

　　为实现对500 kV高压线路单相弧接地放电特性数据的有效模拟，构建如图1 所示的等效电路。

图1 500 kV高压线路单相弧接地放电等效电路

　　将该等效电路的内电极直径设置为12.5 mm，外电极最大直径设置为25.3 mm，将其放电间隔通过内电极深入长度调节的方式实现，将其各个结构上的喷嘴孔设置为1.00、1.25、2.25 和3.00 mm。采用水中交流放电的方式构建，在对其放电特性进行模拟时，将水流从图1 等效电路的后部进水口流入，在内外电压上将工频电压累计^[3]。图1 中L表示为电感，R表示为电阻。在模拟高压线路放电回路时将电阻分压器进行并联处理，并在该电路当中引入示波器，综合500 kV 高压线路在实际运行过程中的特点，采用DS2570 型号示波器，设置其样品采集频率为225 MHz，带宽为75 MHz。利用示波器完成对高压线路两端电压放电情况的描述，为后续单相弧接地放电特性数据模拟提供科学依据。

　　1.2设计单相弧接地放电特性数据模拟条件

　　在上述构建的500 kV高压线路单相弧接地放电等效电路基础上，对模拟过程中的条件进行设置。由于等效电路模型当中的非线性项增加了后续数据模拟的难度，因此，引入傅立叶算法将傅立叶数的可变化范围作为模拟条件^[4]。将500 kV 高压线路在通电过程中的电弧导电区域的半径看作不可变化的量，对傅立叶数进行计算，得到如下公式：

　　式中：F为傅立叶数；ω 为高压线路电流角频率；θ为高压线路电流角的角度；a 为高压线路电流；T 为高压线路单相弧接地放电时间；R 为电弧导电区域的半径。根据上述公式，计算得出流量最大和最小时的傅立叶数，并将该范围作为数据模拟的范围条件。若在数据模拟过程中，傅立叶数过大，则500 kV 高压线路单相弧接地时发生有限大小的热扰动会更加快速地传递到内部，导致最终得出的模拟数据结果不准确^[5]。同时，为了确保最终数值模拟结果的精度进一步提高，需要确保在一定时间步长内实现换热在相邻单元格中进行。将计算域网格作为数值模拟汇总的特征长度，则网格傅立叶函数应当满足如下条件：

　　式中：F′为网格傅里叶数；t 为特定时间步长；r 为特征长度，根据公式（2）计算得出网格傅里叶数，并确保在数值满足上述条件的基础上， 完成对500 kV 高压线路单相弧接地放电特性的数据模拟。

　　1.3 基于修正函数的数据模拟及修正补偿

　　结合上述内容，将其作为基础对500 kV高压线路的单相弧接地进行模拟，并对其放电特性数值变化情况进行分析。由于在模拟过程中，容易受到周围环境因素的影响造成数据模拟结果存在偏差，因此本文基于修正函数对得出的模拟数据进行修正补偿。设置修正补偿函数的区间范围为[t₁，t₃]，则修正补偿函数f ( t )可用如下公式表示：

　　公式（3）中，当修正数值t 在[t₁，t₂]范围内时，则按照公式（3）中上部分进行计算，若修正数值t在[t₂，t₃]范围内时，则按照公式（3）中下部分进行计算。同时，在实际计算过程中，若存在t₂ - t₁ =t₃ - t₂ 时，则此时修正函数当中的各个整数均相等，并且区间[t₂，t₃]为中心对称。将上述公式（3）带入到本文上述构建的数据模拟等效电路当中实现对数据模拟的修正，从而确保最终得出数据结果的准确性。

　　2 实验论证分析

　　为进一步验证本文上述数值模拟方法的实际应用效果，将其与传统基于光滑因子的数值模拟方法针对同一500 kV高压线路的单相弧接地放电特性进行数据模拟，并将得出的结果进行记录，比较其与实际数据变化情况，以此实现对两种模拟方法精度的检验，将实验结果绘制成表1。

　　表1 实验结果对比表

　　结合表1 中数据得出，本文数值模拟方法得到的模拟结果与实际基本一致，能够实现对高压线路单相弧接地放电特性数据的高精度模拟。

　　3 结束语

　　本文设计一种针对500 kV 高压线路的单相弧接地放电特性数据模拟方法，并采用对比实验证明了设计的方法真实有效。希望通过此次的研究，解决接地故障检测困难、现场数据获取量不足等问题。在完成对本文的研究后发现，此次研究尚未考虑到高压线路电流角之间存在相位差，并且，在修正数值过程中，也没有注意到不同介质存在的线性变差，因此，在后期的研究中，可将此作为研究的切入点与重点，以此种方式，进一步完善本文设计的方法。

　　参考文献

　　[1] 鹿畅, 夏广庆, 孙斌, 等. 碳纳米管阵列推力器放电特性的数值模拟研究[J]. 宇航学报, 2021, 42(05): 634-641.

　　[2] 段萍, 宋继磊, 姜博瑞, 等. 磁场对霍尔推力器放电特性及性能参数影响的粒子模拟研究[J]. 推进技术, 2020, 41(01): 194-204.

　　[3] 耿健, 郭美如, 王晓冬, 等. 微型溅射离子泵放电模拟与抽气特性研究[J]. 真空与低温, 2021, 27(01): 45-51.

　　[4] 王超. 基于Izhikevich 模型的神经网络放电特性数值模拟[J]. 工业技术创新, 2020, 07(02): 33-37.

　　[5] 张雅, 渠宇霄, 赵凯悦, 等. He/Ar 混合气体空心阴极放电特性的模拟研究[J]. 真空科学与技术学报, 2019, 39(03): 237-244.

　　作者简介

　　鲁俊（1981.7—），男，高级工程师，研究方向输电线路设计和咨询。

　　田蔚光（1988.10—）男，高工，研究方向线路电气设计。

　　（鲁俊 田蔚光 国网经济技术研究院有限公司，北京西城102209）

来源：《农村电气化》2021年第9期总第412期