高海拔地区35kV及以下带电投切空载线路研究

高海拔地区35kV及以下带电投切空载线路研究

杨亮肖庆初蔡澍雨

（云南电网有限责任公司带电作业分公司云南昆明650011）

摘要：在带电投切空载线路作业时，产生的电弧会危及人身和财产安全。本文通过试验和仿真相结合研究检修人员搭接、拆除空载线路时不同电容电流下的电弧特性、过电压水平、电弧通道的能量分布、电弧能量的传播及衰减特性，为带电投切空载线路电容电流值的确定提供准确的试验数据支撑。

关键词：带电作业；投切；空载线路；电弧；衰减；过电压；过电流

1.引言

目前，35kV及以下线路带电作业已经在全国乃至全世界普遍实施，作业方式也有很多种，如更换绝缘子、投切引流线、更换避雷器等。带电投切空载线路作业过程中，由于空载线路上仍带有高电压，线路上有一定的电容电流，空载线路越长，电容电流越大，当带电投切空载线路瞬间将会产生电弧，危及作业人员的安全，尤其在高海拔地区电弧特性、过电压水平、电弧通道的能量分布、电弧能量的传播及衰减特性等未见相关研究报道。因此，在高海拔地区（1000＜h≤4000m）对带电投切空载线路进行试验和仿真研究很有意义。

本文提出系统的研究方案，根据实际情况确定试验内容，通过系列的试验、仿真研究及计算分析，分析不同电压等级投切过程中对过电压及过电流的影响，确认投切空载线路放电特性及电弧衰减特性，确定高海拔地区开展35kV及以下线路带电投切空载线路作业条件，最终为高海拔地区开展35kV及以下线路带电投切空载线路提供试验数据支撑。

2.试验研究路线

2.1试验内容确定

投切空载线路时断口距离的选择：该断口距离对于电弧的熄灭影响很大，其选取研究值非常重要。为确保作业安全，从严考虑应先开展间隙试验，并使用4000ｍ海拔时各电压等级开展作业时所需最小间隙距离作为确定断口距离的依据。

电容电流的取值：目前国内在海拔1000m及以下投切空载线路时，对电容电流值规定不一，最小为0.1A，最大为0.3A，该参数是否适用于高海拔地区无明确规定，故应开展相应的投切试验，提出相应的参数，其电流取值范围为0.1A，0.2A，0.3A，0.4A，0.5A。由于不具备在实际线路上开展投切电容电流试验条件，故采用电容器组模拟实际线路，模拟投切10kV-35kV线路空载容性电流工况进行试验。

电压值的选择：三种电压工况下进行电容电流投切试验时，其电压应选择最高运行电压，10kV、20kV和35kV最高运行电压分别为12kV、24kV和40.5kV。

试验时每个电流投切次数的选择：为提高试验工况与实际工况的吻合性，应依据ATP-EMTP搭建投切空载线路模型仿真计算分析结果，分析开断时间、相位对投切空载线路过电压及弧道电流的影响。投切次数选择30次。

试验模型：通过三相异步减速电机带动隔离开关进行分合闸，模拟带电作业工况；通过接通时间和电源频率的调整来控制打开速度和打开距离，其打开/关合过程较快，采用高速摄像仪来确定其速度。

隔离开关打开速度的选择：隔离开关打开速度可设为0.8m/s（该值是通过多次人工模拟采用绝缘杆作业方式进行投切线路时，测量投切速度并按统计方法分析计算得出）。试验中要求隔离开关模拟人工操作的打开速度在不超过0.8m/s的状态下，对投切空载线路速度在0.2～0.8m/s的工况进行仿真分析。

2.2仿真内容确定

将采用ATP-EMTP搭建投切空载线路模型，对投切10kV、20kV和35kV的空载线路进行电磁暂态仿真，空载线路的电容电流值分别选择为0.1A，0.2A，0.3A，0.4A，0.5A。分析投切过程中过电压、过电流及电弧重燃等情况，确定电弧重燃或者最大时的相角，研究分析投切过程中电弧能量分布情况。

依据电弧能量分布，研究电弧能量在距离上的衰减特性，结合仿真计算和试验结论进行分析，分析无灭弧措施投切10kV、20kV和35kV空载线路时电容电流值的影响。

3.投切空载线路仿真研究

通过对投切空载线路过电压产生机理分析发现，在分闸初期，隔离开关切断容性电流时，由于触头间的回复电压上升速度大于绝缘介质恢复强度的上升速度，造成触头间电弧重燃，因而引起电磁振荡，造成过电压。

3.1分合闸角对过电压及过电流的影响

在2000m海拔高度下，以分闸流过0.3A电容电流的10kV空载线路为例，固定合闸角为90°时，假定发生一次重燃，分闸角为0°、90°、180°、270°四种情况时系统过电压及过电流进行观察。当空载线路上分别流过0.1A、0.2A、0.3A、0.4A、0.5A的电容电流时，产生的规律一致，由此可知，当分闸角与合闸相角相反时，母线产生的过电压过电流情况最严重。

在2000m海拔高度下，以分闸流过0.3A电容电流的空载线路为例，固定分闸角为270°时（即残余电压为-Em），假定发生一次重燃，合闸角0°、90°、180°、270°四种情况时系统过电压及过电流水平进行观察。当触头的运动速度提高，也就意味着发生重燃的时间将大大减少，产生过电压、过电流水平较慢速触头低。

3.2不同电压等级系统的过电压及过电流研究

在2000m、3000m、4000m海拔高度，分别切断10kV、20kV、35kV空载线路瞬间，对产生的过电压及过电流进行研究发现同一海拔下，线路流过的电容电流值越大，触头间重燃产生的过电压过电流水平越严重，线路储存电荷能力不同。线路流过同一电容电流值时，当电弧不发生抖动，弧柱未断，“电路”上发生反复重燃，过电压、过电流水平基本不变。10kV、20kV、35kV切空载线路产生的过电压水平分别在1.25～2.69p.u.之间、1.17～2.94之间。

4.投切空载线路试验研究

为研究真实作业过程中，投切空载线路时，线路过电压水平，搭建了试验平台，采用电容器组模拟线路电容，能够实现0.1A、0.2A、0.3A、0.4A、0.5A的电容负载，采用隔离开关开断电容负载，模拟实际作业过程中拉开带电线路过程，现场布置图如图1所示。

图1投切空载线路试验布置示意图

通过现场试验对典型波形进行对比分析，在分合过程中，均产生了较高的过电压，最高达到了额定电压的6.9倍，显著的超过了现有规程要求的倍数，也显著大于仿真研究的结论，分析原因为试验负载采用了纯电容，没有电阻和电感，电阻和电感在暂态过程中可显著的降低过电压的幅值和陡度，由于试验回路为纯电容结构，所以测得的过电压波形既高又陡。同时从仿真中可看到，分合过程中，当分合的角度是90°或270°时，过电压及过电流均较大，比其他角度分合闸均大，而从试验波形看，由于隔离开关无灭弧功能，且负载为纯容性负载，因此在分闸过程中，当电流过零点熄灭时，电压刚好处于峰值，导致分闸过程中过电压异常大。

5.结束分析

经过仿真研究发现电容电流越大，海拔越高，投切空载线路时的过电压水平越高，典型计算得出的过电压水平不超过3.0倍的额定电压值。电容电流越大，断开空载线路过程中，电弧燃烧造成的高温区域越大。

通过对不同电容电流值时的过电压水平研究及计算分析得到以下结论：10kV系统可以投切0.5A及以下的电容电流；20kV系统采用不少于0.4米的安全距离时，可投切0.5A及以下的电容电流；35kV系统采用不少于0.6米的安全距离时，在海拔低于3200米时，可投切0.5A及以下的电容电流，当海拔高于3200米海拔时，只能投切0.3A及以下的电容电流。

6.结束语

本文提供了高海拔地区35kV、20kV、10kV带电投切空载线路仿真和试验研究，填补带电作业方面空白，对提高高海拔地区35kV及以下线路带电作业的安全性提供了依据，对促进高海拔地区35kV及以下线路带电作业的发展起到了积极作用。

参考文献

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[3]闻邦椿.机械设计手册,机械工业出版社,2010.

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