学术简报｜基于改进时变电弧方程的直流覆冰闪络动态电路模型研究
输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）、国网江西省电力公司电力科学研究院 的研究人员舒立春、王鹏浩等，在2018年第19期《电工技术学报》上撰文指出，覆冰闪络的动态电路模型可用于模拟冰闪发展的动态变化过程，有助于深入探究覆冰绝缘子闪络发展的机理。
针对现有动态模型中的时变电弧方程仅表征电弧在空气间隙发展的不足，充分考虑冰层表面对电弧发展的影响，对时变电弧方程进行改进，使其能够更加准确地描述实际冰闪电弧的动态变化。在此基础上，建立直流覆冰闪络的动态电路模型，将模型仿真结果与已有模型进行对比，同时在人工气候室内对等效玻璃平板进行覆冰闪络的试验验证。
结果表明：建立的动态电路模型所预测的闪络电压值更接近试验值，两者最大相对误差为6.6%；预测泄漏电流与实测泄漏电流的动态变化规律具有较好的一致性。
覆冰闪络是影响输电线路安全运行的主要因素之一。为了揭示覆冰绝缘子的放电机理，准确预测覆冰绝缘子的闪络电压，从20世纪60年代开始，国内外学者对覆冰绝缘子的直流闪络模型开展了一系列研究。
覆冰绝缘子直流闪络的静态模型由基于污秽放电的Obenaus模型演化而来。模型由电弧通道和剩余冰层电阻串联构成，可通过数学解析求解得到冰闪时的临界闪络电压。但在实际绝缘子覆冰闪络过程中，局部电弧电阻等参数会随电弧长度的发展而动态变化，静态模型并不能体现此动态变化过程，进而无法预测泄漏电流的时域变化。因此，覆冰绝缘子闪络的静态模型具有一定的局限性。
覆冰绝缘子闪络的动态模型在静态模型的基础上引入表征电弧电阻动态变化的时变电弧方程。具体而言，该模型将局部电弧等效为动态的电阻、电感，通过对比不同时刻局部电弧的电压梯度Earc和剩余冰层电压梯度Ep判断电弧是否发展，当电弧长度超过泄漏距离时即判定发生闪络。
然而，Farzaneh动态模型采用的电弧方程为Mayr方程，该电弧方程表征的是电弧在空气间隙发展时电弧电阻的时域变化关系，然而实际冰闪过程中电弧沿冰层表面发展，沿面电弧与空气间隙电弧存在较大差异，因此该模型对实际冰闪电弧的描述存在一定的缺陷。
本文针对现有动态模型中时变电弧方程仅表征电弧在空气间隙发展的缺陷，通过改进时变电弧方程，更加准确地描述实际覆冰闪络时电弧电阻的动态变化过程。同时，基于改进的时变电弧方程建立动态电路模型，通过程序使得模型能够预测闪络电压和泄漏电流的动态变化过程，并与现有模型和人工覆冰闪络试验结果进行对比，验证模型的有效性和准确性。
图1 等效电路模型
1）本文得到了考虑冰层表面影响的时变电弧方程，并基于此方程建立覆冰闪络的动态电路模型。
2）利用本文动态电路模型对直流正极性和负极性两种电压类型的闪络过程进行仿真，并将本文模型的仿真结果与已有模型进行对比，闪络电压随覆冰水电导率的变化规律具有高度的一致性。
3）对严重覆冰情况下平板模型的闪络过程进行仿真，并在低温、低气压人工气候实验室对玻璃平板进行冰闪试验。实测不同覆冰水电导率下的闪络电压值与本文电路模型的仿真值最大相对误差仅为6.6%。实测闪络泄漏电流波形与仿真波形相近，且临界闪络电流的相对误差仅为6.4%。
因此，本文建立的基于考虑冰层表面影响的改进时变电弧方程的动态电路模型能够更加准确地预测严重覆冰情况下的闪络电压和泄漏电流，对深入研究覆冰闪络机理具有一定的参考价值，对输电线路的冰闪预警具有一定的工程价值。