李可倫，王 森，王 荊，郭 潔，呂 偉，楊飛軍，喬兵兵

（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049；2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安 710100；3.西安西電避雷器有限責(zé)任公司，西安 710200）

本體參數(shù)及間隙結(jié)構(gòu)對(duì)EGLA放電電壓影響的研究

李可倫1，王 森2，王 荊2，郭 潔1，呂 偉3，楊飛軍3，喬兵兵1

（1.西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，西安 710049；2.國網(wǎng)陜西省電力公司電力科學(xué)研究院，西安 710100；3.西安西電避雷器有限責(zé)任公司，西安 710200）

為了保證外串空氣間隙線路避雷器(EGLA)性能更好地滿足線路絕緣配合要求，掌握間隙的放電電壓參數(shù)是重中之重，研究間隙放電電壓與各影響因素的關(guān)系就成為了一個(gè)關(guān)鍵的課題。在間隙未放電時(shí)間隙與本體的電壓分配主要受電容影響，因此EGLA的放電電壓與本體電容及間隙電容有著密切的關(guān)系。使用ANSYS仿真計(jì)算了35kV、110kVEGLA試品不同本體參數(shù)、不同間隙結(jié)構(gòu)的電容量和電壓分配，并實(shí)驗(yàn)研究了相應(yīng)配置下EGLA的工頻和沖擊放電電壓，對(duì)比仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，獲得了EGLA的放電電壓主要受本體參數(shù)及間隙等值電容影響，本體參數(shù)中等值電容影響更大的結(jié)論。

外串空氣間隙線路避雷器；放電電壓；電容量；間隙結(jié)構(gòu)；本體參數(shù)

0 引言

外串空氣間隙線路避雷器（Externally Gapped Line Arrester,EGLA）是應(yīng)用于電力線路以降低線路雷擊時(shí)絕緣閃絡(luò)概率的一種電氣設(shè)備。在運(yùn)行時(shí)，線路避雷器與線路絕緣子并聯(lián)裝設(shè)，當(dāng)線路遭受雷擊時(shí)，由于其優(yōu)秀的放電和保護(hù)特性，能有效地防止雷電過電壓所引起的輸電線路絕緣故障，從而提高電力系統(tǒng)的可靠性[1-5]。

根據(jù)DL/T 815-2012的要求，EGLA在進(jìn)行線路保護(hù)時(shí)，應(yīng)能在雷電過電壓下先于線路絕緣可靠放電，而在系統(tǒng)預(yù)期工頻過電壓和操作過電壓下不發(fā)生放電動(dòng)作[6]。因此，在考慮放電分散性和絕緣配合裕度的情況下，EGLA的空氣間隙在與暫態(tài)工頻過電壓和操作過電壓配合時(shí)應(yīng)當(dāng)足夠大；在與有威脅的雷電沖擊過電壓配合時(shí)應(yīng)當(dāng)盡可能小。因此，為了保證EGLA的防雷性能滿足運(yùn)行要求，EGLA的放電電壓是重中之重的參數(shù)，而EGLA的放電電壓由其間隙放電電壓決定，因此研究EGLA間隙放電電壓與各影響因素的關(guān)系就成為了一個(gè)關(guān)鍵的課題。

由于EGLA本體由電阻片單元組成，與空氣間隙串聯(lián)連接，未放電前間隙與本體的電壓分配主要受等值電容影響，因此EGLA的放電電壓與本體電容及間隙電容有著密切的關(guān)系[7-13]。而本體電容與氧化鋅電阻片的參數(shù)及裝配片數(shù)有關(guān)，間隙等值電容主要由間隙長度及電極形狀決定，周圍的電磁環(huán)境影響較小。故筆者重點(diǎn)對(duì)EGLA間隙放電電壓與電阻片參數(shù)、片數(shù)、間隙長度、電極形狀的關(guān)系展開研究。

本次研究選取35 kV和110 kVEGLA作為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)與ANSYS仿真相結(jié)合的方法，研究本體參數(shù)及間隙結(jié)構(gòu)對(duì)EGLA放電電壓的影響。

1 間隙電容的仿真計(jì)算

通常，EGLA間隙電極均為不規(guī)則形狀，形成的空氣間隙等值電容無法使用解析法準(zhǔn)確計(jì)算，需使用電磁場(chǎng)計(jì)算軟件建立三維空間模型仿真計(jì)算各種間隙結(jié)構(gòu)的等值電容量。本次研究使用ANSYS電磁場(chǎng)軟件包進(jìn)行計(jì)算，分析了表1中各種不同本體參數(shù)及間隙結(jié)構(gòu)配置方式下的間隙等值電容，EGLA本體電容值35kV為41.71pF，110kV為14.91pF。

表1 不同EGLA本體參數(shù)及間隙結(jié)構(gòu)配置Taleb 1 Configuration of SVU and Gap of EGLA

計(jì)算模型的35 kV、110 kV EGLA均為單節(jié)結(jié)構(gòu)，由上、下法蘭、電極、復(fù)合外套、電阻片、鋁墊片等結(jié)構(gòu)組成。35 kV及110 kV的建模過程基本相同。幾何建模采用自上而下方法，由于計(jì)算環(huán)境整體為平面對(duì)稱形狀，故僅建立二分之一模型以減小計(jì)算量。EGLA、支撐部件及導(dǎo)線模型如圖1所示。避雷器以外區(qū)域可以看作是由空氣組成的開域空間，根據(jù)剖分細(xì)密程度要求的不同由近至遠(yuǎn)分成多個(gè)部分。含有空氣域的模型如圖2所示。

圖1 計(jì)算模型Fig.1 Calculation Model

圖2 含空氣域的計(jì)算模型Fig.2 Calculation Model with Air Domain

表2中為不同配置情況下的等值電容仿真計(jì)算結(jié)果及對(duì)應(yīng)計(jì)算得到的間隙放電電壓承擔(dān)率理論值?？紤]在EGLA間隙未放電時(shí)，EGLA本體的非線性電阻分流效應(yīng)對(duì)間隙電壓承擔(dān)率影響很小，主要為電容效應(yīng)，按照不同頻率下本體等值電容量CSVU和間隙等值電容仿真計(jì)算結(jié)果CGAP，可定義間隙放電電壓承擔(dān)率的理論計(jì)算值kc為

計(jì)算得到的不同電壓下間隙放電電壓承擔(dān)率的理論計(jì)算值如表2所示。

表2中所示的各配置下的間隙等值電容值及間隙放電電壓承擔(dān)率將與由放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果中得出的間隙放電電壓承擔(dān)率比對(duì)，以驗(yàn)證EGLA放電電壓與本體等值電容之間的負(fù)相關(guān)關(guān)系及與間隙等值電容之間的正相關(guān)關(guān)系。

表2 間隙等值電容及電壓承擔(dān)率計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculation Results of Capacitance and Voltage Distribution Rate of Air Gap

2 工頻放電電壓研究

工頻放電電壓試驗(yàn)在35 kV EGLA上依據(jù)國標(biāo)GB/T 16927.1試驗(yàn)方法進(jìn)行，空氣間隙為200 mm。實(shí)驗(yàn)時(shí)將電阻片按電容值由小至大排序依次裝入EGLA內(nèi)部，表1所示的配置1、2中，實(shí)驗(yàn)時(shí)EGLA本體電容量CSVU的實(shí)測(cè)值為41.70 pF；配置3、4中，實(shí)驗(yàn)時(shí)EGLA本體電容量CSVU實(shí)測(cè)值為57.03pF；配置5、6中，實(shí)驗(yàn)時(shí)EGLA本體的電容量CSVU實(shí)測(cè)值為100.93 pF。35 kV EGLA的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 工頻實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Environment of experiment under power frequency

實(shí)驗(yàn)分別測(cè)取了EGLA和純間隙工頻放電電壓，工頻電源的升壓速度為3 kV/s～5 kV/s，本體短路實(shí)驗(yàn)測(cè)得純間隙的放電電壓平均值為145.74 kV（長電極）和159.65 kV（環(huán)電極），用Ub1表示。將本體與空氣間隙串聯(lián)，測(cè)量6種不同本體參數(shù)及間隙結(jié)構(gòu)配置下EGLA的工頻放電電壓，將放電電壓平均值記為Ub，定義間隙放電電壓承擔(dān)率k為

將k與kc進(jìn)行比較，通過試驗(yàn)和計(jì)算獲得了工頻電壓作用下EGLA放電電壓時(shí)間隙放電電壓承擔(dān)率的理論值和實(shí)測(cè)值如表3所示。

表3 工頻放電電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 3 Result of Discharging Experiment under Power Frequency

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）在工頻電壓作用下，若保持間隙結(jié)構(gòu)不變即間隙電容不變，則EGLA放電電壓與其本體電容成反比；若保持本體不變，則EGLA放電電壓與其間隙電容成正比。在35kVEGLA的工頻放電實(shí)驗(yàn)中，隨著EG?LA本體電阻片數(shù)量的減少，間隙電壓承擔(dān)率提高。

2）仿真和實(shí)驗(yàn)均表明：間隙距離均為200 mm的前提下，環(huán)電極的空氣間隙等值電容值均小于長電極的空氣間隙等值電容值，從而環(huán)電極組成的EG?LA空氣間隙在實(shí)驗(yàn)中承擔(dān)了更高的電壓，使EGLA放電電壓降低。并且，在工頻電壓下，35 kV EGLA間隙電壓承擔(dān)率實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值最大相差6.21%，最小相差1.04%，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本吻合。

3 沖擊放電電壓研究

沖擊放電實(shí)驗(yàn)在35 kV及110 kV EGLA上進(jìn)行，依據(jù)國標(biāo)GB/T 16927.1試驗(yàn)方法，標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓波及標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓波實(shí)驗(yàn)波形參數(shù)分別為1.2/50 μs及250/2500 μs，采用升降法確定純空氣間隙及EGLA整體的50%沖擊放電電壓。35 kV EG?LA實(shí)驗(yàn)中，空氣間隙為200 mm。本體配置分為6種配置與工頻實(shí)驗(yàn)相同。110 kV EGLA實(shí)驗(yàn)中，空氣間隙為500 mm及800 mm，采用表1中配置7-配置10進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。沖擊放電實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將本體短路，使用升降法確定純空氣間隙的50%沖擊放電電壓U50%，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

將本體與空氣間隙串聯(lián)，按照10種不同本體及間隙配置進(jìn)行EGLA沖擊放電實(shí)驗(yàn)。與純空氣間隙實(shí)驗(yàn)相同，采用升降法，得到每種配置下的U50%，定義沖擊電壓下間隙放電電壓承擔(dān)k為

表4 空氣間隙50%沖擊放電電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 50%Impulse Discharge Voltage of Air Gap

圖4 沖擊實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.4 Environment of Experiment under Impulse Voltage

雷電沖擊放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示，操作沖擊放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表5 雷電沖擊放電電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 5 Result of Discharging Experiment under Lightning Impulse Voltage

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1）在操作沖擊電壓下，35 kV EGLA間隙電壓承擔(dān)率理論值與實(shí)測(cè)值的偏差分別為：長電極時(shí)10.73%；環(huán)電極時(shí)0.83%。EGLA間隙放電電壓承擔(dān)率理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)值基本吻合。其他配置下的間隙電壓承擔(dān)率理論值與實(shí)際值間均有類似現(xiàn)象。因此，在沖擊電壓作用下，EGLA的間隙電壓承擔(dān)率基本符合間隙電容與本體電容的串聯(lián)反比分壓關(guān)系，非線性阻性分量影響很小。因此EGLA放電電壓直接與其間隙電容及本體電容相關(guān)。

表6 操作沖擊放電電壓實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 6 Result of Discharging Experiment under Switching Impulse Voltage

2）在操作沖擊和雷電沖擊電壓作用下，保持EGLA本體不變,隨著空氣間隙距離的增大，間隙電壓承擔(dān)率提高。

3）在沖擊電壓(標(biāo)準(zhǔn)雷電波、標(biāo)準(zhǔn)操作波)作用下，EGLA放電時(shí)，其間隙承擔(dān)電壓百分比k小于工頻電壓波作用時(shí)的對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但間隙承擔(dān)電壓百分比k隨本體、間隙電容關(guān)系變化而相應(yīng)變化的規(guī)律依然存在。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論

1）對(duì)比表3、表5及表6中的間隙放電電壓承擔(dān)率理論計(jì)算值kc與實(shí)測(cè)值k，可以看出在多數(shù)情況下，kc與k之間均存在一定偏差。實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值存在的偏差主要由雜散電容和本體非線性阻抗分量引起，其中雜散電容影響更大。隨著本體電阻片的減少，雜散電容影響減小，實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值偏差減小。

2）長電極間隙放電電壓承擔(dān)率的理論值與實(shí)測(cè)值的差距總是大于環(huán)電極。這主要是由電場(chǎng)的不均勻程度和雜散電容影響不同所導(dǎo)致的。實(shí)驗(yàn)中使用的長電極間隙結(jié)構(gòu)在不同電壓作用下形成的電場(chǎng)不均勻程度遠(yuǎn)大于環(huán)電極，另外兩種電極形成的周圍電磁環(huán)境也不同，雜散電容也不同。故長電極實(shí)驗(yàn)測(cè)得的放電電壓分散性較大，間隙電壓承擔(dān)率相對(duì)更不穩(wěn)定。在110 kV EGLA的沖擊放電實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)間隙距離取800 mm（配置9、10）時(shí)，間隙電壓承擔(dān)率理論值與實(shí)際值的偏差優(yōu)于間隙距離500 mm的結(jié)果。這也印證了電場(chǎng)均勻程度的影響顯著。

3）同樣的本體及間隙配置組合在工頻、操作、雷電三種波形下的間隙電壓承擔(dān)率不同，依次遞減，如配置6在3種波形下的間隙電壓承擔(dān)率分別為95.76%、93.46%和91.84%。這是由于EGLA所裝配的氧化鋅電阻片的相對(duì)介電常數(shù)隨外加電壓頻率的增大而減小。實(shí)驗(yàn)中，工頻電壓的等效頻率為50Hz，標(biāo)準(zhǔn)操作沖擊電壓的等效頻率為1 kHz，而標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓的等效頻率為156.25 kHz，因此EGLA本體ZnO電阻片的相對(duì)介電常數(shù)降低，本體電容減小，因此間隙放電電壓承擔(dān)率減小。此外，在沖擊電壓作用下，EGLA的放電電壓高于工頻電壓作用下的放電電壓，因此放電時(shí)EGLA本體承擔(dān)的電壓更高，其非線性阻性電流增大，導(dǎo)致本體阻抗減小，空氣間隙電壓承擔(dān)率增大。

5 結(jié)論

通過使用ANSYS軟件對(duì)工頻、操作、雷電三種波形下EGLA間隙電容的仿真計(jì)算及對(duì)35 kV、110 kV EGLA進(jìn)行的工頻、沖擊電壓放電實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果的對(duì)比，本研究可得出以下結(jié)論：

1）對(duì)比空氣間隙電壓承擔(dān)理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，筆者認(rèn)為在典型工頻過電壓、操作過電壓及雷電過電壓作用下，EGLA放電時(shí)本體與空氣間隙的分壓關(guān)系均符合串聯(lián)電路電容分壓規(guī)律，即按照各自等值電容按反比關(guān)系分壓，空氣間隙電壓承擔(dān)率關(guān)系成立。

2）在典型工頻過電壓、操作過電壓及雷電過電壓作用下，若保持EGLA空氣間隙結(jié)構(gòu)不變即間隙電容不變，則EGLA放電電壓隨其本體電容增大而減小；若保持EGLA本體參數(shù)不變，則EGLA放電電壓與其間隙等值電容增大而增大。

3）間隙結(jié)構(gòu)還可通過電極形狀對(duì)間隙電場(chǎng)分布的影響而改變EGLA放電電壓。實(shí)驗(yàn)證明，電場(chǎng)不均勻系數(shù)較小的間隙結(jié)構(gòu)的電壓承擔(dān)率實(shí)測(cè)值更貼近理論計(jì)算值，表明較均勻的電場(chǎng)結(jié)構(gòu)間隙受周圍雜散電容等因素的影響更小，并且其放電分散性更小，EGLA保護(hù)特性更好。

[1]何金良，曾冬松，高玉明，等．220kV懸掛式合成套無間隙避雷器均壓環(huán)的設(shè)計(jì)[J]．高電壓技術(shù)，1996，22（1）：14-16．HE Jin-liang,ZENG Dong-song,GAO Yu-ming,et al.Design of grading ring of 220kV suspended-type gapless polymeric arrester[J].High Voltage Engineering,1996,22（1）:14-16.

[2]王保山，劉斌，張曦，等．交流特高壓避雷器電壓分布的測(cè)量與分析[J].高電壓技術(shù)，2008，34（9）：1781-1786．WANG Bao-shan,LIU Bin,ZHANG Xi,et al.Measure?ment and analysis about the potential distribution of the 1000 kV metal-oxide surge arrester[J].High Voltage Engi?neering,2008，34（9）：1781-1786．

[3]韓社教，李平舟，路彥峰，等．1000kV立柱式氧化鋅避雷器三維電位分布計(jì)算及均壓環(huán)設(shè)計(jì)[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007,27（27）：50-55．HAN She-jiao,LI Ping-zhou,LU Yan-feng,et al.3D po?tential distribution calculation and design of grading rings for post-type ZnO surge arrester for 1000kV substation[J].Proceedings of the CSEE,2007,27（27）：50-55．

[4]王保山，劉洋，湯霖，等．交流無間隙金屬氧化物避雷器的電壓分布特性研究[J]．電瓷避雷器，2012,（1）：38-43．WANG Bao-shan,LIU Yang,TANG Lin,et al.Research on characteristics of voltage distribution of the metal oxide arrester without gap used for AC system[J].Insulators and Surge Arresters,2012,（1）：38-43．

[5]韓社教，戴棟，馬西奎，等．應(yīng)用有限元法計(jì)算氧化鋅避雷器電位分布[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2001,21（12）：105-108．HAN She-jiao,DAIDong,MAXi-kui,etal.Calculation of potential distribution for zinc-oxide surge arrester by fi?nite element method[J].Proceedings of the CSEE,2001,21（12）：105-108．

[6]郭潔，何計(jì)謀，李曉峰．750 kV金屬氧化物避雷器電位分布研究[J]．中國電力，2006,39（1）：15-17．GUO Jie,HE Ji-mou,LI Xiao-feng.Study on the potential distribution of 750kV metal oxide surge arrester[J].Elec?tric Power,2006,39（1）：15-17．

[7]張宏濤，何計(jì)謀，張慧娟，等．500kV系統(tǒng)用無間隙金屬氧化物避雷器的優(yōu)化研究[J]．電瓷避雷器，2011（6）：103-106．ZHANG Hong-tao,HE Ji-mou,ZHANG Hui-juan,et al.The optimization research of 500kV MOA without gap[J].Insulators and Surge Arresters,2011（6）:103-106.

[8]晉文杰，趙淼，湯霖，等．新型500 kV金屬氧化物避雷器電位分布研究[J]．高壓電器，2010,46（5）：39-41．JIN Wen-jie,ZHAO Miao,TANG Lin,et al.New 500kV metal oxide surge arresters potential distribution[J].High Voltage Apparatus,2010,46（5）：39-41．

[9]趙子玉，彭宗仁，謝恒堃，等．500kV線路懸掛式有機(jī)外套氧化鋅避雷器電位分布計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．電瓷避雷器，1996,（6）：25-29．

[10]韓社教，馬西奎，張西元，等．瓷套式500 kV氧化鋅避雷器的電位分布計(jì)算及均壓環(huán)設(shè)計(jì)[J]．西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2001,35（8）：776-779．HAN She-jiao,MA Xi-kui,ZHANG Xi-yuan,et al.Cal?culation of potential distribution and design of the grading rings for a new type of porcelain500kV metal oxide arrest?ers[J].Journal of Xi’an Jiaotong University,2001,35（8）：776-779．

[11]王秉鈞．金屬氧化物避雷器[M]．北京：水利電力出版社，1993．

[12]路彥峰.氧化鋅避雷器電位分布數(shù)值計(jì)算研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2007.

[13]孫浩，李興文．500kV瓷套式氧化鋅避雷器電位分布的有限元分析與實(shí)驗(yàn)研究[J]．高壓電器，2010,46（3）：23-27．SUN Hao,LI Xing-wen.Finite element calculation and ex?periment of potential distribution for a 500kV porcelain zinc oxide arrester[J].High Voltage Apparatus,2010,46（3）:23-27.

Study on the Influence of SVU Parameter and Gap Structure on Discharge Voltage of EGLA

LI Kelun1,WANG Sen2,WANG Jing2,GUO Jie1,LV Wei3,YANG Feijun3,QIAO Bingbing1
（1.School of Electrical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049，China；2.Electric Science Institute of SGCC Shaanxi Electric Power Company,Xi’an 710054，China；3.Xi’an XD Arrester Co.,Ltd.,Xi’an 710200，China）

In order to make the performance of externally gapped line arrester meet the requirements of national standards,the discharge voltage of its gap becomes the most important parameter.Therefore,the study on the relation between discharge voltage of the gap and other influential factors is considered as a critical project.Generally,it is recognized that the distribution of voltage between SVU and gap fol?lows the pattern of serial capacitance distribution of voltage.As a result,there is a close relevance be?tween discharge voltage of the gap and capacitance of SVU and the gap.In this study,capacitances of gaps in different structures are calculated with ANSYS software;discharge experiments under power fre?quency as well as impulse voltage are conducted on EGLA under different configurations;results of calcu?lation and experiments are compared;preliminary conclusions are deducted.It is showed that by their ca?pacitance,SVU parameters and gap structures affect the discharge voltage of EGLA,and the influence of SVU is larger.

externally gapped line arrester；discharge voltage；capacitance；gap structure；SVU pa?rameter

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.015

2016-06-12

李可倫（1991—），男，碩士，主要研究方向：電力系統(tǒng)過電壓及其防護(hù)。