王陸璐，熊 易，湯 霖，左中秋，陳 曦

（1.中國電力科學研究院，武漢 430074；2.中國艦船研究設計中心，武漢 430064）

0 引言

隨著中國特高壓交流輸電技術的全面推廣和完善，技術人員在過電壓與絕緣配合技術上積累了較多的經驗，同時避雷器制造技術和工藝也有了大幅提高。文獻[1]提出為了優(yōu)化絕緣配合，降低特高壓變電站的過電壓水平或降低對設備的絕緣水平，提高工程經濟性，通過對特高壓變電站金屬氧化物避雷器（以下簡稱UHV MOA）在不同系統(tǒng)過電壓下吸收的最大能量的計算，以及對我國幾個特高壓避雷器制造企業(yè)的電阻片在荷電率為95%條件下的老化性能試驗的分析，指出我國1000 kV變電站MOA的額定電壓由828 kV降低至804 kV甚至更低（如780 kV）是安全和可行的。

MOA作為電力系統(tǒng)中重要的保護設備，其自身的安全可靠對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行具有重要作用。MOA運行時，由于導體間雜散電容等因素的影響，使得MOA電阻片上的電位分布不均勻，部分電阻片荷電率升高，導致避雷器的熱穩(wěn)定性和老化性能降低，從而加速這部分電阻片的老化，影響MOA的安全穩(wěn)定運行壽命，嚴重時甚至導致MOA熱崩潰[2-6]。關于避雷器電位分布的研究已有較多成果，主要包括數(shù)值仿真計算和試驗實測兩種方法。有限元方法對于避雷器這類含有多介質產品的電場問題具有一定的優(yōu)越性[7-16]。仿真計算中，邊界條件的處理、模型等效簡化及其電場分析都已有了較多報道[17-21]。在試驗實測方面，前期研究中主要采用光纖電流法測量MOA電位分布，目前也有部分機構采用無線測量裝置進行試驗，研究對象均為常規(guī)型號的超、特高壓避雷器。對于降低額定電壓的UHV MOA電位分布特性還未見文章報道。MOA額定電壓降低，意味著其內部電阻片需要承受更高的荷電率，因此定量研究這種高荷電率MOA的電位分布特性對其可靠運行是非常必要的。

筆者以降低額定電壓至780 kV的Y20W-780/1526型UHV MOA樣機為研究對象，先根據(jù)電場數(shù)值計算方法，在Ansys軟件中建立MOA樣機的3D有限元仿真模型，分析不同均壓電容配置情況下MOA的電位分布特性，選出技術經濟指標最優(yōu)的電容配置方案，再以此方案進行試驗實測，對比分析計算值與試驗值的差異，分析樣機的電位分布特性能否滿足工程要求。

1 模型及計算方法

正常情況下，MOA長期在工頻持續(xù)運行電壓下工作，處于低電場區(qū)域，泄漏電流僅有幾十微安，其中容性電流分量遠大于阻性電流分量，當忽略阻性電流影響時，MOA模型可采用等效電容網絡進行簡化。避雷器內部電阻片軸向電位分布主要由電容決定，因此可將MOA電位分布問題近似地轉化為靜電場問題求解[3，12]。由于特高壓避雷器結構復雜，其電場并不是軸對稱的，因此本文為精確計算在ANSYS有限元仿真軟件中對Y20W-780/1526型交流無間隙金屬氧化物避雷器3D模型進行電位分布計算。

實際MOA周圍電場為無限場，在模型分析中，為了能采用有限元法求解這一開域問題，施加人工截斷邊界將MOA電場的無界域問題近似為有限域問題。文獻[5]指出在計算開域電磁場時，當計算邊界取模型實際尺寸的3～5倍時，即可滿足計算精度的要求，本文以半徑30 m、高70 m的圓柱面作為截斷邊界，3D模型及樣機結構尺寸見圖1。

模型中Y20W-780/1526型避雷器由5節(jié)元件構成，自高壓端至低壓端元件編號依次記為1—5，MOA芯組為4柱電阻片并聯(lián)結構，每柱218片，電阻片尺寸為?128 mm/?32 mm×23mm。為了建模方便，在SolidWorks軟件中按照Y20W-780/1526型避雷器的實際裝配尺寸結構搭建3D模型，再將模型導入ANSYS15.0軟件分析，模型內部結構見圖2。避雷器本體以及有限空氣區(qū)域“空氣2”、“空氣3”采用Solid122單元分析，由于“空氣1”與避雷器本體緊鄰，其形狀不規(guī)則，采用Solid123單元分析。

圖1 Y20W-780/1526型MOA三維模型及結構Fig.13D model of Y20W-780/1526 type MOA

圖2 Y20W-780/1526型MOA模型的內部結構Fig.2 Internal structure of Y20W-780/1526 MOA model

在靜電場中，由于金屬內部場強為零，整個金屬為等位體，將法蘭、均壓環(huán)、懸浮電位等部件的體積模型的所有節(jié)點電位進行“耦合”，即強制使其等電位。最下節(jié)元件法蘭、金屬支架與大地設為等電位，最上節(jié)元件法蘭和均壓環(huán)設置等電位。處理電阻片時，根據(jù)電阻片的電容值，按照式（1）計算出其相對介電常數(shù)，并作均勻介質處理。單節(jié)避雷器元件內采用均壓電容器柱與MOA連接的結構，通過改變電容器柱內每個電容器單元和鋁墊塊的相對介電常數(shù)賦值來調節(jié)電容量及其排列方式。處理均壓電容器時，將單個電容器單元的電容量通過式（1）換算成相對介電常數(shù)εr進行計算。

避雷器本體、均壓環(huán)及有限空氣區(qū)域“空氣2”、“空氣3”采用具有高精度的“體掃掠”（VSweep）剖分，“空氣1”以及金屬法蘭等區(qū)域由于其形狀的不規(guī)則性，采用三角形自由（Free）剖分，以保證計算結果的精度。在模型高壓端施加持續(xù)運行電壓638 kV，計算避雷器軸向電位分布。

2 5種均壓方案下的電位分布計算結果

目前產品設計中，優(yōu)化MOA電位分布特性主要從調節(jié)均壓環(huán)的尺寸結構和內部布置并聯(lián)均壓電容兩方面考慮。本文在不改變現(xiàn)有特高壓避雷器均壓環(huán)、法蘭等外部結構的前提下，通過調整MOA內部均壓電容量及布置方式來優(yōu)化其電位分布，這種方法能夠減少制造廠對現(xiàn)有產品的修改，降低制造廠的研發(fā)成本。

仿真計算按照產品設計的5種均壓電容器布置方案進行。各元件均并聯(lián)4柱均壓電容器，每柱由46個電容器串聯(lián)組成，每柱內單個電容器的電容量取值見表1。文獻[12]指出，均壓電容柱中的電容器排布結構對均壓效果有影響，電容器相對集中在電容柱中間，對電阻片電位分布改善效果最好。因此本文在建模時，將各電容器相對集中地布置在電容柱中間，具體布置方式見表2。

表1 Y20W-780/1526型MOA均壓電容配置方案Table 1 Structure parameters of the capacitors on Y20W-780/1526 type

表2 單個電容柱中電容器與鋁墊塊排布結構Table 2 Structure parameters of capacitor column

各方案下的電阻片電壓承擔率計算曲線見圖3和圖4。

MOA電位分布不均勻系數(shù)Kvi由電阻片電壓承擔率最大值Vimax與平均值之比表示，反映了MOA電位分布的均勻程度。由圖3和圖4可知，方案1-5的Kvi值依次為1.081、1.088、1.075、1.080、1.072?？傮w看5種方案的MOA電位分布趨勢近似：受高壓導線及均壓環(huán)電場分布影響，元件1下部至元件2中上部區(qū)域的電阻片電壓承擔率較其他區(qū)域高，MOA總體呈現(xiàn)出越遠離高壓端的電阻片電壓承擔率越低的趨勢，元件5中下端電阻片因受對地雜散電容影響電壓承擔率呈現(xiàn)小幅回升趨勢。方案2中元件3未并聯(lián)電容器，其他4種方案中元件1—3都并聯(lián)4柱電容器。方案2因元件3處無均壓電容，導致元件3中電阻片電壓承擔率較高，整體Kvi值也最大。方案3和方案5的電位分布相較于其他3種方案的電位分布更為均勻。方案5的電位分布不均勻系數(shù)Kvi較方案2小1.47%；方案5與方案3的Kvi十分近似，僅比方案3低0.28%，且方案5中使用的均壓電容量小于方案3，在工程上能更節(jié)省成本，因此本文選擇對樣機按照配置方案5進行試驗實測分析。

圖3 均壓電容布置方案1、2、4的MOA電位分布曲線Fig.3 The potential distribution cure of MOA with the grading shunt capacitors configuration scheme 1，2，4

圖4 均壓電容布置方案3、5的MOA電位分布曲線Fig.4 The potential distribution cure of MOA with the grading shunt capacitors configuration scheme 3，5.

3 試驗測試

試驗采用無線測量系統(tǒng)，可實現(xiàn)上位機與測量傳感器的雙向通訊，不需要復雜的安裝設備且不影響MOA的正常組裝，只需將入端阻抗遠小于電阻片阻抗的數(shù)字式傳感器插入MOA一柱電阻片之間，通過測量流過電阻片的全電流反映其電位，各電阻片的電流承擔率即代表其電壓承擔率。無線傳感器尺寸小、抗壓性能好，幾乎不改變被測MOA內部電場分布，測量系統(tǒng)結構原理見圖5。

圖5 無線測量系統(tǒng)結構圖Fig.5 The structure of wireless measurement system

試驗在一臺Y20W-780/1526型交流無間隙金屬氧化物避雷器樣機上進行，其額定電壓Ur為780 kV，持續(xù)運行電壓Uc為638 kV。試品結構見圖1，由5個避雷器元件串聯(lián)而成，與仿真計算采用的編號一一對應；避雷器總安裝高度約為13142 mm，單節(jié)元件高度均為2360 mm，底座高度為582 mm，第1、2節(jié)避雷器元件瓷套外徑630 mm，第3、4、5節(jié)元件瓷套外徑750 mm。

避雷器芯組為4柱電阻片并聯(lián)結構，每柱電阻片共218片，每片高度23 mm，將每節(jié)元件內電阻片分為5個單元。元件1、元件2中前3個單元均有9片電阻片，后兩個單元各8片，每節(jié)中一柱共43片；元件3、4、5中前4個單元均有9片電阻片，最后一個單元有8片，每節(jié)中一柱共44片，電阻片尺寸為?128 mm/?32 mm×23mm。避雷器元件1、2內各布置8個測量傳感器，元件3、4各布置7個測量傳感器，元件5內布置6個測量傳感器，整只避雷器共計36個測量傳感器。測量傳感器布置位置見圖6。

圖6 試品內部傳感器布置示意圖Fig.6 The layout schematic diagram of the internal sensor

Y20W-780/1526型MOA布置在高5.2 m、直徑630 mm的圓柱形金屬支架上，試驗區(qū)域30 m內無高于2 m的物品，以減小臨近效應對試驗結果的影響。試驗用變壓器、分壓器及避雷器以直線型排開。為減小測量誤差，測量時待到加載的持續(xù)運行電壓穩(wěn)定后再讀取電流傳感器的測量數(shù)據(jù)，盡量減小因電壓波動帶來的測量誤差。

4 試驗與仿真計算結果分析

試驗測得的Y20W-780/1526型MOA電阻片電流承擔率數(shù)據(jù)見表3。

表3 Y20W-780/1526型MOA（均壓方案5）電流承擔率測量結果Table 3 Test data of MOA current loading rate on Y20W-780/1526 type

電流承擔率最大值出現(xiàn)在元件2中上部的11號傳感器位置，其電流承擔率為108.1%。由于電流承擔率反映對應電阻片的電壓承擔率，依據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制MOA電阻片電壓承擔率曲線，并與前文中方案5計算曲線對比，如圖7所示。圖7中兩條電壓承擔率曲線的變化規(guī)律基本一致，11號傳感器的電壓承擔率與仿真計算中對應位置電阻片的電壓承擔率相對偏差為1.98%；元件2下端16號傳感器電壓承擔率測量值與對應位置電阻片計算值的相對偏差最大，其相對偏差值為7.32%。元件1、元件3及元件4的仿真計算值與試驗值吻合度較高，相對偏差在3.49%以內，元件5的仿真計算值與試驗值相對偏差稍大，在3.91%以內。

圖7 MOA電位分布計算值與試驗值比對曲線Fig.7 The comparison curve of the MOA potential distribution calculated values and test values

仿真計算時，電阻片的高度、相對介電常數(shù)等參數(shù)均假設是一致的，但實際中裝配整只UHV MOA所用的電阻片不可能完全相同，各參數(shù)有一定的變化區(qū)間。為準確分析Y20W-780/1526型MOA的電位分布，還應考慮電阻片任意組裝時電容分散性對電位分布的影響[22]。

式中：i=1，2，3，…，n取Kv最大值；Kv為 雜散電容引起的電壓分布不均勻系數(shù)；Ui為第i片電阻片兩端的電壓（折算成平均厚度）；Ci為第i片電阻片電容值（折算成平均厚度）；C—為電阻片的電容平均值（折算成平均厚度）；Uc為MOA的持續(xù)運行電壓；n為MOA中電阻片的片數(shù)。

將式（3）代入式（2）得：

式中：Ii為試驗測得的電流值；f為50 Hz。

根據(jù)表3中的試驗結果知，由雜散電容引起的電位分布不均勻系數(shù)Kvmax為0.081。

Kc為電阻片電容分散性引起的電壓分布不均勻系數(shù)，根據(jù)避雷器制造廠提供的試品電阻片電容量等數(shù)據(jù)，按照式（5）計算得Kc=0.015。整只避雷器的電壓分布不均勻系數(shù)計算如下：

即降低額定電壓至780 kV的Y20W-780/1526型交流特高壓電站中避雷器電位分布不均勻系數(shù)為1.1296。試驗結果滿足特高壓避雷器技術規(guī)范中規(guī)定的有均壓結構的避雷器電位分布不均勻系數(shù)不應大于1.15的要求[22]。

5 結論

避雷器電位分布的研究已經累積了許多成果，但因特高壓避雷器產品價值高、體積龐大、安裝復雜、試驗設備要求高等因素，其電位分布研究多見于仿真計算結果的報道，可對比參考的試驗實測數(shù)據(jù)很少。而降低額定電壓的特高壓避雷器電位分布特性更未見定量的報道。因此本文在限定不改變現(xiàn)有特高壓避雷器外形結構的基礎上，采用調整MOA內部并聯(lián)均壓電容配置，通過仿真計算和試驗實測兩種方式研究Y20W-780/1526型特高壓避雷器電位分布，得出以下結論：

1）Y20W-780/1526型避雷器電壓承擔率仿真計算曲線與試驗曲線變化規(guī)律基本一致。計算法與實測法所得電阻片最大電壓承擔率出現(xiàn)位置一致，電阻片最大電壓承擔率計算值與試驗值相對偏差為1.98%；兩種方法的電壓承擔率曲線中最大相對偏差為7.32%，出現(xiàn)在元件2下端位置。

2）考慮電阻片電容分散性對電位分布的影響，通過試驗及計算得出的Y20W-780/1526型MOA電位分布不均勻系數(shù)為1.1296，滿足工程技術規(guī)范要求，研究結果可為特高壓交流避雷器降低額定電壓設計提供參考。