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(1.華中電網(wǎng)有限公司，武漢 430000； 2.武漢大學電氣工程學院，武漢 430072)

0 引言

隨著輸電網(wǎng)絡的不斷擴展，由于雷擊線路而引起的事故也日益增多。據(jù)電網(wǎng)故障分類統(tǒng)計表明，在我國跳閘率比較高的地區(qū)，由雷擊引起的次數(shù)占總跳閘率的40%～70%，尤其在多雷、土壤電阻率高，地形復雜的地區(qū)，雷擊輸電線路引起的事故率更高，這給電力公司帶來了巨大的經(jīng)濟損失。

氧化鋅避雷器是目前應用最廣泛的高壓電網(wǎng)防雷設備，已應用到了電力系統(tǒng)的各個關鍵的部位，如輸電線路或變電站內(nèi)。隨著氧化鋅避雷器服役年限或者動作次數(shù)的增加，閥體機械、電氣性能會出現(xiàn)一定程度的老化[1]，通常需要對氧化鋅避雷器進行在線監(jiān)測。判斷避雷器狀態(tài)是否正常的重要方法是準確測定泄漏電流中的阻性電流分量，即確定阻性電流的增量[2，4]。由于高壓避雷器周圍帶電設備以及避雷器自身存在的部分電容電流干擾，目前已有的全電流法、諧波法、補償法和投影法等監(jiān)測技術無法準確測得泄漏電流中的阻性分量[5-10]。

筆者建立一種針對500 kV變電站母線避雷器雜散電容干擾電流計算的場路模型。利用Solidworks軟件首先建立母線避雷器及其相鄰帶電設備的幾何模型。導入到有限元軟件中進行靜電場仿真，得到與避雷器相關的雜散電容參數(shù)。將電容參數(shù)輸入至Matlab Simulink建立的阻容網(wǎng)絡模型中，通過路模型的仿真得到各相避雷器的全電流和相角。在預設避雷器狀態(tài)相同的情況下，仿真結(jié)果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)有相似結(jié)論。是一種計算復雜工況下避雷器電容干擾電流有效的方法，為避雷器泄漏電流阻性分量的準確測算提供參考思路。

1 有限元仿真

1.1 幾何模型

對某500 kV變電站避雷器及其相鄰帶電設備建模，建立了如下圖1所示避雷器工作環(huán)境幾何模型。

圖1 變電站避雷器工作環(huán)境幾何模型Fig.1 geometrical model of lightning arrester working condition in Substation

模型中避雷器采用三節(jié)，相鄰的電壓互感器采用四節(jié)。其它設備主要尺寸均參考變電站現(xiàn)場尺寸。

1.2 靜電場仿真模型

由避雷器阻容網(wǎng)絡模型[5-7，11，12]可知單節(jié)避雷器電容包含閥片的自電容、其它導體的自電容和各導體間的互電容。避雷器的自電容是氧化鋅閥片本體電容，同型號的避雷器采用相同閥片，各節(jié)避雷器的自電容的差別不超過2%[13-15]，基本一致，仿真計算單節(jié)避雷器本體電容即可。

單節(jié)避雷器的電場分布可近似認為是軸對稱場，符合工程近似，同時大大提高了計算的效率，計算模型如圖2所示。避雷器置于地面，由中心軸向外依次為閥片與金屬墊塊構成的閥體、密封氣室(N2)、瓷套、空氣。上下為連接法蘭。

圖2 單節(jié)避雷器計算模型Fig.2 A single section surge arrester calculation model

避雷器放置于地面，內(nèi)部閥片組含有5個金屬墊塊，上下金屬墊塊分別與避雷器上下法蘭等電位，中間三個金屬墊塊為懸浮電位。此時避雷器的電位分布滿足如下邊界條件。

在求解域內(nèi)：

(1)

φL0=f0(P)

(2)

(3)

(4)

在電位懸浮導體表面Sfm上(φmc是電位懸浮導體、m的表面Sfm上的數(shù)求電位值)：

(5)

1.3 靜電場仿真計算

靜電場仿真設置中，空氣層的相對介電常數(shù)常數(shù)設置為1，瓷套的相對介電常數(shù)設置為6，閥片的相對介電常數(shù)設置為750，導體設置等電位。避雷器電位分布如圖3所示，中心軸線的電位分布如圖4所示。

圖4中，避雷器下端法蘭和最下金屬墊片與地等電位，為0 V；上端法蘭和最上金屬墊片電位最大，為100 V；中部各金屬墊片等電位，金屬墊片間閥片電位近似均壓分布。避雷器外部(空氣中)的電位隨距離的增大而減小。仿真結(jié)果符合實際的單節(jié)避雷器電場特征，說明了仿真的正確性。

圖3 單節(jié)避雷器電位分布Fig.3 Potential distribution of single section arrester

圖4 軸線上的電位分布Fig.4 Potential distribution on the axis

通過仿真計算，最終得到單節(jié)避雷器閥片組的本體(自)電容為：50.1 pF。

1.4 避雷器導體系統(tǒng)互電容

將整體幾何模型導入有限元軟件中，建立如圖5所示的有限元仿真模型。

圖5 避雷器有限元仿真模型Fig.5 Finite element simulation model of lightning arrester

對避雷器及相鄰設備的帶電導體編號，左回線路A相母線及與其相連的避雷器頂端導體、均壓環(huán)、相鄰電壓互感器頂端導體為等電位導體1，避雷器節(jié)間連接法蘭為導體2、3，相鄰電壓互感器節(jié)間連接導體為19、20、21，其它各導體編號如圖6所示。

圖6 導體編號Fig.6 Conductors numbering

通過有限元靜電場仿真得到多導體系統(tǒng)部分電容參數(shù)，將左回線路A如圖7所示。母線及其相連導體對地電容較大，大于150 pF，圖中未畫出。右回線路的母線避雷器各導體的部分電容參數(shù)與左回線路完全對稱。

圖7 左回線路避雷器各導體的部分電容Fig.7 Part capacitance of conductors in left return line

由圖7所示，兩導體間的互部分電容與導體結(jié)構、形狀和位置有關。相鄰母線及其相連導體間的互電容最大，為30～32 pF。其它導體間互電容隨著導體相對表面的減小而減小，隨著距離的增大而減小。阻容網(wǎng)絡路模型中，忽略0.1 pF及以下的互電容，經(jīng)對比計算，仿真結(jié)果差別小于0.1%，證明了簡化的合理性。

2 Matlab Simulink路模型仿真

2.1 路模型的建立及分析

根據(jù)場仿真計算所得的電容參數(shù)，建立考慮雙母線、前后相鄰電壓互感器時的避雷器阻容網(wǎng)絡模型。對相似的路結(jié)構采用子模塊方式建模，共有三類模塊。

第一類模塊為單相避雷器模塊，如圖8所示。電壓表測量端電壓，電流表測量避雷器下端全電流。避雷器阻容網(wǎng)絡中的電容參數(shù)由靜電場仿真計算可得。避雷器每節(jié)的電阻，是包含避雷器閥片本體電阻和表面電阻的等效電阻。

圖8 單節(jié)避雷器阻容網(wǎng)絡模型Fig.8 Arrester resistor-capacitor network model

第二類模塊為電壓互感器模塊，其展開圖如圖9所示?？紤]到電容式電壓互感器每節(jié)的本體電容遠大于導體系統(tǒng)的部分電容(400倍以上)，因此本文在分析避雷器雜散電容影響時，認為電壓互感器各節(jié)是近似均壓的，且在路模型中不考慮PT自身導體間部分電容支路。

第三類模塊為互電容模塊，展開圖如圖10所示。圖示為A相和B相導體間的互部分電容。

將上述的子模塊連接組合，得到圖11所示的考慮雙母線避雷器和前后相鄰電壓互感器的避雷器路模型。

圖9 電壓互感器模型Fig.9 Voltage transformer model

圖10 部分電容模塊Fig.10 Partial capacitor module

圖11 避雷器全路模型Fig.11 Total lightning arrester circuit model

2.2 全電流仿真結(jié)果分析

當不考慮雙母線避雷器和前后相鄰避雷器(避雷器孤立三相系統(tǒng))時，仿真計算得到的全電流和相角數(shù)據(jù)如表1所示。

考慮雙回母線與相鄰帶電設備(PT)后，路模型仿真得到的避雷器的全電流有效值和相角，結(jié)果如表2所示。

表1和表2的避雷器參數(shù)完全一致，考慮的部分電容干擾情況不同，仿真結(jié)果與變電站避雷器監(jiān)測數(shù)據(jù)體現(xiàn)的趨勢相同，全電流的大小為IB

表1 避雷器全電流和相角Table 1 Total leakage current and phase angle of lightning arrester

表2 考慮雜散電容時避雷器全電流和相角Table 2 Total leakage current and phase angle of lightning arrester with stray capacitance

由表1和表2的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，雜散電容的情況越復雜，相應的避雷器三相的全電流和相角的規(guī)律也更復雜。以表1的數(shù)據(jù)為基準，考慮雙母線和電壓互感器雜散電容時的避雷器全電流和相角的變化情況如圖12所示。

圖12 考慮雜散電容時避雷器全電流和相角變化Fig.12 Total leakage current and phase angle change of lightning arrester with stray capacitance

在考慮了雙回母線和前后相鄰電壓互感器后，左回母線A相避雷器的電流增大，相角減?。蛔蠡啬妇€B相避雷器的電流增大，相角幾乎不變；左回母線C相避雷器的電流增大，相角減??；右回母線A相避雷器的電流減小，相角增大，右回母線B相避雷器的電流增大，相角減小，右回母線C相避雷器的電流增大，相角增大。

3 結(jié)論

1)變電站避雷器的工況復雜，現(xiàn)場全電流監(jiān)測設備不能全面考慮環(huán)境中雜散電容電流的干擾，由測得的全電流和相角數(shù)據(jù)分析計算的阻性電流有偏差。用阻容網(wǎng)絡模型仿真計算可全面考慮站內(nèi)各雜散電容影響，準確仿真計算干擾電流的影響，是一種有參考價值的分離干擾電容電流方法。

2)提出了針對某500 kV智能變電站避雷器耦合電容電流的場路仿真模型。此模型并不局限于500 kV高壓避雷器工況，同樣適用于其它類型和電壓等級的變電站避雷器工況，有一定的推廣價值。