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        受潮避雷器溫升分布特性仿真分析

        2021-01-21 07:37:02劉守文黎淑娟
        湖北電力 2020年5期

        曾 國(guó),王 曉,劉守文,劉 斌,張 崧,劉 波,隗 震,王 卓,黎淑娟

        (1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司黃石供電公司,湖北 黃石435000;2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司,湖北 武漢430074;3.南瑞集團(tuán)有限公司(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司),湖北 武漢430074;4.哈爾濱供電公司,黑龍江 哈爾濱150006)

        0 引言

        金屬氧化鋅避雷器(MOV)作為一種釋放過(guò)電壓能量的裝置,連接于導(dǎo)線與地之間,與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián),可保護(hù)發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等免受操作過(guò)電壓及雷電過(guò)電壓的侵害,因此,大量的避雷器被投入電網(wǎng)運(yùn)行[1-4]。避雷器性能的優(yōu)劣關(guān)系著電網(wǎng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定[5-6],所以對(duì)于投運(yùn)時(shí)間過(guò)久的避雷器,掌握其運(yùn)行狀態(tài)(是否存在受潮、老化現(xiàn)象或氧化鋅電阻片的非線性發(fā)生變化等)至關(guān)重要。

        受潮、老化、短路和異常運(yùn)行等事件是避雷器發(fā)生絕緣故障的主要原因[1],其中避雷器電阻片受潮主要由密封不嚴(yán)和制造工藝問(wèn)題引起,使得流過(guò)避雷器的泄漏電流異常增大,即導(dǎo)致電阻片有功損耗增大,可能造成熱擊穿或爆炸[7];另外,避雷器長(zhǎng)期運(yùn)行的過(guò)程中,由于雜散電容的存在或短路的發(fā)生使得避雷器電阻片上電位分布不均勻,導(dǎo)致部分電阻片承受過(guò)高電壓,引起發(fā)熱,同時(shí),也會(huì)使避雷器的伏安特性發(fā)生相應(yīng)改變,進(jìn)而引起電阻片老化[8-10];除此之外,異常運(yùn)行會(huì)引起避雷器表面電位不相等,導(dǎo)致避雷器內(nèi)外形成較大的電勢(shì)差,造成避雷器內(nèi)部局部放電[11],甚至損壞,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[12]。

        避雷器能否可靠運(yùn)行,是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要因素。而對(duì)運(yùn)行中的避雷器進(jìn)行狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)是保證其安全運(yùn)行的重要手段。紅外檢測(cè)技術(shù)具有不停電、不取樣、不接觸、成本低、實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的故障診斷[13-15]。因此,基于紅外熱像檢測(cè)技術(shù),對(duì)避雷器的故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),對(duì)有效延長(zhǎng)避雷器的使用壽命、降低人力成本和物力損失具有重要意義。關(guān)于避雷器溫度場(chǎng)的計(jì)算,1980 年Tominage 等[16]假設(shè)電阻片功率損耗為溫度的指數(shù)函數(shù),外套散熱為溫度的線性函數(shù),利用發(fā)-散熱曲線分析了避雷器的平衡狀態(tài);Lat 等[17]為了分析避雷器的熱特性,提出了用類(lèi)似求解電路的方法對(duì)由熱壓源、熱阻和熱容組成的熱路模型進(jìn)行近似計(jì)算,熱路各組成部分對(duì)應(yīng)避雷器的各元件。目前,對(duì)避雷器溫升的計(jì)算主要基于試驗(yàn)[18-19]和熱路模型法[20]。近年來(lái),隨著數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展,有限元法、熱電耦合法在電氣設(shè)備的溫度場(chǎng)計(jì)算中得到了廣泛的應(yīng)用[21-25]。

        何金良等利用有限元法計(jì)算了合成套ZnO限壓器的二維溫度場(chǎng);楊雅倩等利用有限元法對(duì)500 kV 及1 000 kV 變電站用氧化鋅避雷器模型進(jìn)行熱電耦合,仿真計(jì)算了MOV在正常工況、閥片老化及受潮3種情況下的電位、場(chǎng)強(qiáng)及溫度分布,通過(guò)綜合分析電位、場(chǎng)強(qiáng)及溫度分布判別避雷器的絕緣狀態(tài);張丕沛根據(jù)500 kV 和1 000 kV 變電站用及800 kV 直流母線避雷器實(shí)際結(jié)構(gòu),搭建了三維有限元計(jì)算模型,分析了避雷器不同位置短路及不同節(jié)受潮時(shí)的電位分布;楊青利用有限元法分析了MOA外表面的溫度分布規(guī)律,同時(shí)考慮了環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等因素對(duì)避雷器內(nèi)部傳熱及外表面溫度分布的影響;溫慧等結(jié)合避雷器熱傳遞過(guò)程,闡述了有限元法計(jì)算避雷器溫度場(chǎng)的原理,針對(duì)新型避雷器模型進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真,分析了避雷器的溫度分布和散熱規(guī)律[26-30]。

        綜上所述,雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)MOV溫升特性開(kāi)展了大量研究,但針對(duì)受潮程度對(duì)避雷器溫升的影響缺乏系統(tǒng)的研究。因此有必要對(duì)避雷器在不同受潮故障類(lèi)型下的溫升特性開(kāi)展系統(tǒng)研究,從而為避雷器運(yùn)行狀態(tài)的紅外熱像診斷提供理論依據(jù)。

        1 避雷器溫升計(jì)算方法

        針對(duì)500 kV 變電站用氧化鋅避雷器,采樣電-熱耦合方法,仿真分析氧化鋅避雷器不同位置受潮時(shí)的溫升特性,具體計(jì)算流程如圖1所示。

        圖1 氧化鋅避雷器穩(wěn)態(tài)溫度仿真計(jì)算流程Fig.1 Steady state temperature simulation calculation process of Zinc oxide arrester

        電磁場(chǎng)分析的要點(diǎn)是麥克斯韋方程組,其描述了變化的電場(chǎng)會(huì)激發(fā)磁場(chǎng),而變化的磁場(chǎng)也會(huì)感應(yīng)產(chǎn)生電場(chǎng),電場(chǎng)、磁場(chǎng)不是獨(dú)立的,它們彼此相互聯(lián)系、相互影響進(jìn)而構(gòu)成一個(gè)統(tǒng)一體,即電磁場(chǎng)。麥克斯韋方程組微分形式為:

        當(dāng)要分析的電磁場(chǎng)接近于穩(wěn)態(tài)時(shí),位移電流密度與傳導(dǎo)電流密度的值比較起來(lái)可以完全被忽略,即忽略由變化的電場(chǎng)產(chǎn)生的磁場(chǎng),則麥克斯韋方程組(1)表示為:

        引入輔助方程:

        式(3)中:σ為避雷器電阻片的電導(dǎo)率,S/m。

        把電場(chǎng)強(qiáng)度E 作為待求解物理量,則避雷器在正弦時(shí)變場(chǎng)中電場(chǎng)的傳播過(guò)程為:

        由于功率損耗為計(jì)算溫升的“熱源”,則避雷器電阻片單位面積功率損耗P可表示為:

        對(duì)于避雷器穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的傳熱分析,根據(jù)傳熱學(xué)理論,避雷器的熱傳導(dǎo)過(guò)程包括:電阻片、套管、環(huán)氧管、傘裙、法蘭等固體之間的導(dǎo)熱和法蘭、傘裙與環(huán)境之間的自然對(duì)流換熱,而避雷器的熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律:

        2 避雷器模型及參數(shù)設(shè)置

        本文采用型號(hào)為Y20W-444/1106 的500 kV 氧化鋅避雷器模型。MOV主要組成部分有:電阻片、套管、環(huán)氧管、硅橡膠傘裙、法蘭(A、B、C、D)、均壓環(huán)等,其材料屬性見(jiàn)表1所示。為具體研究避雷器內(nèi)外部溫升分布特性,后續(xù)主要取電阻片軸向路徑m-n 和避雷器外表面路徑fs 兩條路徑進(jìn)行分析。氧化鋅避雷器模型、主要組成部分以及路徑如圖2所示。

        圖2 氧化鋅避雷器模型、組成部分、路徑示意圖Fig.2 Zinc oxide arrester model,components and path diagram

        時(shí)諧場(chǎng)計(jì)算時(shí),采用軸對(duì)稱模型進(jìn)行分析,避雷器各組成部分相對(duì)介電常數(shù)及電阻率的設(shè)置如表1所示,對(duì)法蘭A 及均壓環(huán)加載正弦交流電壓,幅值為500/ 3 × 2 kV,頻率為50 Hz,法蘭D 加載0 V;通過(guò)時(shí)諧場(chǎng)計(jì)算獲得電阻片熱功率后,以電阻片產(chǎn)生的熱功率作為發(fā)熱源,計(jì)算避雷器的溫度場(chǎng),環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃,MOV 外表面的對(duì)流換熱系數(shù)取4 W/(m2·℃)。

        表1 避雷器電-溫度場(chǎng)仿真材料屬性Table 1 Material properties of arrester's electrical-temperature field simulation

        3 避雷器溫升計(jì)算

        3.1 正常條件下避雷器溫升特性

        正常條件下,避雷器的溫度分布如圖3所示,最高溫度為20.011 7 ℃,溫升僅為0.011 7 ℃,可見(jiàn)在正常運(yùn)行情況下,避雷器的溫升較低;相關(guān)研究表明:330~500 kV 的MOV 在最高運(yùn)行電壓下可能出現(xiàn)的最高溫升一般不超過(guò)4.0~5.3 ℃。

        圖3 正常避雷器的溫度分布Fig.3 Normal temperature distribution of arrester

        圖4為避雷器電阻片路徑m-n和外表面路徑fs上的溫度分布,由圖4可知:避雷器上節(jié)電阻片整體溫度高于下兩節(jié),最大溫度約為20.01153 ℃,這是因?yàn)楸芾灼鲗?duì)地存在雜散電容,使得靠近高壓端的上節(jié)電阻片承受的電壓較高,有功損耗更大,導(dǎo)致上節(jié)電阻片的整體溫度更高;3節(jié)電阻片中,溫度最大值均出現(xiàn)在中間位置且向兩端減小,這是由于電阻片兩端的法蘭散熱效果較好,故靠近法蘭的電阻片溫度較低。避雷器外表面法蘭溫度明顯高于傘裙,最大溫度為20.007 ℃,且上節(jié)避雷器兩端法蘭A 和B 的溫度更高,避雷器內(nèi)部的溫升約是外表面溫升的1.6倍。

        圖4 路徑m-n和fs上的溫度分布Fig.4 Temperature distribution on paths M-N and FS

        3.2 故障設(shè)置方法

        當(dāng)MOV因各種原因造成內(nèi)部受潮時(shí),會(huì)導(dǎo)致電阻片側(cè)面或瓷套內(nèi)壁沿面放電,引起局部輕度發(fā)熱,嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生沿面閃絡(luò)。在避雷器受潮早期,水分進(jìn)入避雷器內(nèi)部,使得流過(guò)避雷器的泄漏電流增大,導(dǎo)致避雷器溫度升高;當(dāng)避雷器嚴(yán)重受潮時(shí),電阻片的電導(dǎo)率增大,使流過(guò)MOV 的阻性電流分量接近或超過(guò)容性電流,從而導(dǎo)致溫度升高。為此,將避雷器的受潮程度分為:輕度受潮和嚴(yán)重受潮兩種情況。當(dāng)避雷器輕度受潮時(shí),大量水珠以水帶的形式凝結(jié)在電阻片表面,輕度受潮的避雷器經(jīng)過(guò)適當(dāng)處理還可以繼續(xù)使用;當(dāng)避雷器嚴(yán)重受潮時(shí),電阻片的電阻將會(huì)減小,避雷器嚴(yán)重受潮節(jié)的電阻約減小99.3%,嚴(yán)重受潮的避雷器應(yīng)立即采取措施消缺或退出運(yùn)行。

        為了模擬MOV輕度受潮時(shí)的溫升特性,將厚度為3 mm 的圓環(huán)形水帶附著在電阻片表面,其模型如圖5示。根據(jù)規(guī)程:正常運(yùn)行時(shí),35 kV及以上避雷器絕緣電阻應(yīng)不低于2 500 MΩ,為了模擬MOV嚴(yán)重受潮時(shí)的溫升特性,取電阻片電阻約為0.23 MΩ。

        圖5 避雷器輕度受潮時(shí)的水膜模型Fig.5 Water film model of arrester under mild damp

        3.3 輕度受潮時(shí)避雷器溫升結(jié)果

        當(dāng)MOV輕度受潮時(shí),得到避雷器的溫度分布如圖6 所示,可明顯看出,受潮節(jié)電阻片的溫度較正常節(jié)高;避雷器上、中、下3 節(jié)分別受潮時(shí)的最高溫度分別為23.864 2 ℃、21.221 ℃、20.982 7 ℃,溫升分別為3.864 2 ℃、1.221 ℃、0.982 7 ℃,上節(jié)受潮時(shí)的溫升最大。整體來(lái)看,輕度受潮時(shí)避雷器的溫升較小,其最大溫升在允許的最高溫升之內(nèi),可認(rèn)為輕度受潮對(duì)避雷器的溫升影響較小。

        圖6 避雷器輕度受潮時(shí)的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of arrester under mild damp

        避雷器電阻片路徑m-n和外表面路徑fs上的溫度分布如圖7所示,當(dāng)避雷器上、中、下3節(jié)分別受潮時(shí),避雷器內(nèi)部最大溫升分別為3.83 ℃、1.21 ℃、0.97 ℃,避雷器外表面上最大溫升分別為2.186 ℃、0.441 ℃、0.574 ℃,避雷器內(nèi)部最高溫升是外表面溫升的1.69~2.74 倍;當(dāng)避雷器上節(jié)受潮時(shí),法蘭A、B 上的溫度升高,法蘭A 上溫升最大,約為2.186 ℃;中節(jié)受潮時(shí),法蘭B、C 上溫升增加,兩者的溫升差14.3%;下節(jié)受潮時(shí),法蘭C、D 上溫升增大,法蘭D 上溫升最大,溫升值約為0.574 ℃。

        圖7 路徑m-n和fs上的溫度分布Fig.7 Temperature distribution on paths M-N and FS

        3.4 重度受潮時(shí)避雷器溫升結(jié)果

        當(dāng)避雷器嚴(yán)重受潮時(shí),得到避雷器溫度分布如圖8所示,避雷器上、中、下3節(jié)分別受潮時(shí)的最大溫度分別為62.481 ℃、39.6393 ℃、31.3607 ℃,溫升分別為42.481 ℃、19.639 3 ℃、11.360 7 ℃,上節(jié)受潮時(shí)溫升最明顯。避雷器嚴(yán)重受潮時(shí)溫度明顯增大,可見(jiàn)嚴(yán)重受潮對(duì)避雷器的溫升影響較大。

        圖9為避雷器電阻片路徑m-n和外表面路徑fs上的溫度分布,當(dāng)避雷器上、中、下3節(jié)分別嚴(yán)重受潮時(shí),避雷器內(nèi)部最大溫升分別為42.32 ℃、19.5 ℃、11.26 ℃,外表面最大溫升分別為24.227 ℃、7.095 ℃、6.595 ℃,避雷器內(nèi)部溫升是外表面溫升的1.71~2.75倍;當(dāng)避雷器上節(jié)受潮時(shí),法蘭A、B上的溫度升高,法蘭A 上溫升最大,且其溫升值較大,為24.227 ℃;中節(jié)受潮時(shí),法蘭B、C 上溫升增加,兩者的溫升差15.7%;下節(jié)受潮時(shí),法蘭C、D 上溫升增大,法蘭D 上溫升最大,其溫升值為6.595 ℃。

        圖8 避雷器重度受潮時(shí)的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of arrester under severe damp

        圖9 路徑m-n和fs上溫度分布Fig.9 Temperature distribution on paths M-N and FS

        3.5 小結(jié)

        如圖10 所示,避雷器輕度受潮時(shí),電阻片上的最高溫升為3.83 ℃,與正常電阻片上的溫升0.01153 ℃相比,溫升較??;重度受潮時(shí),電阻片上最高溫度為42.32 ℃,與正常電阻片上的溫升相比,溫升非常明顯。當(dāng)避雷器輕度受潮時(shí),上節(jié)受潮時(shí)內(nèi)部溫升比其他兩節(jié)受潮時(shí)高2.6 ℃~2.8 ℃;當(dāng)避雷器嚴(yán)重受潮時(shí),上節(jié)受潮時(shí)內(nèi)部溫升比其他兩節(jié)受潮時(shí)高22.8~31.1 ℃,表明上節(jié)受潮時(shí)引起的溫升更為明顯。

        圖11為正常與受潮時(shí)避雷器外表面的溫升變化。當(dāng)避雷器上節(jié)、中節(jié)、下節(jié)輕度受潮時(shí),外表面最大溫升分別約為2.186 ℃、0.441 ℃、0.574 ℃,雖然與正常避雷器外表面溫升0.007 ℃相比,溫升并不是很明顯,但該溫升仍在紅外熱像儀的檢測(cè)精度范圍之內(nèi),若能采用相關(guān)措施提高紅外檢測(cè)技術(shù)的精度,可對(duì)輕度受潮故障進(jìn)行檢測(cè)。

        圖10 路徑m-n上溫度對(duì)比Fig.10 Temperature comparison on path M-N

        圖11 路徑fs上溫度對(duì)比Fig.11 Temperature comparison on path FS

        而當(dāng)避雷器上、中、下3 節(jié)分別嚴(yán)重受潮時(shí),外表面的最大溫升分別為24.227 ℃、7.095 ℃、6.595 ℃,與正常避雷器外表面溫升相比,溫升增大極為明顯,采用紅外檢測(cè)可有效判斷避雷器的重度受潮缺陷。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文從理論上分析了避雷器溫度分布特性,結(jié)合500 kV典型避雷器參數(shù)搭建仿真模型,設(shè)置故障模型等效受潮避雷器,并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明,正常避雷器及受潮避雷器在溫升分布上存在明顯差異。通過(guò)避雷器外表面溫升的變化及整體溫升分布,可檢測(cè)避雷器各節(jié)的受潮情況,但針對(duì)輕度受潮溫升分部差別不大,需采用相關(guān)措施提高紅外的檢測(cè)精度。相關(guān)結(jié)論可為后續(xù)避雷器組紅外檢測(cè)缺陷診斷提供理論依據(jù)。

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