（上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

500kV氧化鋅避雷器是電網(wǎng)系統(tǒng)中保護(hù)各種電力設(shè)備免受過電壓損壞的重要電氣設(shè)備，其中金屬氧化鋅電阻片是關(guān)鍵核心部件，由于氧化鋅電阻片在產(chǎn)品運(yùn)行過程中受雜散電容的影響，各電阻片所承受的電壓不均勻，承受電壓過高的閥片會(huì)導(dǎo)致其自身老化過程加速，進(jìn)而導(dǎo)致避雷器損壞，因此提高氧化鋅電阻片的電位均勻分布是解決高壓氧化鋅避雷器產(chǎn)品可靠性的重要問題。

均壓環(huán)是控制和調(diào)整避雷器電阻片電位分布的重要要措施之一，文獻(xiàn)[1,2]采用二維軸對(duì)稱建模，分析了瓷套式500kV氧化鋅避雷器的電壓分布，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析；文獻(xiàn)[3]采用有限元方法分析了安裝高度對(duì)瓷套式氧化鋅避雷器的電位分布的影響；文獻(xiàn)[4]指出有限元建模應(yīng)考慮高壓導(dǎo)線，忽略高壓導(dǎo)線會(huì)導(dǎo)致避雷器上部較高的最大電壓應(yīng)力，高壓導(dǎo)線的建模須在三維中才能實(shí)現(xiàn)。

針對(duì)上述出現(xiàn)的情況，筆者建立500kV氧化鋅避雷器的三維模型以考慮高壓導(dǎo)線的影響，計(jì)算了氧化鋅電阻片的等效介電常數(shù)，分析了隨均壓環(huán)高度和下端直徑變化對(duì)避雷器氧化鋅電阻片電位分布和電場的影響，為500kV和更高電壓等級(jí)的氧化鋅避雷器的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)參考。

1 均壓環(huán)模型

均壓環(huán)作為避雷器本體并聯(lián)元件，可以極大地改善避雷器整體電容值，降低雜散電容對(duì)氧化鋅電阻片分布不均勻的影響，圖1給出了某500kV氧化鋅避雷器的整體結(jié)構(gòu)和均壓環(huán)結(jié)構(gòu)的放大視圖，均壓環(huán)有三個(gè)關(guān)鍵尺寸：均壓環(huán)高度H、均壓環(huán)下端圈環(huán)直徑D和圓環(huán)自身的半徑r，由于端圈自身的半徑r主要影響均壓環(huán)的電場大小，對(duì)整個(gè)電容影響甚小，這里不展開討論。為了全面地考察均壓環(huán)高度H和下端圈直徑D對(duì)整個(gè)氧化鋅電阻片電位分布的影響，建立如表1所示的參數(shù)列表以考察每種情況下的電位分布情況。

圖1 500kV避雷器及均壓環(huán)結(jié)構(gòu)圖

表1 各種計(jì)算參數(shù)列表

2 計(jì)算仿真與分析

2.1 等效介電常數(shù)的計(jì)算

按照靜電場理論計(jì)算整個(gè)氧化鋅避雷器電阻片的電位和電場分布，首先應(yīng)明確各組成部件的相對(duì)常數(shù)，如式(1)所示[5]：

式中Φ為電位。

εr為相對(duì)介電常數(shù)。

ε0為真空介電常數(shù)。

然而實(shí)際上氧化鋅電阻片難于測量相對(duì)介電常數(shù)，電容量相對(duì)容易測量，可依據(jù)所測得的電容量計(jì)算反推獲得其相對(duì)介電常數(shù)，使其電阻片電容量與實(shí)測值相同。該型避雷器芯體所用電阻片尺寸為Φ93/Φ36×22.5，中心孔穿有絕緣棒，電阻片每兩片為1個(gè)單元，在每節(jié)末端單元為單片電阻片。圖2給出了在Ansysansoft模塊中建立的電阻片有限元模型，電阻片實(shí)測均值為2000PF，通過計(jì)算獲得相對(duì)等效介電常數(shù)為880。

圖2 計(jì)算等效介電常數(shù)的有限元模型

2.2 有限元模型

該型550kV氧化鋅避雷器本體由三節(jié)元件串聯(lián)組成，文獻(xiàn)[3]論述了基座高度對(duì)避雷器電阻片電壓分布的影響，因此這里有限元建模設(shè)定基座高度為2.5m以考慮基座高度的影響，設(shè)置高壓導(dǎo)線以考慮實(shí)際高壓導(dǎo)線的影響。模型前后對(duì)稱，取其一半模型進(jìn)行計(jì)算以減少計(jì)算量，最終形成的550kV氧化鋅避雷器的有限元模型如圖3所示。各種材料的相對(duì)介電常數(shù)如表2所示。

圖3 避雷器有限元模型（均壓環(huán)高度H=1520mm）

表2 各種材料的相對(duì)介電常數(shù)

高壓側(cè)施壓持續(xù)運(yùn)行電壓324kV，基座為0kV，需要注意的是避雷器各下法蘭及各金屬墊片、法蘭為各自等電位的浮動(dòng)電極。圖4給出了均壓環(huán)高度H為1520mm時(shí)，氧化鋅電阻片各電位分布和場強(qiáng)分布，場強(qiáng)最大值為1.4kV/mm，在均壓環(huán)的底端圓環(huán)處。

圖4 H=1520mm時(shí)避雷器電阻片電位和避雷器最大電場分布

3 均壓環(huán)高度和下端直徑變化的影響

3.1 高度變化對(duì)電位分布及電場的影響

電阻片電位分布不均勻系數(shù)可用下式表達(dá)：

每一節(jié)避雷器電阻片單元編號(hào)自上到下順次為1，2，3，…，25，共計(jì)25個(gè)電阻片單元組，前19組每個(gè)單元包含兩個(gè)電阻片，后6組每個(gè)單元包含1個(gè)電阻片。

圖5給出了不同均壓環(huán)高度下電阻片電壓偏差分布的情況，可見隨著均壓環(huán)高度的增加，其電壓分布偏差呈減少趨勢，當(dāng)H=1720mm，各電阻片單元的偏差率控制在15%以內(nèi)，這也是避雷器產(chǎn)品的電壓偏差型式試驗(yàn)的判據(jù)。理想的避雷器各節(jié)部件電位分布均為，各節(jié)部件末端電位為216kV，108kV和0kV，圖6給出了避雷器各節(jié)部件在不同均壓環(huán)高度下的電位分布情況，可見隨著均壓環(huán)高度的增加，其電壓分布越來越均勻，逼近理想電位分布曲線。

圖5 不同均壓環(huán)高度對(duì)電阻片電壓分布的影響

圖6 不同均壓環(huán)高度對(duì)電阻片電壓分布的影響（D=1720mm）

圖7給出了不同均壓環(huán)高度下氧化鋅避雷器最大場強(qiáng)分布情況，可見均壓環(huán)高度從1120mm增加到1720mm，避雷器場強(qiáng)最大值均分布在均壓環(huán)底端圓環(huán)上，場強(qiáng)值變化很小，其范圍從1.38kV/mm～1.46kV/mm。空氣中不發(fā)生電暈的場強(qiáng)安全值為2.5kV/mm，均符合要求。因此均壓環(huán)高度的變化對(duì)場強(qiáng)值的影響很小。當(dāng)然該高度不能無限增大，否則均壓環(huán)底端圓環(huán)到避雷器的其余各節(jié)部件的電氣距離減少會(huì)導(dǎo)致場強(qiáng)增加。

圖7 不同均壓環(huán)高度下電阻片避雷器最大場強(qiáng)值及分布（D=1720mm）

3.2 下端直徑變化對(duì)電位分布及最大電場強(qiáng)度的影響

圖8給出了不同均壓環(huán)底端直徑對(duì)電阻片電壓偏差分布的影響，可見底端直徑的變化對(duì)避雷器電阻片電壓偏差分布影響很小。值得注意的是底端圓環(huán)直徑不能任意減少，過小的圓環(huán)直徑由于底端圓環(huán)與法蘭電氣距離迅速減少，可引起電場強(qiáng)度增大，進(jìn)而出現(xiàn)嚴(yán)重電暈，甚至放電。

圖8 不同均壓環(huán)底端圓環(huán)直徑對(duì)電阻片電壓分布的影響（H=1320mm）

圖9 不同均壓環(huán)底端圓環(huán)直徑下電阻片避雷器最大場強(qiáng)值及分布（H=1320mm）

圖9給出了不同均壓環(huán)底端圓環(huán)下氧化鋅避雷器最大場強(qiáng)分布情況，可見均壓環(huán)底端圓環(huán)半徑從1570mm增加到1920mm，避雷器場強(qiáng)最大值均分布在均壓環(huán)底端圓環(huán)上，場強(qiáng)值變化很小，其范圍從1.40kV/mm 到1.42kV/mm。同樣這些場強(qiáng)值符合空氣中不發(fā)生電暈的場強(qiáng)安全值。注意該底端圓環(huán)直徑不可太小，否則電場會(huì)急劇增大。

4 結(jié)語

通過建立瓷套式500kV氧化鋅避雷器的三維有限元模型，在模型中考慮了高壓引線部分，首先計(jì)算了電阻片的等效介電常數(shù)，然后分別考察當(dāng)均壓環(huán)高度從1120mm增加到1920mm和當(dāng)?shù)锥藞A環(huán)直徑從1570mm增加到1920mm時(shí)，氧化鋅避雷器各電阻片的電位分布情況和避雷器最大電場強(qiáng)度分布情況，并進(jìn)行了對(duì)比分析，獲得如下結(jié)論，為超高壓和特高壓氧化鋅避雷器的設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和設(shè)計(jì)參考。

1）為了能實(shí)現(xiàn)避雷器電阻片電位的有限元計(jì)算，可由實(shí)測的電阻片電容量反推獲得避雷器電阻片的等效介電常數(shù)。

2）避雷器均壓環(huán)高度變化對(duì)電阻片電位分布有較大影響，對(duì)避雷器最大電場強(qiáng)度分布影響較?。弘S著避雷器均壓環(huán)高度增加，電阻片電位分布趨向均勻，電壓偏差率趨向減少，當(dāng)避雷器均壓環(huán)高度達(dá)到1920mm，各電阻片電壓偏差率均控制在15%，符合避雷器產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。隨著避雷器均壓環(huán)高度的增加，避雷器最大電場強(qiáng)度分布變化很小，最大值均分布在均壓環(huán)下端圓環(huán)上，其變化范圍很小，可忽略不計(jì)。

3）避雷器均壓環(huán)底端圓環(huán)對(duì)電阻片電位分布和避雷器最大電場強(qiáng)度的分布影響都較小：當(dāng)避雷器均壓環(huán)底端圓環(huán)直徑從1570mm增加到1720mm，電阻片電位分布變化很小，同時(shí)避雷器最大電場強(qiáng)度分布變化很小，最大電場強(qiáng)度值均分布在均壓環(huán)下端圓環(huán)上。