劉 尉，肖集雄，金 碩，楊 帥，高 萌，張園園

(1.湖北工業(yè)大學(xué)太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室，武漢 430068；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司技術(shù)培訓(xùn)中心，武漢 430079)

0 引 言

氧化鋅避雷器是電力網(wǎng)絡(luò)中最重要的過電壓防護裝置之一，在電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行中起著不可替代的作用。由于避雷器長期工作在戶外，受自然環(huán)境影響較大，可能引起設(shè)備內(nèi)部受潮，使避雷器電阻片的有功損耗增大，受潮嚴重時，可能會導(dǎo)致避雷器爆炸，對電力網(wǎng)絡(luò)運行的安全性構(gòu)成威脅。因此，對避雷器的受潮缺陷進行準(zhǔn)確診斷具有十分重要的意義[1-4]。

避雷器受潮會引起其泄漏電流等電氣參數(shù)的變化，現(xiàn)場也普遍借助這些電氣參數(shù)對避雷器的健康狀態(tài)進行判斷。在這方面，長沙理工大學(xué)的史志強等人結(jié)合試驗測量了受潮位置對避雷器電氣參數(shù)的影響[5]；武漢大學(xué)的阮江軍教授、杜志葉教授等人基于阻容網(wǎng)絡(luò)模型對氧化鋅避雷器泄漏電流測量的干擾因素進行分析，發(fā)現(xiàn)相間耦合干擾是影響測量準(zhǔn)確性的重要因素，并提出了消除相間干擾的方法[6-9]。避雷器出現(xiàn)受潮等缺陷時，泄漏電流以及材料參數(shù)的變化還會改變其發(fā)熱特性。因此，也可借助紅外測溫技術(shù)對避雷器的健康狀態(tài)進行診斷[10-14]。

實際工程應(yīng)用中，避雷器運行環(huán)境的復(fù)雜性給避雷器的帶電檢測工作增加了許多困難,如相鄰相與母線側(cè)的干擾等。因此，難以通過單一的特征量對避雷器的健康狀況進行準(zhǔn)確有效的評估。此外，現(xiàn)有避雷器缺陷特征的研究多基于實驗室中的試驗分析。但由于實驗室條件有限，難以提供足夠豐富的不同位置、不同程度的受潮樣本。針對上述問題，筆者以500 kV氧化鋅避雷器為研究對象，構(gòu)建了場路耦合仿真模型。通過采用Ansys數(shù)值仿真對避雷器不同受潮狀態(tài)下的缺陷特征進行了系統(tǒng)研究[15-18]，給出不同位置，不同程度受潮狀態(tài)下避雷器泄漏電流、相角、阻性電流及溫度分布的變化特征。在此基礎(chǔ)上，針對避雷器的健康狀態(tài)監(jiān)測及智能化故障診斷與識別提出了相關(guān)方法和建議。

1 計算模型

1.1 氧化鋅避雷器的等效電路

如圖1所示是某變電站用500 kV氧化鋅避雷器的三維模型圖與等效電路示意圖，由500 kV避雷器的三維模型圖可知，避雷器由均壓環(huán)、瓷套、法蘭金屬、氧化鋅電阻片、金屬墊片、絕緣棒、支柱等構(gòu)成。避雷器整體分為上、中、下3節(jié)，最下端的法蘭、支柱直接與大地相連。每節(jié)避雷器由42片直徑為102 mm的氧化鋅電阻片組成。

圖1 500 kV氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of 500 kV zinc oxide arrester

為準(zhǔn)確構(gòu)建避雷器的等效電路模型，需要考慮其內(nèi)部電阻片的伏安特性關(guān)系，通過對3片電阻片進行測量，得到電阻片的伏安特性關(guān)系如圖2所示。

圖2 氧化鋅電阻片伏安特性關(guān)系Fig.2 Volt ampere characteristic of ZnO varistor

由圖2可知，電阻片兩端的電壓與流過電阻片的電流呈非線性變化，電阻片的阻值隨著施加電壓的增大而逐漸減小。在持續(xù)運行電壓(約10.7 kV)作用下，電壓與電流的變化趨勢接近線性，此時避雷器運行于高阻區(qū)。考慮到正常工作時，按3節(jié)避雷器均勻分壓計算，每片電阻片分壓僅3.56 kV，故在持續(xù)工作電壓附近范圍內(nèi)，可以將避雷器等效成線性電阻和電容并聯(lián)的情況，經(jīng)過測量，避雷器每節(jié)電阻值取800 MΩ。

結(jié)合避雷器實際結(jié)構(gòu)，將避雷器每節(jié)等效成一個線性電阻與電容并聯(lián)的形式，以此構(gòu)建相應(yīng)的阻容等效電路如圖3所示。其中，Ci0(i=1,2,3)表示法蘭對地的自電容，Ri、Ci(i=1,2,3)表示氧化鋅電阻片的電阻和電容，Cij(i≠j,i,j=1,2,3)表示法蘭之間的互電容。

圖3 500 kV氧化鋅避雷器等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of 500 kV zinc oxide arrester

對于多導(dǎo)體的部分電容值的求取，通?？赏ㄟ^求得的靜電感應(yīng)系數(shù)矩陣進行數(shù)學(xué)變換獲得[19-20]。具體計算方法如下：假設(shè)有一導(dǎo)體數(shù)為n的多導(dǎo)體系統(tǒng)，可通過式(1)計算其電位系數(shù)矩陣：

(1)

式中，φm(m=1,2,…,n)表示導(dǎo)體m的電位，qm(m=1,2,…,n)分別為導(dǎo)體所帶電荷，αii(m=1,2,…,n)稱為導(dǎo)體的自電位系數(shù)，且αii>0αij(i≠j,i,j=1,2,…,n)稱為兩導(dǎo)體的互電位系數(shù)，且αij>0。

對式(1)中的線性方程組進行求解，得到式(2)：

(2)

式中，βij(i=1,2,…,n)稱為導(dǎo)體的自靜電感應(yīng)系數(shù)，且βii>0,βij(i≠j,i,j=1,2,…,n)稱為兩導(dǎo)體的互靜電感應(yīng)系數(shù)，且βij<0。

多導(dǎo)體系統(tǒng)的電場能量可通過下式計算：

(3)

式中，φk為第k個導(dǎo)體對地電壓，通過聯(lián)立(2)、(3)可以得到式(4)：

(4)

(5)

對于βij，給第i個導(dǎo)體施加電壓，其余導(dǎo)體設(shè)0電位，利用有限元法求解空間中的能量，根據(jù)式(4)即可得到βii；對于βij，則對第i，j個導(dǎo)體施加電壓，其余導(dǎo)體設(shè)0電位，利用有限元法求解空間中的能量，且代入已求出的βii，根據(jù)式(4)即可得到βij。由式(5)中的部分電容矩陣與靜電感應(yīng)系數(shù)矩陣之間的關(guān)系即可計算所需的電容參數(shù)。

1.2 氧化鋅避雷器的溫度場計算模型

通過對500 kV氧化鋅避雷器的等效阻容電路進行仿真分析，可以計算運行過程中所產(chǎn)生的電導(dǎo)損耗與介質(zhì)損耗，并以此作為熱源輸入，分析避雷器各部分的溫度分布特征。

對于溫度場而言，避雷器內(nèi)部電阻片柱上產(chǎn)生的熱量主要通過熱傳導(dǎo)的方式從內(nèi)部向外傳遞，當(dāng)傳熱過程處于穩(wěn)態(tài)時，傳熱過程與散熱過程達到動態(tài)平衡，此時溫度只與位置有關(guān)，不隨時間變化，相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達式為：

(6)

式中，q0為單位體積發(fā)熱率，單位為W/m2；k為導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m·K)。避雷器外表面與自然環(huán)境之間的熱量交換則以熱對流的形式進行，基本計算公式為牛頓冷卻公式：

q=hS(T-Tf)

(7)

式中，T和Tf分別為避雷器表面與外界空氣的溫度，S為避雷器表面積，h為對流換熱系數(shù)。避雷器工作時的傳熱過程如圖4[21]。

2 2 500 kV氧化鋅避雷器泄漏電流分析

2.1 泄漏電流計算值與測量值

以咸寧某變電站500 kV避雷器為例，基于電容計算的理論分析，可得到圖2中的部分電容參數(shù)如表1所示。

利用Matlab建立仿真電路模型，輸入計算得到的部分電容參數(shù)與電阻片自身的電容值與電阻值計算得到500 kV單相避雷器運行狀態(tài)下的泄漏電流值，結(jié)果如表2所示。表中還給出了各電氣參數(shù)的實測結(jié)果[22]。

理想狀態(tài)下，不考慮三相之間的電容干擾，每相的總電流與相角差均相等。由于實際運行的500 kV 避雷器呈一字型排列，受相間干擾與周圍帶電體的影響，流經(jīng)避雷器的泄漏電流會發(fā)生改變，其向量關(guān)系圖如圖5所示。

圖5 考慮干擾情況下的向量關(guān)系圖Fig.5 Vector relation graph considering interference

由向量圖可知，在考慮相間干擾的情況下，流經(jīng)A、B、C三相的泄漏電流均會發(fā)生偏移，由IA、IB、IC變?yōu)镮A′、IB′、IC′，且B相由于同時受到A、C兩相互成120°的干擾電容的影響，使B相發(fā)生偏移，但其偏移量最小，受影響程度較小，故選擇B相進行研究。通過進行計算數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)的對比，發(fā)現(xiàn)干擾情況下泄漏電流測量值小于無干擾情況下計算值，干擾情況下相角測量值小于無干擾情況下計算值，滿足：IB′

2.2 不同受潮程度避雷器泄漏電流分析

由于實驗室條件有限，難以全面模擬不同位置、不同受潮程度的避雷器樣本。針對這一問題，以仿真代替試驗進行分析。根據(jù)實測結(jié)果，電阻片在持續(xù)工作電壓范圍內(nèi)的電阻值為800 MΩ，定義該受潮狀態(tài)為0。在此基礎(chǔ)上定義設(shè)受潮狀態(tài)為n(n=0,1,2,…,15)時避雷器每節(jié)閥片電阻值為Rn=(800-50n)MΩ，n(n=0,1,2,…,15)?，F(xiàn)通過仿真計算得到不同位置，不同受潮程度下的特征量變化情況如圖6。

圖6 泄漏電流與受潮程度關(guān)系Fig.6 Relationship between leakage current and humidity

圖7 阻性電流與受潮程度關(guān)系Fig.7 Relationship between resistive current and humidity

由圖6～圖8可知，隨著避雷器受潮程度的增加，受潮節(jié)的電阻片電阻值逐漸減小，流經(jīng)避雷器的泄漏電流及阻性電流分量逐漸增加，由于避雷器的介質(zhì)損耗不斷增加，避雷器的相角會隨著受潮程度的增加而減小，且隨著受潮程度不斷加深，其增加或減少的速率也會不斷上升。同時，文獻[5]開展的500 kV避雷器不同受潮位置下各個電氣參數(shù)的試驗研究得到的全電流、阻性電流及相角的變化規(guī)律與上述結(jié)論相吻合，這也從側(cè)面證明了仿真模型是合理的。

圖8 相角與受潮程度關(guān)系Fig.8 Relationship curve between phase angle and humidity

3 500 kV氧化鋅避雷器溫度分布特征分析

依據(jù)上文建立的等效電路模型及其分析可知，受潮程度11對應(yīng)的位置為特征值變化曲線的拐點，研究意義較大，故分別計算出避雷器在正常狀態(tài)及受潮程度為11時每節(jié)的分壓值及相角如表3所示。

由表3可知，避雷器在正常狀態(tài)下，由于對地雜散電容的影響，靠近高壓側(cè)的部分分得更高的電壓，且由高壓側(cè)向低壓側(cè)依次遞減。當(dāng)避雷器存在受潮缺陷時，由于電容的存在，雖然電阻變化幅度較大，但整體阻抗值變化不大，因此受潮節(jié)所承擔(dān)的電壓略有降低，主要是相角的改變。而受潮節(jié)分壓和電阻值變化幅度的差異將會引起阻性電流的增加，相角顯著減小，介質(zhì)損耗增加，這與實際情況是一致的，因此可以推得，避雷器受潮時，受潮區(qū)域應(yīng)有局部過熱現(xiàn)象[23]。

表3 避雷器不同運行狀態(tài)下參數(shù)值Table 3 Partial voltage value of arrester under different working conditions

為獲取避雷器在正常運行及受潮時的溫度分布特征。根據(jù)實際結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的溫度場有限元仿真模型，通過調(diào)整網(wǎng)格尺寸并進行網(wǎng)格無關(guān)性驗證，保證精度滿足計算要求[24-25]。以表3中500 kV氧化鋅避雷器電路模型計算的相關(guān)參數(shù)，可以得到避雷器電阻片柱的電導(dǎo)損耗與介質(zhì)損耗并作為熱源代入溫度場中進行計算，進行溫度場分析[26-27]，在電阻片柱外表面沿徑向取一條路徑，將計算得到的溫度參數(shù)映射到該路徑上，則可得到內(nèi)部電阻片柱的溫度分布如圖9～圖13所示。

圖9 避雷器外表面溫度分布特征Fig.9 Temperature distribution characteristics of external surface of arrester

圖10 正常運行時電阻片柱溫度分布Fig.10 Temperature distribution of valve string in normal operation

圖11 上節(jié)受潮時電阻片柱溫度分布Fig.11 Temperature distribution of valve string when upper segment is damp

圖12 中節(jié)受潮時電阻片柱溫度分布Fig.12 Temperature distribution of valve stem when the middle segment is damp

圖13 下節(jié)受潮時電阻片柱溫度分布Fig.13 Temperature distribution of valve string when lower segment is damp

由圖9～圖10可知，避雷器在正常運行時，由于氧化鋅電阻片的高阻值，流過避雷器的泄漏電流極小，產(chǎn)生的損耗較少，避雷器的熱特征表現(xiàn)為整體輕微均勻發(fā)熱。由于瓷套的導(dǎo)熱性能較差，使得避雷器內(nèi)外的溫差較大，其內(nèi)部電阻片柱的溫升值遠遠大于外表面的溫升值。由于兩端法蘭金屬的散熱性能較好，使得電阻片柱的溫度分布呈現(xiàn)出中間高，兩端低的特征。

由圖9～圖13可知，當(dāng)避雷器受潮時，本體電阻值減小，導(dǎo)致流經(jīng)避雷器的泄漏電流增大，產(chǎn)生的損耗較大。受潮區(qū)域溫度明顯高于其他區(qū)域，其外表面有局部發(fā)熱現(xiàn)象，且上節(jié)受潮對于避雷器整體的影響更大。

為驗證上述仿真結(jié)果是否符合工程實際，通過與現(xiàn)場采集到的500 kV氧化鋅避雷器受潮狀態(tài)下的紅外熱像圖進行對比，如圖14所示，避雷器下節(jié)受潮時，受潮區(qū)域有局部發(fā)熱現(xiàn)象，這與仿真結(jié)果是吻合的。同時，文獻[28～30]基于紅外熱成像技術(shù)，開展的避雷器典型缺陷檢測的實驗研究也得到了類似結(jié)論。這從另外一個側(cè)面也證實了本研究仿真模型的合理性及相關(guān)結(jié)論的正確性。

圖14 500 kV避雷器下節(jié)受潮時紅外熱像圖Fig.14 Infrared thermal image of lower section of 500 kV arrester under damp condition

4 結(jié) 論

針對500 kV氧化鋅避雷器，分析其在正常運行及發(fā)生受潮時的泄漏電流，相角的變化情況以及溫度分布特征，并通過相關(guān)文獻及現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行驗證。得到結(jié)論如下：

1)避雷器受潮時，電阻片電阻值減小，流經(jīng)避雷器的泄漏電流增大，相角減小，介質(zhì)損耗增大。

2)避雷器受潮時，內(nèi)部電阻片柱溫升明顯高于瓷套外表面溫升，其溫度分布呈現(xiàn)中間高，兩端低的特點，受潮部位有局部過熱現(xiàn)象。

該仿真結(jié)果與相關(guān)試驗及現(xiàn)場實際情況一致，并從原理上解釋了氧化鋅避雷器受潮時泄漏電流變化及溫度分布差異的原因。本研究可為氧化鋅避雷器的受潮診斷提供參考。