李鵬飛，張 皓，馬國慶，段玉兵，劉均鵬

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；2.國網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司，山東 濟南 271100）

0 引言

避雷器是一種過電壓防護設(shè)備，用來限制電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的雷擊過電壓以及操作過電壓，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，其安全運行直接影響電網(wǎng)運行安全［1-2］。氧化鋅避雷器具有良好的非線性電阻特性，同時由于其防護性能高、通流容量大、工作原理簡單，被廣泛應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備的過電壓防護［3-4］。

自氧化鋅避雷器出現(xiàn)以來，其生產(chǎn)制造工藝不斷提升，已在電力系統(tǒng)中進行了大規(guī)模應(yīng)用。目前，山東省內(nèi)僅220 kV 變電站進、出線電纜終端避雷器就已接近2 000 組，最大運行年限已超過30 年。避雷器長期工作在工頻電壓下，并承擔間歇性過電壓，再加上避雷器內(nèi)部受潮等因素影響，避雷器閥片的絕緣性能逐漸下降，造成避雷器的泄漏電流增大。持續(xù)作用的泄漏電流會產(chǎn)生熱效應(yīng)，造成避雷器性能進一步劣化，最終導(dǎo)致避雷器故障，甚至造成電網(wǎng)事故［5-8］。有數(shù)據(jù)表明，避雷器受潮事故數(shù)量占氧化鋅避雷器總事故數(shù)量的六成以上［9］。近年來，隨著最早投運的一批避雷器運行年限接近、甚至已經(jīng)達到設(shè)計壽命，各地避雷器故障數(shù)量呈現(xiàn)逐年增多的狀態(tài)。2020 年2 月份，山東省某變電站發(fā)生一起出線電纜終端避雷器絕緣擊穿故障，造成一臺220 kV變壓器跳閘。

氧化鋅避雷器泄漏電流可直接反映避雷器絕緣狀態(tài)［10］，因此，研究氧化鋅避雷器的泄漏電流特性，對掌握高壓電纜終端避雷器健康狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)避雷器的絕緣劣化趨勢，保障電網(wǎng)安全具有重要意義［11-15］。

對于體積龐大的高壓電力設(shè)備，通過試驗手段對其性能進行分析，耗費時間長，某些破壞性試驗所需成本較高，且人身安全難以保障。選擇高效、準確、可靠性高的仿真計算方法是進行問題分析的主流、廣泛手段［16］。目前，避雷器電磁特性研究采用的數(shù)值計算方法主要包括有限元法、模擬電荷法以及邊界元法等［17］。模擬電荷法計算量小且精度較高，但對建模人員經(jīng)驗要求較高；邊界元法在處理存在多種介質(zhì)的場域問題時，求解規(guī)模限制較大。而有限元方法由于方便可靠、精度較高的特點，成為電氣設(shè)備電磁特性分析的主流選擇。

目前的避雷器有限元仿真建模大都采用計算避雷器電位分布的手段計算避雷器泄漏電流特性［18-20］，不能獲取避雷器泄漏電流的時域分布特性，計算精度較低。為獲得不同健康狀態(tài)避雷器的泄漏電流時域分布特性，首先通過試驗獲得不同受潮狀態(tài)避雷器非線性電導(dǎo)率曲線，并搭建避雷器的有限元時域仿真計算模型。為驗證模型有效性，計算了220 kV 避雷器分別在交、直流電壓作用下泄漏電流的時域分布特性，并進行了試驗驗證。仿真分析某型220 kV 避雷器在不同受潮狀態(tài)下的泄漏電流特性，為避雷器健康狀態(tài)評估與預(yù)警提供參考。

1 氧化鋅避雷器等效電路

氧化鋅避雷器由多個氧化鋅閥片（由ZnO 晶粒構(gòu)成）組成，圖1 所示為氧化鋅避雷器的等值電路。在該等值電路中，L為氧化鋅避雷器的自身電感，R0為避雷器的線性電阻，C0為氧化鋅避雷器的電荷電容與位移極化電容之和，C1與R1、C2與R2分別為兩個有損極化過程的吸收支路，R為氧化鋅避雷器的泄漏電阻。

圖1 氧化鋅避雷器等值電路

氧化鋅避雷器處于小電流工作區(qū)域時，電感L，電容C1、C2與電阻R1、R2的作用可以忽略不計。因此在交流小電流工作區(qū)域范圍內(nèi)，避雷器的簡化等值電路可以看作是線性電容C與非線性電阻R相并聯(lián)，如圖2所示。

圖2 氧化鋅避雷器簡化等值電路

由圖2 可以看出，氧化鋅避雷器的泄漏電流分為阻性分量和容性分量兩個部分。對應(yīng)的阻性泄漏電流IR和容性泄漏電流IC可分別表示為：

在電力系統(tǒng)運行電壓下，當氧化鋅避雷器受潮或劣化以后，避雷器閥片絕緣電阻會逐漸減小，而閥片電容不會明顯變化。為了更詳細地掌握避雷器劣化狀態(tài)對其泄漏電流特性的影響，搭建了氧化鋅避雷器的有限元時域仿真計算模型。

2 避雷器有限元時域仿真模型

2.1 有限元模型搭建

避雷器的泄漏電流可以通過求解電磁場的邊值問題獲得。首先需要確定邊值問題的求解域，包含避雷器域與空氣域兩部分。某型220 kV高壓電纜座式無間隙氧化鋅避雷器由上下2 節(jié)避雷器構(gòu)成，每節(jié)避雷器高1 134 mm，內(nèi)裝有21 片氧化鋅閥片。由于避雷器具有軸對稱結(jié)構(gòu)，為了降低有限元仿真的計算量，按照避雷器實際尺寸構(gòu)建了二維軸對稱幾何模型如表1 所示，并限定了求解域的邊界，如圖3、圖4所示。

圖3 二維邊值問題求解域

圖4 單節(jié)避雷器的結(jié)構(gòu)

表1 模型結(jié)構(gòu)尺寸及材料屬性

對求解域列寫Maxwell方程組為

當空氣域尺寸足夠大（不小于避雷器尺寸的5倍）時，可近似認為空氣域邊界附近的電場方向與邊界平行，邊值問題的邊界條件如式（5）所示，n→為求解域邊界的法向矢量。

2.2 受潮模型

避雷器發(fā)生受潮或劣化后，閥片電導(dǎo)率會增大，泄漏電流阻性分量會上升，但容性分量不會出現(xiàn)明顯變化。因此，在構(gòu)建的避雷器模型中，認為氧化鋅閥片的介電常數(shù)ε為定值。

A、B 兩節(jié)避雷器是同批次生產(chǎn)的兩節(jié)避雷器。對兩節(jié)避雷器分別施加直流電壓，并記錄在不同電壓水平下的泄漏電流。避雷器A 流過1 mA 直流電流時，參考電壓為151.7 kV，在0.75 倍1 mA 直流參考電壓下的泄漏電流為21 μA，滿足規(guī)程值要求（＜50 μA）；避雷器B直流1 mA參考電壓為152.4 kV，0.75 倍直流1 mA 參考電壓下的泄漏電流為49 μA，內(nèi)部閥片疑似受潮。利用兩節(jié)避雷器的非線性電導(dǎo)率γA、γB，對受潮程度不同的避雷器電導(dǎo)率進行模擬，搭建了避雷器受潮模型為

式中：a為表征避雷器受潮程度的參數(shù)，當a=0 時，避雷器未受潮，a越大，避雷器受潮程度越高。

圖5 所示為不同受潮程度下的避雷器的電導(dǎo)率與電場強度對應(yīng)關(guān)系曲線。可以看到，當電場強度小于9.5×104V/m 時，不同受潮程度的避雷器非線性電導(dǎo)率差別不大，當電場強度超過9.5×104V/m時，隨著避雷器受潮程度加深，電導(dǎo)率迅速攀升。

圖5 避雷器電導(dǎo)率與電場強度關(guān)系曲線

2.3 模型驗證

為了驗證仿真模型的有效性，對A、B 兩節(jié)避雷器施加直流電壓與交流電壓，將測得的泄漏電流與仿真結(jié)果進行了對比。

1）直流激勵。

通過直流加壓試驗獲得A、B 兩節(jié)避雷器在不同直流電壓下的泄漏電流值。利用搭建的模型計算了兩節(jié)避雷器的直流泄漏電流，與試驗值基本一致，如圖6 所示；計算了避雷器的直流1 mA 參考電壓U1mA，以及0.75 倍1 mA 直流參考電壓下的泄漏電流，如表2所示。

圖6 避雷器的V-I特性曲線

表2 避雷器直流試驗與仿真計算結(jié)果

2）交流激勵。

對避雷器B 施加幅值Um=180 kV（220 kV 系統(tǒng)電壓相電壓幅值）與Um=238 kV（220 kV 避雷器持續(xù)運行電壓幅值）的工頻50 Hz 交流電壓，利用阻性泄漏電流測試儀測量了避雷器泄漏電流的峰值與有效值，并與仿真模型計算結(jié)果進行了對比，如表3 所示?？梢钥吹?，仿真值與實測值基本一致，最大誤差在+10%以內(nèi)。圖7 所示為利用模型計算得到的不同電壓水平下，避雷器B 的泄漏電流全電流、容性分量與阻性分量。

表3 避雷器交流泄漏電流對比

圖7 避雷器B交流泄漏電流

3 泄漏電流特性分析

避雷器的健康狀態(tài)可以通過泄漏電流的大小直接反映出來。為了掌握健康狀態(tài)不同的避雷器的泄漏電流特性，及時發(fā)現(xiàn)避雷器設(shè)備的絕緣劣化趨勢，對避雷器的交、直流泄漏電流進行了仿真分析。利用式（6）模擬受潮程度不同的避雷器電導(dǎo)率。

3.1 直流泄漏電流特性

對不同受潮狀態(tài)下的避雷器施加0.75 倍的直流1mA 參考電壓，仿真得到了受潮程度不同避雷器的直流泄漏電流，如圖8 所示?？梢钥吹奖芾灼魇艹痹絿乐?，直流泄漏電流越大。規(guī)程要求，氧化鋅避雷器在0.75 倍直流1 mA 參考電壓下的泄漏電流不得大于50 μA。仿真結(jié)果顯示，當a=1.28 時，0.75U1mA=224.85 kV，泄漏電流為50 μA。

圖8 避雷器直流泄漏電流

3.2 交流泄漏電流特性

運行中的避雷器要承受系統(tǒng)額定電壓，220 kV避雷器承受相電壓幅值為180 kV。為了計算避雷器在額定系統(tǒng)電壓下的泄漏電流特性，對不同受潮狀態(tài)的單相避雷器模型施加幅值為180 kV 的工頻50 Hz交流電壓激勵，計算了受潮程度不同避雷器的泄漏電流特性。

在交流電壓作用下，避雷器的交流泄漏電流包含容性分量與阻性分量兩部分。隨著避雷器受潮程度加深，避雷器泄漏電流容性分量基本不變，而阻性泄漏電流會顯著增大。由于容性分量遠大于阻性分量，因此全電流整體變化不大，如圖9所示。

圖9 避雷器的泄漏電流特性

對仿真計算獲得的避雷器全電流進行傅里葉分解，可以求解得到不同受潮狀態(tài)下避雷器的泄漏電流的阻性分量。避雷器受潮越嚴重，阻性分量也會越大，正弦波形畸變越顯著，如圖10所示。

圖10 阻性泄漏電流

圖11是受潮程度不同的避雷器阻性泄漏電流與未受潮（α=0）電流值的比值?？梢钥闯?，隨著受潮程度加深，阻性泄漏電流峰值變化更加明顯。因此，阻性泄漏電流峰值能更靈敏地反映避雷器的絕緣健康狀態(tài)。當α=0（未受潮）時，泄漏電流阻性分量幅值為13.7 μA；當a=1.28時（0.75倍直流1 mA參考電壓下泄漏電流為50 μA），泄漏電流阻性分量幅值為24.9 μA，是未受潮避雷器的1.8倍；當α=3.0時，阻性分量幅值達到了39.50 μA，是未受潮避雷器的2.9倍。現(xiàn)行避雷器規(guī)程要求，避雷器在0.75倍直流1 mA參考電壓下不得超過50 μA，此時避雷器的交流泄漏電流阻性分量幅值為24.9 μA，為避雷器健康狀態(tài)在線監(jiān)測提供參考。

圖11 交直流泄漏電流

4 結(jié)語

搭建避雷器的有限元仿真計算模型，并通過試驗驗證了模型的準確性。利用該模型計算、對比了受潮程度不同的避雷器泄漏電流特性。

避雷器在受潮劣化初期，泄漏電流全電流及容性分量有效值、幅值變化很小，只有嚴重受潮或老化情況才能表現(xiàn)出明顯變化，不利于及時發(fā)現(xiàn)氧化鋅避雷器劣化趨勢。

泄漏電流阻性分量會隨著避雷器受潮程度加重而明顯變大，正弦波形畸變也會越明顯，可以反映避雷器的絕緣劣化趨勢。

相比有效值，阻性泄漏電流的峰值能更靈敏地反映避雷器絕緣健康狀態(tài)變化，為避雷器健康狀態(tài)在線監(jiān)測提供了參考。

避雷器局部絕緣劣化往往不能僅通過監(jiān)測泄漏電流來發(fā)現(xiàn)。該模型還可以對通過設(shè)置特定避雷器閥片的電導(dǎo)率特性，模擬避雷器局部絕緣劣化的問題。下一步將針對避雷器局部受潮及其造成的局部發(fā)熱問題進行探索研究。