采用均壓電容對500 kV氧化物避雷器電壓分布的影響

李文霞，高振國，鐘雅風

(1.沈陽工程學院 電力學院,遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧電力有限公司 電力科學研究院,遼寧 沈陽 110006)

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采用均壓電容對500 kV氧化物避雷器電壓分布的影響

李文霞1，高振國1，鐘雅風2

(1.沈陽工程學院 電力學院,遼寧 沈陽 110136；2.國網(wǎng)遼寧電力有限公司 電力科學研究院,遼寧 沈陽 110006)

由于500 kV氧化鋅避雷器是由3節(jié)構成，在持續(xù)運行電壓下，因其雜散電容的存在將引起電阻片電壓分布極不均勻的現(xiàn)象，使部分電阻片因電壓過高而加速老化和熱崩潰，最終導致避雷器的損壞，大大縮短了它的運行壽命。通過改善避雷器的電位分布，進而有效地提高其運行可靠性，一般采用在避雷器上端裝設均壓環(huán)、避雷器元件并聯(lián)均壓電容棒的方式進行均壓。針對500 kV氧化鋅避雷器，在給定的均壓環(huán)配置下，采用光纖—電流法來研究并聯(lián)不同的均壓電容棒對避雷器電位分布的影響。

金屬氧化物避雷器；電壓分布；均壓電容；光纖電流法

由氧化鋅(ZnO)為主要材料制造的非線性電阻片，在釋放過電壓能量后隨即將電源經(jīng)由避雷器通路的電流阻斷到零，進一步將ZnO壓敏電阻開發(fā)成為新型的避雷器元件，由此出現(xiàn)了無間隙金屬氧化鋅避雷器，它具有殘壓低、通流容量大等優(yōu)點，用來滿足吸收高能量、大功率的要求。氧化鋅避雷器大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性，同時，由于其優(yōu)良的保護性能，使被保護設備的絕緣結構得以優(yōu)化。目前，由于過電壓保護裝置MOA具有異常良好的非線性特性和發(fā)展速度快等優(yōu)點，從而使得MOA在電力系統(tǒng)領域中獲得了快速的發(fā)展[1]。

對于500 kV及以上電壓等級所使用的避雷器而言，由于受高壓端對地雜散電容的影響，使上端電阻片承受過高的電壓，導致MOA上電位分布極不均勻的問題愈加明顯。在長期持續(xù)運行電壓下，避雷器高壓端的電阻片由于要承擔過高的電壓，MOA電阻片逐漸劣化、熱崩潰，最終造成避雷器的損壞[2-4]。為了解決這個問題，需要從兩個方面考慮：一是提高電阻片的荷電率；二是降低雜散電容對避雷器的影響。若要避雷器安全可靠的正常運行，必須采取合理的均壓方法來達到改善電壓分布的目的，設計中常使用的均壓措施主要是加裝均壓環(huán)、并聯(lián)均壓電容。這種均壓措施在一般運行環(huán)境中取得較好的均壓效果，而且還提高了避雷器的防污穢能力，有效地克服外界污染層帶來的不利影響。一般情況下，先通過在高壓端加均壓環(huán)來降低電壓分布不均勻系數(shù)，這種措施簡單方便、成本低，同時降低了因結構復雜而可能引起故障的概率，但均壓環(huán)的尺寸大小易受均壓環(huán)與避雷器本體間的外絕緣強度和周圍場地的布置等因素的影響，均壓效果是有限的[5-6]。對于直立式超高壓無間隙金屬氧化物避雷器來說，其元件數(shù)多、電壓等級高、結構更復雜等因素，使得避雷器電壓分布不均勻的情況更加嚴重[7]。無間隙金屬氧化物避雷器電位的分布是否合理，將會直接影響到避雷器的安全運行，設計中通常采取綜合的均壓措施，即裝設均壓環(huán)和并聯(lián)均壓電容棒兩者共同配合下的方法。然而，對并聯(lián)均壓電容的合理配置需要進一步地探討研究[8]。

對于避雷器均壓特性的研究，國內(nèi)外主要著重在均壓環(huán)對避雷器均壓的影響效果上，很少細致地考慮均壓電容對避雷器均壓效果的影響[9-12]。以無間隙金屬氧化鋅避雷器Y20W1-444/1063為研究對象，采用抗干擾能力強的光纖—電流法，定量研究了在給定均壓環(huán)結構參數(shù)的情況下，均壓電容棒的并聯(lián)配置對避雷器電阻片軸向電位分布的影響。

1 試品及其布置

1.1 試驗電源

試驗電源容量應滿足短路電流小于1 A(有效值)，在測量期間內(nèi)電源電壓的變化小于0.5%。試驗頻率應在48～62 Hz之間，且測量期間內(nèi)頻率變化小于0.5%，測量期間應監(jiān)測頻率和電壓。

1.2 試品型號及數(shù)量

試品選用的是國產(chǎn)的4支無間隙金屬氧化物避雷器Y20W1-444/1063(分別為1#、2#、 3#、4#MOA)，每支由3節(jié)構成。

氧化鋅避雷器的額定電壓為444 kV，其持續(xù)運行電壓Uc為324 kV。

試驗中，MOA的上、中、下三節(jié)均由40片環(huán)狀電阻片(外徑φ為115 mm，內(nèi)徑φ為32 mm)串聯(lián)構成，且每片的平均厚度為20.8 mm。

1.3 試品布置

該試驗中避雷器的總高度為5 600 mm；單個元件的高度為1 740 mm；絕緣底座的高度為380 mm；構架高度為2 300 mm；由單柱電阻片串聯(lián)構成了避雷器的芯組，每節(jié)元件均由上法蘭、下法蘭、瓷套、絕緣筒、電阻片柱、金屬墊片等部件構成。為了減小周圍環(huán)境對試驗結果的影響，試品一般選為戶外布置，且整個試驗裝置離建筑物的距離應大于10 m。

避雷器均壓環(huán)的配置為：雙層均壓環(huán)的上層等效內(nèi)徑為1 000 mm，下層等效外徑為1 800 mm，嵌入的深度為900 mm，且4支MOA高壓端都安裝均壓環(huán)，如圖1所示為雙層均壓環(huán)示意圖。

圖1 雙層均壓環(huán)

1.4 均壓電容棒狀況

4支避雷器均由上、中、下三節(jié)構成，上、中節(jié)的均壓電容棒是與電阻片柱并聯(lián)組成的。按照避雷器的實際結構尺寸和優(yōu)化后的均壓環(huán)結構，分別配置不同參數(shù)的均壓電容棒給MOA。為了獲取最合理的均壓方式，試驗在初步設計的時候，由于均壓電容對下節(jié)電阻的電壓分布影響極小，因此決定在下節(jié)均不安裝均壓電容棒，最終擬定了4種并聯(lián)不同均壓電容棒的組合方案，表1為MOA內(nèi)部的均壓電容狀況。

表1 4支MOA內(nèi)部的均壓電容棒配置

注：構成均壓棒的每個電容為600 pF，允許的長期運行電壓為3.5 kV。

2 測量系統(tǒng)

2.1 工作原理

通常測量避雷器電壓分布不均勻系數(shù)的方法主要有實測法、計算法這兩種，其目的都是通過得到最佳的均壓措施，來達到比較理想化的電壓分布。該設計采用的是實測法——光纖-電流法，該方法利用電流傳感器測量儀測量避雷器電位分布。測量儀由探頭、光纖和光接收機組成，如圖2所示。探頭和電阻片串聯(lián)安裝，避雷器加壓后，泄電流從探頭內(nèi)部的電阻上流過，產(chǎn)生一定的壓降，探頭將該電信號轉換成光信號后，經(jīng)光纜上傳到接收器后，接收器將光信號重新轉換為電信號，記錄流過電阻片的電流值，測量避雷器各測點的電壓分布，明確避雷器電壓分布不均勻程度[13]。針對典型的Y20W1-444/1063型500 kV避雷器，利用MOA電位分布的光電測量系統(tǒng)來進行電壓分布試驗，最終計算出避雷器的電壓分布不均勻系數(shù)。

2.2 系統(tǒng)構成

測量系統(tǒng)主要是由30路探頭電路和4路接收電路構成。但要求測量時分別在被測電阻片的下端放置尺寸足夠小的探頭，探頭的尺寸與電阻片尺寸一樣，并保證探頭的數(shù)量對電阻片的電壓分布沒有影響。由于探頭的體積較小，且光纖具有良好的抗電磁干擾能力，因而對避雷器自身的電壓分布不會產(chǎn)生影響。如圖3所示為避雷器中探頭的安放位置。

圖2 光纖-電流測量儀

圖3 避雷器中探頭的安放位置

2.3 探頭位置的布置

試驗中在避雷器的上、中、下3節(jié)各取10個或9個測點。測量系統(tǒng)中的探頭數(shù)量總共為30個測點，計算時將避雷器的3節(jié)元件自高壓端到接地端依次編號為1～3號，電阻片自高壓端到接地端依次編號為1～30號。在避雷器放置探頭的位置處的電阻片底下應放置金屬墊塊，而且還需確保探頭的引入對避雷器的電壓分布并不會造成影響。

3 不同均壓電容棒配置下的測量結果與分析

3.1 避雷器的電壓分布

在同一雙層均壓環(huán)配置的情況下，通過上述試驗測量得到4支氧化鋅避雷器各測點的電流值，如表2、表3、表4、表5所示：

表2 1#避雷器的電位分布測量數(shù)據(jù)

表3 2#避雷器的電位分布測量數(shù)據(jù)

表4 3#避雷器的電位分布測量數(shù)據(jù)

表5 4#避雷器的電位分布測量數(shù)據(jù)

將上述4種方案下的避雷器電位分布測量數(shù)據(jù)，利用仿真軟件來畫出4支氧化鋅避雷器的電流分布圖，進而觀察避雷器的電壓分布趨勢，如圖4所示。

由圖4曲線可以明顯看出，1#避雷器采取的方案，使得下節(jié)與上中節(jié)的電流值跨距太大，導致MOA電壓分布極不均勻；而2#避雷器的方案，與上、下節(jié)相比，中節(jié)的電流值卻又相對太小，MOA電壓分布也不均衡。每節(jié)電阻片自上而下為1、2、3、……、40；測點“1”在第1片上，測點“2”在第5、6片之間，……，測點“9”在第40片下。

圖4 4支避雷器的電流分布曲線

3.2 電壓分布不均勻系數(shù)的計算

避雷器的電壓分布不均勻程度通常用避雷器電壓分布不均勻系數(shù)Kv表示[14]，國家標準GB11032—2010要求避雷器的電壓分布系數(shù)一般不大于0.15[15]。電壓分布不均勻是指，電阻片在持續(xù)運行電壓下所承擔的偏離平均運行電壓水平的現(xiàn)象，而Kv指的是最大偏離持續(xù)運行電壓的程度[16]。

避雷器電壓分布不均勻系數(shù)為

(1)

因為

Ii=Ui×Ci×2πf

(2)

將公式(2)代入公式(1)得

(3)

試品所有電阻片電容量的平均值為

Ci=2.57nF

經(jīng)折算后的平均電容值為

其中，f=50 Hz，Uc=324 kV，n=120片。

因此，將上述實驗數(shù)據(jù)代入式(3)可知，在并聯(lián)不同參數(shù)的均壓電容棒后，4支避雷器對地雜散電容引起的電壓分布不均勻系數(shù)分別為

第一種均壓電容棒Inax1(下)=2.57 mA：

Kv1#=[(2.57×120)/(2π×50×2.57×324)]-1=0.18。

第二種均壓電容棒Inax2(上)=2.37 mA：

Kv2#=[(2.37×120)/(2π×50×2.57×324)]-1=0.087。

第三種均壓電容棒Inax3(中)=2.43 mA：

Kv3#=[(2.43×120)/(2π×50×2.57×324)]-1=0.11。

第四種均壓電容棒Inax4(中)=2.37 mA：

Kv4#=[(2.37×120)/(2π×50×2.57×324)]-1=0.087。

通過計算分析，第二種和第四種試驗方案均符合500 kV金屬氧化物避雷器不均勻系數(shù)不大于15%。但是第四種方案電流分布曲線和不均勻系數(shù)要好于第二種方案，因此其電壓分布更加均衡。

4 結 論

在并聯(lián)不同的均壓電容棒配置下，針對500 kV無間隙金屬氧化鋅避雷器進行的電位分布試驗結果的分析，得出以下結論：

1)避雷器在上節(jié)設置均壓環(huán)的情況下，在上、中、下三節(jié)中均壓電容的配置結構以及配置參數(shù)對避雷器的電壓分布存在明顯的影響。當避雷器掛網(wǎng)運行時，應對避雷器并聯(lián)的每節(jié)均壓電容進行優(yōu)化設計。

3)測量避雷器電壓分布不均勻系數(shù)的一種有效方法是光纖-電流法。

綜上所述，若要改善500 kV避雷器電阻片軸向電位分布的情況下，在增設并聯(lián)均壓電容棒的基礎上，不僅要考慮均壓電容器的合理配置方式，同時也要考慮經(jīng)濟效益，通過合理的調(diào)整方案，來有效地提高避雷器的電位分布均勻性，使其降低到理想化的程度。

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(責任編輯魏靜敏校對張凱)

TheInfluenceonPotentialDistributionof500kVMOAbyEmployingtheGradingShuntCapacitors

LI Wen-xia1,GAO Zhen-guo1,ZHONG Ya-feng2

(1.School of Electrical Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136;2.State Grid Liaoning Electric Power Research Institute,Shenyang 110006,Liaoning Province)

The 500kV MOA in service is made up of three sections. Its service life is probably cut down seriously and even damage ultimately because of the aging acceleration and thermal run away of part of resistor discs led by the overvoltage that is caused by the non-uniform potential distribution in the axial direction of arrester with the stray capacitance when the arrester services in the continuous operation voltage. To improve MOA potential distribution and enhance its operational reliability,the grading rings are usually installed in the high-voltage side and the grading capacitors are paralleled on the arrester elements. Based on the given grading rings configuration of 500kV MOA,the fiber-current method was utilized to research the influence on the arrester’s potential distribution with different grading capacitor configuration.

Metal oxide arrester; Potential distribution; Grading capacitor; Fiber-optic current method

2017-04-10

李文霞(1994-)，女，甘肅天水人,碩士研究生。

高振國(1965-)，男，遼寧沈陽人，副教授。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.011

TM835；TM862

： A

： 1673-1603(2017)03-0253-06