均壓環(huán)的尺寸對避雷器電位分布的優(yōu)化

苗發(fā)金，蔡漢生，賈 磊，祝嘉喜，甘宏軍

（1.西安西電避雷器有限責任公司，西安710200，2.南方電網(wǎng)科學研究院，廣州510080，3.國網(wǎng)攀枝花供電公司，四川攀枝花717000）

均壓環(huán)的尺寸對避雷器電位分布的優(yōu)化

苗發(fā)金1，蔡漢生2，賈 磊2，祝嘉喜1，甘宏軍3

（1.西安西電避雷器有限責任公司，西安710200，2.南方電網(wǎng)科學研究院，廣州510080，3.國網(wǎng)攀枝花供電公司，四川攀枝花717000）

通過ANSYS軟件對避雷器進行仿真計算，探討與研究均壓環(huán)的尺寸對避雷器電位分布的影響。利用優(yōu)化結(jié)果，通過試驗的方法，驗證了仿真優(yōu)化結(jié)果，確定了避雷器的電位分布不均勻系數(shù)。

均壓環(huán)；仿真；電位分布；電位不均勻系數(shù)

0 引言

理論上，理想條件下無間隙金屬氧化物避雷器每一個電阻片承擔的電壓均應等于施加在避雷器上的總電壓除以避雷器的總電阻片個數(shù)。但是避雷器在實際運行過程中，由于對地雜散電容的存在使得避雷器各電阻片承擔的電壓并不相同，避雷器上部電阻片承擔的電壓一般要高于避雷器下部電阻片承擔的電壓，因此對避雷器的電位分布進行控制，盡可能使得每個電阻片上所承擔的電壓相近，避免局部電阻片承受過高的電壓[1]。

對于電位分布的控制，目前國內(nèi)外對高電壓等級的MOA采取的均壓措施一般為加裝均壓環(huán)及并聯(lián)均壓電容[2]。但由于另加并聯(lián)電容器會增加一些不可靠因素，在實際應用當中，也由于并聯(lián)電容器出現(xiàn)過避雷器故障，因此筆者僅用加裝均壓環(huán)的方式來調(diào)節(jié)電阻片上的電壓分布。通過ANSYS軟件對避雷器進行仿真計算，探討與研究均壓環(huán)的尺寸對避雷器電位分布的影響，利用優(yōu)化結(jié)果，通過試驗的方法，確定避雷器的電位不均勻系數(shù)。

1 避雷器電位分布仿真計算

1.1 避雷器的結(jié)構(gòu)尺寸

該研究采用爬距為31 mm/kV的500 kV金屬氧化物避雷器，該避雷器采用三節(jié)裝結(jié)構(gòu)，單節(jié)高度：1900 mm，總高度：6 322 mm。主要由電阻片、鋁墊片、絕緣筒、瓷外套、法蘭、均壓環(huán)等構(gòu)成，外形結(jié)構(gòu)圖1所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，a為單節(jié)避雷器單元中上端金屬高度，b為單節(jié)避雷器單元中下端金屬高度[3]。

圖1 避雷器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Arrester configuration diagram

圖2 避雷器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Arrester internal configuration diagram

1.2 計算結(jié)果

在建立氧化鋅避雷器軸對稱計算模型的基礎上[4]，計算了此種情況下避雷器的電位分布，計算得到的電位分布云圖如圖3、圖4所示，此種情況下的電壓承擔比值曲線如圖5所示，承擔最大電壓承擔比值的電阻片位于高壓端附近。

1.3 均壓環(huán)各參數(shù)對電壓承擔比值的影響

1）管徑對電壓承擔比值的影響：單獨考慮管徑對電壓承擔比值的影響，其它參數(shù)均不變，得到電阻片上的電壓承擔比的最大值隨管徑的變化規(guī)律如表1，圖6所示。

圖3 電位分布云圖Fig.3 The potential distribution nephogram

圖4 避雷器主體電位分布云圖Fig.4 The arrester potential distribution nephogram

圖5 優(yōu)化前電壓承擔率曲線Fig.5 Voltage distribution ratio curve before optimization

表1 管徑對電壓承擔率的影響Table 1 Effect of tube size of grading ring on voltage distribution ratio

圖6 電壓承擔率最大值隨管徑的變化規(guī)律Fig6. The regular pattern of voltage distribution ratio variation with tube size of grading ring

2）環(huán)徑對電壓承擔比值的影響：單獨考慮上環(huán)圈和下環(huán)圈的環(huán)徑對電壓承擔比值的影響，其它參數(shù)均不變，得到電阻片上的電壓承擔比的最大值隨環(huán)徑的變化規(guī)律如表2、表3及圖7所示。

表2 上環(huán)圈環(huán)徑對電壓承擔率的影響Table 2 Effect of upper ring size of grading ring on voltage distribution ratio

表3 下環(huán)圈環(huán)徑對電壓承擔率的影響Table 3 Effect of lower ring size of grading ring on voltage distribution ratio

圖7 電壓承擔率最大值隨環(huán)徑的變化規(guī)律Fig7.The regular pattern of voltage distribution variation with ring size of grading ring

3）罩入深度對電壓承擔比值的影響：單獨考慮上環(huán)圈、下環(huán)圈的罩入深度對電壓承擔率的影響，其它參數(shù)均不變，得到電阻片上的電壓承擔比的最大值隨罩入深度的變化規(guī)律如表4、表5及圖8所示。

表4 上環(huán)圈罩入深度對電壓承擔率的影響Table 4 Effect of upper ring cover in depth of grading ring on voltage distribution ratio

表5 下環(huán)圈罩入深度對電壓承擔率的影響Table 5 Effect of lower ring cover in depth of grading ring on voltage distribution ratio

1.4 均壓環(huán)各參數(shù)優(yōu)化計算

利用ANSYS軟件自身提供的分析——評估——修正的循環(huán)[5]，以電阻片上承擔電壓承擔比值的最大值為目標函數(shù)[6]，定義各參數(shù)的變化范圍，如表6所示，經(jīng)過隨機搜索法和子問題法的優(yōu)化后得到在該變化范圍內(nèi)的最優(yōu)安裝尺寸如表7所示，優(yōu)化均壓環(huán)后得到的電壓承擔率曲線如圖9所示。

圖8 電壓承擔比最大值隨罩入深度的變化規(guī)律Fig.8 The regular pattern of voltage distribution variation with ring cover in depth of grading ring

表6 各參數(shù)的變化范圍Table 6 Variation range of each parameter

表7 優(yōu)化后結(jié)果Table 7 Optimization results

圖9 優(yōu)化后電壓承擔率曲線Fig.9 Voltage distribution curve after optimization

優(yōu)化后的均壓環(huán)能大幅度的降低電壓承擔比值的最大值，但沒有滿足要求，由圖9可知，環(huán)徑和下環(huán)圈的罩入深度對電壓承擔比值的影響較大，因此可考慮增大環(huán)徑或增加下環(huán)圈的罩入深度。按表8和表9所示方式對均壓環(huán)參數(shù)進行修改，優(yōu)化后的電壓承擔比值曲線分別如圖10所示。

通過修改環(huán)徑和罩深，電壓承擔比值均符合要求，修改罩深進行優(yōu)化后的電位分布云圖如圖11（a）所示，修改環(huán)徑進行優(yōu)化后的電位分布云圖如圖11（b）所示。

表8 修改罩深后的參數(shù)變化范圍Table 8 Range parameters after modify the deep cover

表9 修改環(huán)徑后的參數(shù)變化范圍Table 9 Range parameters after modify the ring size

表10 修改罩深后的優(yōu)化結(jié)果Table 10 Optimization results after modify the deep cover

表11 修改環(huán)徑后的優(yōu)化結(jié)果Table 11 Optimization results after modify the ring size

圖10 電壓承擔比值曲線Fig.10 Voltage distribution curve after optimization

圖11 每節(jié)避雷器單元電位分布云圖Fig.11 The potential contours of each the arrester unit after final optimization

2 避雷器電位分布測量

2.1 試驗設備儀器及布置方案

1）試驗設備儀器：試驗變壓器采用1 000 kV諧振試驗變壓器。測試儀器：采用西安交通大學高壓教研室研發(fā)，基于光纖電流法的《40路數(shù)字式電位分布測量系統(tǒng)》，測量系統(tǒng)主要由電流傳感器、傳輸光纖、信號接收處理單元和上位機等四部分組成。最多可以對40路電流信號同時采集。電流傳感器采用有源設計，系統(tǒng)如圖12所示，取樣電阻選用功率為1/4 W的直插式千分之一精度的金屬氧化膜精密電阻，使用10位A/D進行采樣，所測的電流信號通過采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓滿量程為1.5 V，在電壓信號為0.5 V時能達到1%的精度[7]

2）試驗布置方案：采用國際推薦的光纖—電流法測量，本次測量試驗共使用27路測量傳感器，媒介避雷器單元均勻布置9個，在測量點處將原金屬墊塊采用與其尺寸相同但中部為絕緣介質(zhì)并開有傳感器安裝位置的墊塊代替并將傳感器傳入避雷器電阻片組中。安裝方法如圖13所示。

圖12 40路數(shù)字式電位分布測量系統(tǒng)[7]Fig.12 40-channel digital potentiometer distribution measurement system[7]

圖13 傳感器和光纖安裝方式Fig.13 Sensors and fiber optic installation

試驗接線如圖14所示，為模擬實際運行環(huán)境，將避雷器用高度為1880mm的瓷套作為支撐，然而將避雷器末節(jié)單元用金屬引線接地；高壓引線采用蛇皮管進行屏蔽再施加在避雷器芯體端部上，以消除高壓引線電暈等對測量結(jié)果帶來的影響；各節(jié)避雷器單元未安裝防爆板，從而將多路傳輸光纖由排氣導弧孔引出避雷器單元；信號接收機和上位機位置在距離避雷器20m操作控制室以保證人員安全。

圖14 試驗示意圖Fig.14 The voltage distribution test

2.2 電位分布測量

避雷器的均壓環(huán)根據(jù)仿真的第一次優(yōu)化條件下下施加318 kV電壓，對電位分布進行測量，測得的數(shù)據(jù)如表12。

表12 測量數(shù)據(jù)Table 12 Test data

光纖電流法測量的是流過測量點的電流值，當電阻片的電容量差異不大時，可以用電流分布，來分析分布，尤其在調(diào)整電位分布時，這種方法簡便易行，實測電阻片的之間的電容量偏差小于0.6%，電位分布測量時忽略電阻片的電容差異。以下用使用電流分布的方法來分析電位分布。電流值的最大正偏差，即避雷器的最大電位分布不均勻系數(shù)[8-9]。

最大值出現(xiàn)在18號傳感器，電阻片編號為88，最小值出現(xiàn)在7號傳感器，電阻片編號為34。

電流平均值：

最大值：Imax=2844.6 μA

最小值：Imin=2299.1 μA

電流值的最大正偏差：

電流值的最小負偏差：

由第一次測量結(jié)果可以看出第一節(jié)的電流的平均值偏高，總體承擔電壓偏高，第三節(jié)的承擔電壓偏低。

根據(jù)仿真結(jié)果調(diào)節(jié)避雷器均壓環(huán)的環(huán)徑再次施加318 kV電壓，對電位分布進行測量，測得的數(shù) 據(jù)見表13。

表13 測量數(shù)據(jù)Table 13 Test data

測得的最大值出現(xiàn)在19號傳感器，電阻片編號為92，最小值出現(xiàn)在8號傳感器，電阻片編號為39。

電流平均值：

最大值：Imax=2598.2 μA

最小值：Imin=2140.8 μA

電流值的最大正偏差：

電流值的最小負偏差：

再次調(diào)節(jié)避雷器均壓環(huán)的罩入深度施加318 kV電壓，對電位分布進行測量，測得的數(shù)據(jù)如表14。

測得的最大值出現(xiàn)在19號傳感器，電阻片編號為92，最小值出現(xiàn)在8號傳感器，電阻片編號為39。

表14 測量數(shù)據(jù)Table 14 Test data

電流平均值：

最大值：Imax=2592.4 μA

最小值：Imin=2152.5 μA

電流值的最大正偏差：

電流值的最小負偏差：

表15可以看到試驗結(jié)果同仿真計算優(yōu)化后的結(jié)論基本一致，試驗結(jié)果比仿真計算結(jié)果要低一些，通過仿真計算結(jié)果可以有效地改善了避雷器的電位分布結(jié)果。

表15 仿真結(jié)果和試驗結(jié)果對比Table 15 Comparison of simulation results and test results

3 結(jié)論

1）在所研究的范圍內(nèi)，電壓承擔率的最大值是隨著管徑的增大而減小，但當管徑大于80 mm后，電壓承擔率的最大值下降的幅度趨于飽和；

2）在所研究的范圍內(nèi)，電壓承擔率的最大值隨著均壓環(huán)上、下環(huán)圈環(huán)徑的增加而減小，但下環(huán)圈環(huán)徑對爬距31 mm/kV的金屬氧化物避雷器電位分布的改善作用不及上環(huán)圈環(huán)徑，可能的原因是承擔最大電壓承擔率的電阻片位于高壓端附近，而上環(huán)圈對改善高壓端附近的電阻片電壓承擔率作用比較明顯；

3）下環(huán)圈的罩入深度對電壓分布的改善作用比較明顯，在所研究范圍內(nèi)，最大電壓承擔率隨著下環(huán)圈的罩入深度的增加而減小，隨上環(huán)圈的罩入深度的增加先減小后增大。

4）電阻片的數(shù)量對電位分布有影響，電阻片片數(shù)越少，鋁墊片的片數(shù)越多，使得芯體的自電容越大，電位分布也就更均勻。

5）利用光纖電流法進行測量，對優(yōu)化后的兩種均壓環(huán)參數(shù)進行電位分布測試，其電位分布不均勻系數(shù)分別為1.111和1.117，同仿真計算優(yōu)化后的結(jié)論基本一致，有效地改善了避雷器的電位分布。

[1]毛慧明，周佩白，王國紅.氧化鋅避雷器電位分布的計算與測量[J].電瓷避雷器，1989（4）:33-41．MAO Huimin，ZHOU Peibai，WANG Guohong.Calcula?tion and measurement of MOA potential distribution[J].In?sulators and Surge Arresters，1989（4）:33-41.

[2]王世山，李彥明.500kV無間隙MOA電位分布分析及其均壓環(huán)措施[J].電瓷避雷器，2000（4）:30-36．WANG Shishan，LI Yanming.Potential distribution analy?sis and grading ring measures of 500kV MOA without gaps[J].Insulators and Surge Arresters，2000（4）:30-36.

[3]韓社教，馬西奎，張西元，戴棟.瓷套式500kV氧化鋅避雷器的電位分布計算及均壓環(huán)設計[J]．西安交通大學學報;2001，35（8）:6-12．HAN Shejiao，MA Xikui，ZHANG Xiyuan.Potential dis?tributed calculating and grading ring design of 500kV MOA[J].Xi'an Jiaotong University XueBao，2001（8）:，35（8）:6-12.

[4]徐煒華，涂彥明，嚴璋.一種計算MOA電位分布的新方法[J].高電壓技術(shù)，1995，21（3）：43-45．XU Weihua，XU Yanming，YAN Zhang.A new method for the calculation of potential distribution of MOA[J].High Voltage Engineering ，1995，21（3）：43-45.

[5]趙彥珍，馬西奎．應用Ansys軟件求解無界靜態(tài)電磁場問題[C].電工理論與新技術(shù)學術(shù)年會論文集;2005．ZHAO Yanzhen，MA Xikui.Application of unbounded An?sys software to solve the problem of static electromagnetic field[C].Electrical Theory and New Technology Annual Conference Proceedings，2005.

[6]韓社教，戴棟，馬西奎，等.應用有限元計算氧化鋅避雷器電位分布[J]。中國電機工程學報，2001，21（12）:105-114．HAN Shejiao，DAI Dong，MA Xikui.Potential distribution calculation of MOA by finite element analysis[J].Proceed?ings of the CSEE，2001，21（12）:105-114.

[7]劉建.基于球形電場探頭的空間電場光電測量系統(tǒng)的研究[D].西安，西安交通大學，2002．LIU Jian.Research of electric field optical measurement system based on spherical electric field probe[D].Xian，Xi'an Jiaotong University，2002.

[8]GB/T16927.1-1997高電壓試驗技術(shù)第一部分:一般試驗要求[S]．北京，中國標準出版社，1997．GB/T16927.1-1997 High-voltage test techniques Part 1:General test requirements[S]，Peking，Peking，China Standard Press，，1997。

[9]GB 11032-2010交流無間隙金屬氧化物避雷器[S]．北京，中國標準出版社，2010．GB 11032-2010 Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c.systems[S].Peking，China Standard Press，2010.

Optimization of Potential Distribution of Arrester by Size of Grading Ring

MIAO Fajin1，CAI Hansheng2，JIA Lei2，ZHU Jiaxi1，GAN Hongjun3
（1.Xi′an XD Arrester Co.,Ltd.，Xi′an 710200，China；2.Southern Power Grid Science Research Institute，Guangzhou 510080，China；3.State Power Grid Corp Panzhihua Power Company，Panzhihua 717000，China）

The arrester is simulated by ANSYS software,and the influence of the size of the griding ring on the potential distribution of the arrester is discussed and studied.Using the optimization results,the simulation results are verified by the experimental method,and the inhomogeneity coefficient of the potential distribution of the arrester is determined.

grading ring；simulation；potential distribution；inhomogeneity coefficient of the poten?tial

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.022

2016-08-30

苗發(fā)金（1964—），男，工程師，主要從事避雷器的設計、生產(chǎn)和管理工作。