瓷套式500kV氧化鋅避雷器均壓環(huán)對電位分布影響的研究

（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導(dǎo)致其自身老化過程加速，進而導(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[1,2]采用二維軸對稱建模，分析了瓷套式500kV氧化鋅避雷器的電壓分布，并與試驗結(jié)果進行對比分析；文獻[3]采用有限元方法分析了安裝高度對瓷套式氧化鋅避雷器的電位分布的影響；文獻[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現(xiàn)。

針對上述出現(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和更高電壓等級的氧化鋅避雷器的設(shè)計提供理論指導(dǎo)和設(shè)計參考。

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，對整個電容影響甚小，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對整個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 各種計算參數(shù)列表

2 計算仿真與分析

2.1 等效介電常數(shù)的計算

按照靜電場理論計算整個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常數(shù)，如式(1)所示[5]：

式中Φ為電位。

εr為相對介電常數(shù)。

ε0為真空介電常數(shù)。

然而實際上氧化鋅電阻片難于測量相對介電常數(shù)，電容量相對容易測量，可依據(jù)所測得的電容量計算反推獲得其相對介電常數(shù)，使其電阻片電容量與實測值相同。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，電阻片實測均值為2000PF，通過計算獲得相對等效介電常數(shù)為880。

圖2 計算等效介電常數(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[3]論述了基座高度對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)線以考慮實際高壓導(dǎo)線的影響。模型前后對稱，取其一半模型進行計算以減少計算量，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 各種材料的相對介電常數(shù)

高壓側(cè)施壓持續(xù)運行電壓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電極。圖4給出了均壓環(huán)高度H為1520mm時，氧化鋅電阻片各電位分布和場強分布，場強最大值為1.4kV/mm，在均壓環(huán)的底端圓環(huán)處。

圖4 H=1520mm時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：

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

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)高度對電阻片電壓分布的影響

圖6 不同均壓環(huán)高度對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分布情況，可見均壓環(huán)高度從1120mm增加到1720mm，避雷器場強最大值均分布在均壓環(huán)底端圓環(huán)上，場強值變化很小，其范圍從1.38kV/mm～1.46kV/mm?？諝庵胁话l(fā)生電暈的場強安全值為2.5kV/mm，均符合要求。因此均壓環(huán)高度的變化對場強值的影響很小。當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導(dǎo)致場強增加。

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

3.2 下端直徑變化對電位分布及最大電場強度的影響

圖8給出了不同均壓環(huán)底端直徑對電阻片電壓偏差分布的影響，可見底端直徑的變化對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，可引起電場強度增大，進而出現(xiàn)嚴重電暈，甚至放電。

圖8 不同均壓環(huán)底端圓環(huán)直徑對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，避雷器場強最大值均分布在均壓環(huán)底端圓環(huán)上，場強值變化很小，其范圍從1.40kV/mm 到1.42kV/mm。同樣這些場強值符合空氣中不發(fā)生電暈的場強安全值。注意該底端圓環(huán)直徑不可太小，否則電場會急劇增大。

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，首先計算了電阻片的等效介電常數(shù)，然后分別考察當均壓環(huán)高度從1120mm增加到1920mm和當?shù)锥藞A環(huán)直徑從1570mm增加到1920mm時，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度分布情況，并進行了對比分析，獲得如下結(jié)論，為超高壓和特高壓氧化鋅避雷器的設(shè)計提供理論指導(dǎo)和設(shè)計參考。

1）為了能實現(xiàn)避雷器電阻片電位的有限元計算，可由實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)高度變化對電阻片電位分布有較大影響，對避雷器最大電場強度分布影響較?。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，當避雷器均壓環(huán)高度達到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)計要求。隨著避雷器均壓環(huán)高度的增加，避雷器最大電場強度分布變化很小，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。

3）避雷器均壓環(huán)底端圓環(huán)對電阻片電位分布和避雷器最大電場強度的分布影響都較?。寒敱芾灼骶鶋涵h(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，同時避雷器最大電場強度分布變化很小，最大電場強度值均分布在均壓環(huán)下端圓環(huán)上。