基于場(chǎng)路耦合的500 kV氧化鋅避雷器受潮缺陷分析

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(yáng)能高效利用及儲(chǔ)能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430068；2.國(guó)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(guò)電壓防護(hù)裝置之一，在電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行中起著不可替代的作用。由于避雷器長(zhǎng)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(yán)重時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致避雷器爆炸，對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性構(gòu)成威脅。因此，對(duì)避雷器的受潮缺陷進(jìn)行準(zhǔn)確診斷具有十分重要的意義[1-4]。

避雷器受潮會(huì)引起其泄漏電流等電氣參數(shù)的變化，現(xiàn)場(chǎng)也普遍借助這些電氣參數(shù)對(duì)避雷器的健康狀態(tài)進(jìn)行判斷。在這方面，長(zhǎng)沙理工大學(xué)的史志強(qiáng)等人結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量了受潮位置對(duì)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(duì)氧化鋅避雷器泄漏電流測(cè)量的干擾因素進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)相間耦合干擾是影響測(cè)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(shí)，泄漏電流以及材料參數(shù)的變化還會(huì)改變其發(fā)熱特性。因此，也可借助紅外測(cè)溫技術(shù)對(duì)避雷器的健康狀態(tài)進(jìn)行診斷[10-14]。

實(shí)際工程應(yīng)用中，避雷器運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜性給避雷器的帶電檢測(cè)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(guò)單一的特征量對(duì)避雷器的健康狀況進(jìn)行準(zhǔn)確有效的評(píng)估。此外，現(xiàn)有避雷器缺陷特征的研究多基于實(shí)驗(yàn)室中的試驗(yàn)分析。但由于實(shí)驗(yàn)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(duì)上述問(wèn)題，筆者以500 kV氧化鋅避雷器為研究對(duì)象，構(gòu)建了場(chǎng)路耦合仿真模型。通過(guò)采用Ansys數(shù)值仿真對(duì)避雷器不同受潮狀態(tài)下的缺陷特征進(jìn)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(duì)避雷器的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)及智能化故障診斷與識(shí)別提出了相關(guān)方法和建議。

1 計(jì)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(guò)對(duì)3片電阻片進(jìn)行測(cè)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(guò)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(yùn)行電壓(約10.7 kV)作用下，電壓與電流的變化趨勢(shì)接近線性，此時(shí)避雷器運(yùn)行于高阻區(qū)?？紤]到正常工作時(shí)，按3節(jié)避雷器均勻分壓計(jì)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(guò)測(cè)量，避雷器每節(jié)電阻值取800 MΩ。

結(jié)合避雷器實(shí)際結(jié)構(gòu)，將避雷器每節(jié)等效成一個(gè)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(duì)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(duì)于多導(dǎo)體的部分電容值的求取，通?？赏ㄟ^(guò)求得的靜電感應(yīng)系數(shù)矩陣進(jìn)行數(shù)學(xué)變換獲得[19-20]。具體計(jì)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(guò)式(1)計(jì)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(duì)式(1)中的線性方程組進(jìn)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(chǎng)能量可通過(guò)下式計(jì)算：

(3)

式中，φk為第k個(gè)導(dǎo)體對(duì)地電壓，通過(guò)聯(lián)立(2)、(3)可以得到式(4)：

(4)

(5)

對(duì)于βij，給第i個(gè)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(duì)于βij，則對(duì)第i，j個(gè)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(jì)算所需的電容參數(shù)。

1.2 氧化鋅避雷器的溫度場(chǎng)計(jì)算模型

通過(guò)對(duì)500 kV氧化鋅避雷器的等效阻容電路進(jìn)行仿真分析，可以計(jì)算運(yùn)行過(guò)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(duì)于溫度場(chǎng)而言，避雷器內(nèi)部電阻片柱上產(chǎn)生的熱量主要通過(guò)熱傳導(dǎo)的方式從內(nèi)部向外傳遞，當(dāng)傳熱過(guò)程處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，傳熱過(guò)程與散熱過(guò)程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)溫度只與位置有關(guān)，不隨時(shí)間變化，相應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)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(duì)流的形式進(jìn)行，基本計(jì)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(duì)流換熱系數(shù)。避雷器工作時(shí)的傳熱過(guò)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(jì)算值與測(cè)量值

以咸寧某變電站500 kV避雷器為例，基于電容計(jì)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(jì)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(jì)算得到500 kV單相避雷器運(yùn)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(shí)測(cè)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(shí)際運(yùn)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(huì)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(huì)發(fā)生偏移，由IA、IB、IC變?yōu)镮A′、IB′、IC′，且B相由于同時(shí)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(jìn)行研究。通過(guò)進(jìn)行計(jì)算數(shù)據(jù)與測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)干擾情況下泄漏電流測(cè)量值小于無(wú)干擾情況下計(jì)算值，干擾情況下相角測(cè)量值小于無(wú)干擾情況下計(jì)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(shí)驗(yàn)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(duì)這一問(wèn)題，以仿真代替試驗(yàn)進(jìn)行分析。根據(jù)實(shí)測(cè)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(shí)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(guò)仿真計(jì)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(huì)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(huì)不斷上升。同時(shí)，文獻(xiàn)[5]開(kāi)展的500 kV避雷器不同受潮位置下各個(gè)電氣參數(shù)的試驗(yàn)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(duì)應(yīng)的位置為特征值變化曲線的拐點(diǎn)，研究意義較大，故分別計(jì)算出避雷器在正常狀態(tài)及受潮程度為11時(shí)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(duì)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(shí)，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(huì)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(shí)際情況是一致的，因此可以推得，避雷器受潮時(shí)，受潮區(qū)域應(yīng)有局部過(guò)熱現(xiàn)象[23]。

表3 避雷器不同運(yùn)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(yùn)行及受潮時(shí)的溫度分布特征。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)建立相應(yīng)的溫度場(chǎng)有限元仿真模型，通過(guò)調(diào)整網(wǎng)格尺寸并進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，保證精度滿足計(jì)算要求[24-25]。以表3中500 kV氧化鋅避雷器電路模型計(jì)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(chǎng)中進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)行溫度場(chǎng)分析[26-27]，在電阻片柱外表面沿徑向取一條路徑，將計(jì)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(yùn)行時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)行時(shí)，由于氧化鋅電阻片的高阻值，流過(guò)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)，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(duì)于避雷器整體的影響更大。

為驗(yàn)證上述仿真結(jié)果是否符合工程實(shí)際，通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)行對(duì)比，如圖14所示，避雷器下節(jié)受潮時(shí)，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(shí)，文獻(xiàn)[28～30]基于紅外熱成像技術(shù)，開(kāi)展的避雷器典型缺陷檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)研究也得到了類似結(jié)論。這從另外一個(gè)側(cè)面也證實(shí)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(shí)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(duì)500 kV氧化鋅避雷器，分析其在正常運(yùn)行及發(fā)生受潮時(shí)的泄漏電流，相角的變化情況以及溫度分布特征，并通過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。得到結(jié)論如下：

1)避雷器受潮時(shí)，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(shí)，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(diǎn)，受潮部位有局部過(guò)熱現(xiàn)象。

該仿真結(jié)果與相關(guān)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況一致，并從原理上解釋了氧化鋅避雷器受潮時(shí)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。