曹 雯,王歡慶,薛 豪,劉 倩,田 毅,2,周思佳

(1.西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048;2.西安交通大學(xué) 電力設(shè)備電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

0 引 言

避雷器是變電站保護(hù)設(shè)備免遭雷電沖擊波或操作過電壓襲擊的一種設(shè)備[1]．隨著電力技術(shù)的發(fā)展,系統(tǒng)電壓不斷升高,在高壓、超高壓系統(tǒng)中出現(xiàn)的操作過電壓可達(dá)到幾百千伏甚至更高,又因其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、破壞能量大,所以成為電氣設(shè)備絕緣的主要威脅．為了電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全和可靠,金屬氧化鋅避雷器在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用[2-3]．

金屬氧化鋅避雷器(簡(jiǎn)稱MOA)主要是由氧化鋅電阻片組裝而成[4]．它的非線性系數(shù)很小,故具有較好的非線性伏安特性．氧化鋅避雷器在正常的工作電壓下具有高電阻特性．在雷電過電壓的作用下,則呈現(xiàn)低電阻狀態(tài),泄放雷電流,使與避雷器并聯(lián)的電氣設(shè)備的殘壓被限制在設(shè)備的安全值以下；待有害的過電壓消失后,避雷器便迅速地恢復(fù)高電阻,而呈現(xiàn)出絕緣狀態(tài)[5-7],從而有效地保護(hù)了設(shè)備的絕緣免受過電壓的損害．

然而,對(duì)無間隙金屬氧化鋅避雷器而言,由于元件數(shù)多、結(jié)構(gòu)高度尺寸大,從而使得電壓分布的問題相當(dāng)嚴(yán)重．電壓分布的不均勻?qū)?dǎo)致局部電阻片的運(yùn)行荷電率升高, 進(jìn)而導(dǎo)致這部分電阻片的加快老化和發(fā)生熱崩潰．因此, 必須采取合理的均壓措施來改善其電壓分布, 控制電阻片的運(yùn)行荷電率[8-10]．為此,準(zhǔn)確地進(jìn)行金屬氧化鋅避雷器電壓分布的計(jì)算和測(cè)量在MOA的設(shè)計(jì)制造中具有極其重要的意義．

金屬氧化物避雷器的均壓優(yōu)化措施一般包括控制結(jié)構(gòu)和均壓環(huán)尺寸，配置適當(dāng)?shù)牟⒙?lián)均壓電容，以及改變電阻片主電容大小等方式．本文采用COMSOL軟件對(duì)氧化鋅避雷器內(nèi)部電場(chǎng)分布進(jìn)行仿真分析,驗(yàn)證了一些避雷器部件對(duì)氧化鋅電阻片上電壓承擔(dān)率的影響.從改變氧化鋅電阻片相對(duì)介電常數(shù)大小的角度,通過仿真計(jì)算了氧化鋅電阻片的電壓分布系數(shù),分析了其對(duì)MOA電位分布均勻程度的影響,提出了一種優(yōu)化電阻片局部電容的方法,來改善氧化鋅避雷器電位分布均勻程度的優(yōu)化方案．

1 330 kV氧化鋅避雷器電位分布計(jì)算

以330 kV氧化鋅避雷器實(shí)物為例,利用COMSOL軟件建立氧化鋅避雷器模型,嚴(yán)格按照氧化鋅避雷器的實(shí)物尺寸進(jìn)行計(jì)算模型的建構(gòu)．對(duì)氧化鋅避雷器的實(shí)物進(jìn)行合理取舍,忽略均壓環(huán)的連接支管和瓷外套傘群以及避雷器周圍環(huán)境的影響并將法蘭等避雷器金屬部件等效為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu),對(duì)氧化鋅避雷器模型進(jìn)行仿真研究．

表 1 各部件尺寸參數(shù)Table 1 Parameters of each component size

1.1 330 kV氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)尺寸

330 kV立柱式氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)采用2節(jié)裝,單節(jié)高度:1 970 mm,加上底座支架的總高度為6 940 mm．主要由氧化鋅電阻片、鋁墊片、絕緣桿、絕緣筒、瓷外套、法蘭、底座支架以及均壓環(huán)構(gòu)成[11]．各個(gè)部件具體尺寸參數(shù)如表1所示.均壓環(huán)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1中,均壓環(huán)A:Φ1=2r1=990 mm,D2=90 mm,h1=354 mm;均壓環(huán)B:Φ2=2r2=1 440 mm,D2=90 mm,h1=704 mm;連接管D3=60 mm．

1.2 COMSOL軟件建模

使用COMSOL Multiphysics有限元數(shù)值仿真軟件[12-13]進(jìn)行仿真建模.在正常工作狀態(tài)下,氧化鋅避雷器的電場(chǎng)為準(zhǔn)靜態(tài)三維開域電場(chǎng),可對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,將法蘭等構(gòu)件看成軸對(duì)稱物體,忽略高壓線、均壓環(huán)的連接管,近似地將模型看成軸對(duì)稱場(chǎng)進(jìn)行研究．圖2為用COMSOL軟件畫出來的氧化鋅計(jì)算模型．圖3為氧化鋅避雷器模型內(nèi)部部件放大圖．

圖 1 均壓環(huán)結(jié)構(gòu)圖 圖 2 氧化鋅避雷器模型 圖 3 氧化鋅避雷器模型內(nèi)部部件放大圖 Fig.1 The grading ring structure Fig.2 Zinc oxide arrester model Fig.3 Enlargement of internal components of Zinc oxidearrester model

1.3 330 kV氧化鋅避雷器電勢(shì)和電場(chǎng)分布

1.3.1 內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度分布 在氧化鋅避雷器模型上,繪制其內(nèi)部y-z平面,從仿真模型平面可觀測(cè)其場(chǎng)強(qiáng)分布結(jié)果,如圖4，5所示．

由圖4,5的氧化鋅避雷器上、下節(jié)電阻片附近場(chǎng)強(qiáng)分布圖可以很清晰地辨別氧化鋅電阻片與鋁墊片．鋁墊片上下邊緣場(chǎng)強(qiáng)很大,這是由于為了建模方便鋁墊片邊緣存在尖角,在實(shí)際情況中,可以考慮將邊緣倒角,減少尖端電場(chǎng)．鋁墊片內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)接近于零．

1.3.2 電位分布線圖 在氧化鋅避雷器模型上取一條三維截線,取截線第一個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為(30,0,0);第二個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)為(30,0,3600)．通過一維繪圖組得出這條截線上的電位分布如圖6所示,圖7為避雷器下節(jié)氧化鋅電阻片電位的放大圖,其中橫軸表示氧化鋅避雷器模型高度，縱軸表示電壓值．

通過圖6可以看出,330 kV氧化鋅避雷器在下節(jié)第一個(gè)電阻片處電位為零,隨后隨著位置的升高,電位逐漸增大．而在中法蘭處電勢(shì)恒定不變．到避雷器上節(jié)第一個(gè)電阻片處電位又開始逐漸增大,直到上法蘭處電位最大為330 kV．圖6顯示上節(jié)處電位變化斜率高于下節(jié)處電位變化斜率,斜率越大,即電位變化越大,場(chǎng)強(qiáng)也就越大．由圖7可以看出,在每個(gè)鋁墊片處,電位恒定不變,鋁墊片的電位等于它下面氧化鋅電阻片上平面的電位,亦等于它上面的氧化鋅電阻片下平面的電位．

圖 6 氧化鋅電阻片電位分布圖 圖 7 電阻片電位分布圖局部放大圖Fig.6 The potential distribution of Zinc oxide resistor Fig.7 The potential distribution of resistor disc

1.3.3 電壓承擔(dān)率 根據(jù)氧化鋅避雷器模型的電位分布得出每個(gè)氧化鋅電阻片的上、下面電位[14-16],即可求得每個(gè)電阻片的實(shí)際承受電壓．通常采用電壓承擔(dān)率來衡量避雷器各個(gè)電阻片承擔(dān)電壓的高低程度,它是每個(gè)電阻片承受的實(shí)際電壓與理論平均電壓之比．其定義式為

(1)

其中:U0為避雷器承擔(dān)的額定電壓;n為避雷器電阻片的總個(gè)數(shù);Ui及Pi分別為第i層電阻片實(shí)際承受的電壓及電壓承擔(dān)率．可以看出Pi越接近1,電阻片就越能更大限度地發(fā)揮其絕緣強(qiáng)度．

已知U0=330 kV,n=96,由式(1)可以計(jì)算出每個(gè)電阻片的電壓承擔(dān)率．根據(jù)計(jì)算所得的各電阻片的電壓承擔(dān)率,繪制出圖8電壓承擔(dān)率曲線．由圖8可以看出:

(1) 避雷器的電壓承擔(dān)率最大值為1.17,最小值為0.82；

(2)避雷器高壓端區(qū)域電阻片的電壓承擔(dān)率均高于1.10,低壓端區(qū)域電阻片的電壓承擔(dān)率均低于0.95,即高壓端電阻片承擔(dān)的電壓均高于低壓端電阻片承擔(dān)的電壓．

2 電阻片相對(duì)介電常數(shù)對(duì)電壓承擔(dān)率的影響

由于氧化鋅避雷器高壓端(上節(jié))的48片電阻片電壓承擔(dān)率大于1,將其相對(duì)介電常數(shù)由原來的650分別變?yōu)?50，800和1 000,低壓端(下節(jié))48片電阻片的維持不變,應(yīng)用同樣的建模方式,根據(jù)1.3.3節(jié)的方法分別計(jì)算出每片氧化鋅電阻片上的電壓承擔(dān)率,選擇最優(yōu)的電壓承擔(dān)率分布．繪制出改變后的電阻片上電壓承擔(dān)率與改變前的對(duì)比圖,如圖9所示．

圖 8 330 kV氧化鋅避雷器電阻片電壓對(duì)比圖 圖 9 不同介電常數(shù)時(shí)電壓承擔(dān)率承擔(dān)率曲線圖 Fig.8 The voltage resistance curve graph of resistor with 330 kV Zinc oxide arrester Fig.9 Comparison of the rate of voltage resistance under different dielectric constant

將圖9和圖8對(duì)比可以看出,增大氧化鋅電阻片的介電常數(shù)可以提高避雷器下節(jié)電阻片的電壓承擔(dān)率, 降低上節(jié)電阻片的電壓承擔(dān)率, 使它們的電壓承擔(dān)率數(shù)值更加接近于1,電阻片能更大限度地發(fā)揮其絕緣強(qiáng)度． 從圖9中可知,高壓端(上節(jié))的48片電阻片的相對(duì)介電常數(shù)為800時(shí)的電壓承擔(dān)率曲線比750更加平滑，電壓分布不均勻系數(shù)更加合理;但高壓端電阻片的相對(duì)介電常數(shù)并不是越高越好,當(dāng)相對(duì)介電常數(shù)增加為1 000時(shí), 反而使得下端電阻片的電壓承擔(dān)率異常增高．因此在實(shí)際應(yīng)用中,可以通過逐步增加氧化鋅電阻片的相對(duì)介電常數(shù), 反復(fù)驗(yàn)證, 使電阻片的電壓分布不均勻系數(shù)和電壓承擔(dān)率更加地合理化．

根據(jù)仿真結(jié)果,氧化鋅避雷器電阻片上節(jié)采用大電容(相對(duì)介電常數(shù)為800)的電阻片,下節(jié)采用小電容(相對(duì)介電常數(shù)為650)的電阻片時(shí),上、下端電阻片的電壓承擔(dān)率分別為1.07和0.91,這樣的優(yōu)化改造對(duì)避雷器內(nèi)氧化鋅電阻片的電壓分布不均勻系數(shù)和電壓承擔(dān)率曲線有顯著的改善,使它們的電壓承擔(dān)率數(shù)值更加接近于1．

圖 10 氧化鋅避雷器優(yōu)化流程圖Fig.10 Flow chart of optimizing ZnO arrester

3 氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的流程設(shè)計(jì)

本文擬提出一種氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法,解決現(xiàn)有技術(shù)中通過增大電阻片主電容的方法進(jìn)行避雷器優(yōu)化[17]時(shí),均壓作用不夠顯著的問題．氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的流程圖如圖10所示．

文中電壓承擔(dān)率用Pi,見式(1)．據(jù)此計(jì)算,電壓承擔(dān)率的波動(dòng)系數(shù)σ:

(2)

同時(shí),定義電壓分布不均勻系數(shù)K:

(3)

根據(jù)圖10可以將氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法具體按照以下步驟實(shí)施:

步驟1:根據(jù)氧化鋅避雷器的尺寸參數(shù),建立避雷器內(nèi)部的幾何仿真模型,

步驟2:根據(jù)電場(chǎng)電壓分布進(jìn)行仿真計(jì)算得到步驟1中建立的避雷器模型的電場(chǎng)分布情況,即利用軟件對(duì)步驟1中建立的避雷器模型中的氧化鋅電阻片的電壓分布仿真計(jì)算.通過分析得到每個(gè)電阻片上所承擔(dān)的電壓數(shù)據(jù)Ui(i=1,2,3,…,n)．

步驟3:根據(jù)步驟2得出每個(gè)電阻片上承擔(dān)的電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算,并得到第i片氧化鋅電阻片上的電壓承擔(dān)率Pi和電壓分布不均勻系數(shù)K,這2個(gè)參量將作為優(yōu)化的目標(biāo)參量．

步驟5:根據(jù)步驟4的優(yōu)化結(jié)果,改造電阻片電容值,即考慮在同一避雷器上應(yīng)用不同相對(duì)介電常數(shù)的電阻片的方式和結(jié)構(gòu)來改善避雷器電阻片上電壓不均勻系數(shù)較大和電壓承擔(dān)率不夠均勻的問題．

4 結(jié) 論

(1) 當(dāng)氧化鋅避雷器電阻片上節(jié)采用大電容(相對(duì)介電常數(shù)比較大)的電阻片,下節(jié)采用小電容(相對(duì)介電常數(shù)比較小)的電阻片時(shí),這樣的優(yōu)化改造對(duì)避雷器內(nèi)氧化鋅電阻片的電壓分布不均勻系數(shù)和電壓承擔(dān)率曲線有顯著的改善,使它們的電壓承擔(dān)率數(shù)值更加接近于1,達(dá)到電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行安全的需要．

(2) 設(shè)計(jì)了一套氧化鋅避雷器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的流程,用以改善氧化鋅避雷器的均壓?jiǎn)栴}．首先要對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,即改變避雷器上電阻片的相對(duì)介電常數(shù)，進(jìn)而使電壓承擔(dān)率和電壓分布不均勻系數(shù)符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求,以達(dá)到提高避雷器使用壽命的目的．