氧化鋅避雷器抗相間、空間干擾帶電測(cè)試研究

高樹功，沈映

(云南電網(wǎng)公司紅河供電局，云南 蒙自 661100)

氧化鋅避雷器抗相間、空間干擾帶電測(cè)試研究

高樹功，沈映

(云南電網(wǎng)公司紅河供電局，云南 蒙自 661100)

對(duì)變電站內(nèi)氧化鋅避雷器及其周圍導(dǎo)體進(jìn)行三維建模，直接仿真計(jì)算氧化鋅避雷器遭受的相間、空間干擾電流的幅值和相位，評(píng)估干擾源對(duì)氧化鋅避雷器帶電測(cè)試的影響大小，并在已有氧化鋅避雷器帶電檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，通過疊加原理，將此干擾電流濾除以得到氧化鋅避雷器絕緣狀態(tài)的真實(shí)信息，提高避雷器帶電測(cè)試水平，為逐步開展的狀態(tài)檢修工作提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

氧化鋅避雷器；三維建模；仿真計(jì)算；相間空間干擾；幅值和相位

0 前言

目前，變電站內(nèi)氧化鋅避雷器絕緣性能的檢測(cè)一般有停電試驗(yàn)和帶電測(cè)試兩種方法。停電試驗(yàn)，會(huì)降低設(shè)備運(yùn)行的可靠性，同時(shí)還會(huì)增大電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，尤其是需要陪停電網(wǎng)主設(shè)備時(shí)，如變壓器側(cè)避雷器試驗(yàn)。有時(shí)甚至?xí)驗(yàn)檫\(yùn)行方式的限制無法停運(yùn)，導(dǎo)致避雷器無法按時(shí)預(yù)試，因此避雷器的帶電測(cè)試顯得尤為重要。帶電測(cè)試時(shí)，通常測(cè)試的參量為全泄漏電流、阻性電流和功率損耗，其中阻性電流基波有效值反映被測(cè)氧化鋅避雷器的污穢程度或受潮程度；阻性電流諧波有效值反映被測(cè)氧化鋅避雷器的老化程度；功率損耗引起溫升，反映被測(cè)氧化鋅避雷器的劣化程度。

在變電站現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行帶電測(cè)試時(shí)，由于站內(nèi)設(shè)備排列密集，所有導(dǎo)體之間都存在耦合電容，故不可避免地存在相間及空間干擾。對(duì)氧化鋅避雷器而言，相間干擾主要是指相間耦合電容產(chǎn)生的電流疊加到氧化鋅避雷器底部 (測(cè)量點(diǎn))的泄漏電流上；而空間干擾主要是強(qiáng)電場(chǎng)情況下，由臨近帶電間隔、上空帶電母線等帶電設(shè)備經(jīng)過耦合電容產(chǎn)生的電流疊加到氧化鋅避雷器的泄漏電流中，使得三相泄漏電流中的阻性電流差異極大。最終導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果無法反映避雷器真實(shí)的狀態(tài)，如閥片劣化、內(nèi)部受潮等。因此，必須設(shè)法消除氧化鋅避雷器帶電測(cè)試中的相間與空間干擾。

1 氧化鋅避雷器相間干擾分析

在氧化鋅避雷器正常運(yùn)行的條件下，持續(xù)電流中的容性電流占主導(dǎo)地位，而阻性電流所占的比重較小。在氧化鋅避雷器的實(shí)際測(cè)量中，A、B、C三相阻性電流所占總的持續(xù)電流的比重依次減小，而B相阻性電流占總的持續(xù)電流的比重約為10%，可設(shè)在避雷器正常運(yùn)行的情況下，阻性電流占總的持續(xù)電流的 10%，此時(shí) ?=arc cos0.1=84.26°。當(dāng)改變持續(xù)電流和電壓的相角?，默認(rèn)其幅值不變，對(duì)阻性電流IR的影響如下表所示。

表1 ?變化對(duì)阻性電流的影響

根據(jù)表1分析，當(dāng)相角?改變1.5°左右時(shí)，阻性電流的變化就超過20%，可見，相角差?對(duì)阻性電流的影響起主導(dǎo)作用，因此準(zhǔn)確測(cè)量持續(xù)電流的幅值和相角是最關(guān)鍵的。

現(xiàn)場(chǎng)布置的避雷器大都呈三相 “一”字排列，當(dāng)不考慮避雷器相間的電容干擾及周圍帶電體對(duì)其的影響時(shí)，避雷器在幅值相同相位互差120°的三相電壓UA、UB、UC的作用下，流過各相接地極的持續(xù)電流 IA、IB、IC應(yīng)相等，即有：IA=IB=IC，此時(shí)相角差也有：?A=?B=?C。但實(shí)際運(yùn)行條件下，干擾是不可避免的。研究及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，避雷器實(shí)際的持續(xù)電流關(guān)系變?yōu)椋篒′A＞I′C＞I′B，同時(shí)有三相的相角差關(guān)系：?A＜?B＜?C。

為深入研究該問題，選擇500 kV避雷器 (三節(jié)組裝構(gòu)成)為研究對(duì)象。

首先仿真計(jì)算單相避雷器的互電容和自電容，構(gòu)建避雷器部分電容與電阻網(wǎng)絡(luò)等效電路圖，帶入數(shù)值計(jì)算全電流和相角差，并和試驗(yàn)室實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比修正，確保仿真電路及仿真計(jì)算電容的準(zhǔn)確可靠。其次，為研究避雷器上端引出線對(duì)避雷器阻性電流測(cè)量的影響，分別建立不加引出線的避雷器的模型、上端加2米引出線的避雷器模型、上端加4米引出線的避雷器模型、無引出線的三相避雷器模型、有引出線的三相避雷器模型，之后進(jìn)行仿真計(jì)算并加以分析修正。最后得出相間干擾研究結(jié)論如下：

1)對(duì)單相避雷器而言，引出線長(zhǎng)度一定時(shí)，引出線高度對(duì)避雷器全電流以及相角差的測(cè)量影響很小，達(dá)到可以忽略引出線高度影響的程度。

2)對(duì)無引出線的三相避雷器，其相間干擾并不嚴(yán)重。

3)對(duì)帶引出線的三相避雷器，得到的全電流和阻性電流的大小關(guān)系也與理論上相一致，特別是B相的影響更小，這是由于，雖然A、C相對(duì)B相的互電容均發(fā)生改變，但是A、C相分別超前和滯后B相120°，對(duì)于在運(yùn)行情況下，A、C相的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)相差不大，它們對(duì)B相的總作用會(huì)相互抵消很大一部分。而對(duì)于A、C相而言，它們的全電流變化不大，但是A相的相角會(huì)變小，C相的相角會(huì)增大，改變度數(shù)有1.5°左右，造成這種情況的原因，是由于當(dāng)加入引出線后，三相的上端電極部分相比不加引出線要改變很多，這部分自電容的改變接近于2倍，互電容也改變很大，導(dǎo)體的計(jì)算面積增大，計(jì)算的電荷量也變大。雖然最上端的導(dǎo)體的自電容改變?cè)趦杀蹲笥?，但是最后?duì)測(cè)量電流的結(jié)果影響很小，這是由它實(shí)際的電路網(wǎng)絡(luò)決定的，這部分自電容是直接連接大地，對(duì)測(cè)量的全電流影響甚微。其原因主要還是互電容的增大，導(dǎo)致相間干擾得以加重。

2 氧化鋅避雷器空間干擾分析

在高電壓等級(jí)的變電站，在對(duì)實(shí)際運(yùn)行條件下的避雷器測(cè)試時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)全電流與電壓的相角差為90°甚至更多的情況。針對(duì)避雷器的相間干擾仿真分析表明，出現(xiàn)90°甚至更多的這個(gè)實(shí)際測(cè)量結(jié)果只能來自于空間相鄰帶電體的干擾。因此，深入研究避雷器周圍帶電體對(duì)避雷器的干擾是解決帶電測(cè)試有效性問題的關(guān)鍵之一。為此，分別建立三相帶侵入電容的等效電路模型及相鄰出線干擾情況下的電路模型并進(jìn)行分析。

2.1 相鄰帶電體干擾的仿真分析

帶電導(dǎo)體對(duì)避雷器本體的影響，主要由以下幾個(gè)方面來決定的：

1)帶電導(dǎo)體自身尺寸的大小。帶電導(dǎo)體自身尺寸大小決定了其干擾避雷器的面積和電荷量，是干擾電容大小的主要影響因素；

2)帶電導(dǎo)體和避雷器的空間距離。帶電導(dǎo)體與避雷器本體的空間距離也是影響干擾電容大小的另一因素，由電容的計(jì)算公式有：C=ε?S/ 4πkd可知，帶電體自身的結(jié)構(gòu)尺寸和與避雷器之間的距離決定了實(shí)際的干擾電容；

3)帶電導(dǎo)體的電壓等級(jí)。當(dāng)外界帶電導(dǎo)體的位置和空間尺寸確定以后，它對(duì)三相避雷器的干擾電容也確定了。由于帶電體會(huì)和避雷器通過干擾互容形成一個(gè)空間電容電路網(wǎng)絡(luò)，因此帶電體自身的電壓會(huì)影響到最終的干擾電流。

4)帶電導(dǎo)體與避雷器的相序相角關(guān)系。除了上述一些影響外，帶電體與避雷器之間的介質(zhì)(主要為空氣)、環(huán)境的溫度、環(huán)境的濕度等外界因素也會(huì)對(duì)干擾有所影響。本節(jié)重點(diǎn)研究帶電導(dǎo)體與避雷器的相序相角關(guān)系的影響。仿真時(shí)，在電路中加入外部侵入導(dǎo)體的電容及其電壓和相位，在相間干擾研究的基礎(chǔ)上，分析侵入電容對(duì)干擾電流的影響。仿真測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 帶電體與避雷器相角差對(duì)干擾的影響

通過改變帶電體與避雷器本體的相角差，可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)帶電體的相角滯后于A相避雷器時(shí)，得到的相角偏小，此時(shí)得到的阻性電流也是偏大的；當(dāng)帶電體的相角超前于A相避雷器時(shí)，得到的相角偏大，此時(shí)得到的阻性電流是偏小的。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)改變帶電體與避雷器本體的相角差時(shí)，測(cè)得的持續(xù)全電流的變化并不大，但是全電流與電壓的相角會(huì)變化，正是由于相角的變化，導(dǎo)致了阻性電流的增大或減小。

2.2 相鄰出線的干擾分析

變電站內(nèi)的引出線眾多，兩組三相線路水平布置的情況是很常見的，因此有必要深入了解該布置方式下，另外一回線路對(duì)三相避雷器耦合干擾所產(chǎn)生的影響，并如何適當(dāng)?shù)貫V除該種干擾。

通過構(gòu)建相鄰出線干擾的電路圖，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行仿真計(jì)算，對(duì)結(jié)果進(jìn)行定性分析，得出結(jié)論如下：

1)當(dāng)帶電體的相角超前避雷器時(shí)，會(huì)使全電流和電壓的相角變大；當(dāng)帶電體的相角滯后避雷器時(shí)，會(huì)使全電流和電壓的相角變?。辉趯?shí)際運(yùn)行情況下，避雷器附近兩倍AC相間距的帶電導(dǎo)體的影響不可忽略，應(yīng)該視為干擾源。干擾源與被影響避雷器的相序關(guān)系決定避雷器相角的變化方向。

2)通過對(duì)相鄰線路干擾的三維仿真計(jì)算，可以知道：在相鄰線路的干擾分析中，現(xiàn)場(chǎng)通常為三相排列，離避雷器最近的相別耦合電容最大，相鄰線路的相間干擾作用必然是最近的相別最強(qiáng)。實(shí)際上，變電站的外來空間干擾多數(shù)是三相干擾源同時(shí)存在，離被干擾避雷器空間位置最近的相別影響最大。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及部分?jǐn)?shù)據(jù)分析

同型號(hào)、同批次的500 kV避雷器在試驗(yàn)室進(jìn)行了單節(jié)試驗(yàn)，全電流為2.156 mA，相角差為84.998°。以下是500 kV I組母線測(cè)試分析。

圖1 三維示意圖

表3 仿真計(jì)算的干擾電流和相角

異常相位數(shù)據(jù)的干擾源分析：

該避雷器顯著的說明了空間相鄰干擾源的影響，A、B、C三相實(shí)測(cè)相角與僅考慮相間干擾的仿真計(jì)算結(jié)果完全不同，其主要干擾源為隔離開關(guān)的下端引出線。隔離開關(guān)由于布置的不對(duì)稱性，其下端引線向變電站水平中心線方向引出，它呈現(xiàn)出很強(qiáng)的不對(duì)稱干擾。

母線避雷器左邊隔離開關(guān)C相引線完全與三相避雷器平行，對(duì)A相避雷器為超前，從而增大了A相相角，對(duì)B線避雷器為滯后，從而減小了B相相角；而右邊的隔離開關(guān)A相引線則直接遠(yuǎn)離了三相避雷器；母線避雷器右邊隔離開關(guān)B相引線，對(duì)C相避雷器有增大相角的影響。

表4 實(shí)測(cè)值和濾除干擾后的計(jì)算值

4 結(jié)束語

通過建立避雷器及其周圍導(dǎo)體的三維模型，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果的分析和抗干擾計(jì)算，最終數(shù)據(jù)與試驗(yàn)室數(shù)據(jù)比較吻合，達(dá)到了濾除相間、空間干擾的目標(biāo)。但因三維建模及仿真計(jì)算的工作量較大，本文僅基于一個(gè)500 kV變電站來研究，建模也只考慮了該變電站的實(shí)際情況，而未考慮到其它站可能存在的特殊情況，因此在推廣應(yīng)用的過程中，若遇到特殊模型，可能會(huì)存在測(cè)試偏差的問題。因此未來還需進(jìn)一步擴(kuò)充典型模型庫，以典型建模為依托，考慮不同變電站抗干擾技術(shù)的通用性。

[1] GB 11032-2000.交流無間隙金屬氧化物避雷器 [S].

[2] Q/CSG114002-2011.電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)規(guī)程 [Z].

Research on Interphase and Space Interference Electric Testing Technology for Zinc Oxide Lightning Arrester

GAO Shugong，SHEN Ying
(Honghe Power Supply Bureau，Yunnan Power Grid Corporation，Mengzi，Yunnan 661100，China)

this topic proposed within the substation on zinc oxide lightning arrester and the surrounding the conductor for 3 d modeling，and the direct simulation of the zinc oxide lightning arrester to suffer，space interference current amplitude and phase，to assess the effect of interference sources of zinc oxide lightning arrester charged test size，and results in the existing zinc oxide lightning arrester charged detection technology application，on the basis of through the superposition principle，the interference current filter divided by zinc oxide lightning arrester insulation condition of real information，improve the level of lightning arrester charged test，to gradually develop the status of the repair work to provide reliable data to support.

zinc oxide lightning arrester；3D modeling；simulation calculation；interphase and space interference；amplitude and phase

TM83

B

1006-7345(2014)06-0015-04

2014-06-26

高樹功 (1978)，男，工程師，云南電網(wǎng)公司紅河供電局，從事高電壓技術(shù)的試驗(yàn)研究和管理工作 (e-mail)gsg20＠126.com。

沈映 (1984)，男，工程師，云南電網(wǎng)公司紅河供電局，從事高電壓技術(shù)的試驗(yàn)工作 (e-mail)shenmao850122＠163.com。