受潮避雷器溫升分布特性仿真分析

曾 國，王 曉，劉守文，劉 斌，張 崧，劉 波，隗 震，王 卓，黎淑娟

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司黃石供電公司，湖北 黃石435000；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢430074；3.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司），湖北 武漢430074；4.哈爾濱供電公司，黑龍江 哈爾濱150006）

0 引言

金屬氧化鋅避雷器（MOV）作為一種釋放過電壓能量的裝置，連接于導(dǎo)線與地之間，與被保護(hù)設(shè)備并聯(lián)，可保護(hù)發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等免受操作過電壓及雷電過電壓的侵害，因此，大量的避雷器被投入電網(wǎng)運行［1-4］。避雷器性能的優(yōu)劣關(guān)系著電網(wǎng)運行的安全與穩(wěn)定［5-6］，所以對于投運時間過久的避雷器，掌握其運行狀態(tài)（是否存在受潮、老化現(xiàn)象或氧化鋅電阻片的非線性發(fā)生變化等）至關(guān)重要。

受潮、老化、短路和異常運行等事件是避雷器發(fā)生絕緣故障的主要原因［1］，其中避雷器電阻片受潮主要由密封不嚴(yán)和制造工藝問題引起，使得流過避雷器的泄漏電流異常增大，即導(dǎo)致電阻片有功損耗增大，可能造成熱擊穿或爆炸［7］；另外，避雷器長期運行的過程中，由于雜散電容的存在或短路的發(fā)生使得避雷器電阻片上電位分布不均勻，導(dǎo)致部分電阻片承受過高電壓，引起發(fā)熱，同時，也會使避雷器的伏安特性發(fā)生相應(yīng)改變，進(jìn)而引起電阻片老化［8-10］；除此之外，異常運行會引起避雷器表面電位不相等，導(dǎo)致避雷器內(nèi)外形成較大的電勢差，造成避雷器內(nèi)部局部放電［11］，甚至損壞，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行［12］。

避雷器能否可靠運行，是影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的重要因素。而對運行中的避雷器進(jìn)行狀態(tài)在線監(jiān)測是保證其安全運行的重要手段。紅外檢測技術(shù)具有不停電、不取樣、不接觸、成本低、實用性強(qiáng)等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備的故障診斷［13-15］。因此，基于紅外熱像檢測技術(shù)，對避雷器的故障進(jìn)行在線監(jiān)測，對有效延長避雷器的使用壽命、降低人力成本和物力損失具有重要意義。關(guān)于避雷器溫度場的計算，1980 年Tominage 等［16］假設(shè)電阻片功率損耗為溫度的指數(shù)函數(shù)，外套散熱為溫度的線性函數(shù)，利用發(fā)-散熱曲線分析了避雷器的平衡狀態(tài)；Lat 等［17］為了分析避雷器的熱特性，提出了用類似求解電路的方法對由熱壓源、熱阻和熱容組成的熱路模型進(jìn)行近似計算，熱路各組成部分對應(yīng)避雷器的各元件。目前，對避雷器溫升的計算主要基于試驗［18-19］和熱路模型法［20］。近年來，隨著數(shù)值計算技術(shù)的發(fā)展，有限元法、熱電耦合法在電氣設(shè)備的溫度場計算中得到了廣泛的應(yīng)用［21-25］。

何金良等利用有限元法計算了合成套ZnO限壓器的二維溫度場；楊雅倩等利用有限元法對500 kV 及1 000 kV 變電站用氧化鋅避雷器模型進(jìn)行熱電耦合，仿真計算了MOV在正常工況、閥片老化及受潮3種情況下的電位、場強(qiáng)及溫度分布，通過綜合分析電位、場強(qiáng)及溫度分布判別避雷器的絕緣狀態(tài)；張丕沛根據(jù)500 kV 和1 000 kV 變電站用及800 kV 直流母線避雷器實際結(jié)構(gòu)，搭建了三維有限元計算模型，分析了避雷器不同位置短路及不同節(jié)受潮時的電位分布；楊青利用有限元法分析了MOA外表面的溫度分布規(guī)律，同時考慮了環(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽輻射等因素對避雷器內(nèi)部傳熱及外表面溫度分布的影響；溫慧等結(jié)合避雷器熱傳遞過程，闡述了有限元法計算避雷器溫度場的原理，針對新型避雷器模型進(jìn)行瞬態(tài)溫度場仿真，分析了避雷器的溫度分布和散熱規(guī)律［26-30］。

綜上所述，雖然國內(nèi)外對MOV溫升特性開展了大量研究，但針對受潮程度對避雷器溫升的影響缺乏系統(tǒng)的研究。因此有必要對避雷器在不同受潮故障類型下的溫升特性開展系統(tǒng)研究，從而為避雷器運行狀態(tài)的紅外熱像診斷提供理論依據(jù)。

1 避雷器溫升計算方法

針對500 kV 變電站用氧化鋅避雷器，采樣電-熱耦合方法，仿真分析氧化鋅避雷器不同位置受潮時的溫升特性，具體計算流程如圖1所示。

圖1 氧化鋅避雷器穩(wěn)態(tài)溫度仿真計算流程Fig.1 Steady state temperature simulation calculation process of Zinc oxide arrester

電磁場分析的要點是麥克斯韋方程組，其描述了變化的電場會激發(fā)磁場，而變化的磁場也會感應(yīng)產(chǎn)生電場，電場、磁場不是獨立的，它們彼此相互聯(lián)系、相互影響進(jìn)而構(gòu)成一個統(tǒng)一體，即電磁場。麥克斯韋方程組微分形式為：

當(dāng)要分析的電磁場接近于穩(wěn)態(tài)時，位移電流密度與傳導(dǎo)電流密度的值比較起來可以完全被忽略，即忽略由變化的電場產(chǎn)生的磁場，則麥克斯韋方程組（1）表示為：

引入輔助方程：

式（3）中：σ為避雷器電阻片的電導(dǎo)率，S/m。

把電場強(qiáng)度E 作為待求解物理量，則避雷器在正弦時變場中電場的傳播過程為：

由于功率損耗為計算溫升的“熱源”，則避雷器電阻片單位面積功率損耗P可表示為：

對于避雷器穩(wěn)態(tài)溫度場的傳熱分析，根據(jù)傳熱學(xué)理論，避雷器的熱傳導(dǎo)過程包括：電阻片、套管、環(huán)氧管、傘裙、法蘭等固體之間的導(dǎo)熱和法蘭、傘裙與環(huán)境之間的自然對流換熱，而避雷器的熱傳導(dǎo)遵循傅里葉定律：

2 避雷器模型及參數(shù)設(shè)置

本文采用型號為Y20W-444/1106 的500 kV 氧化鋅避雷器模型。MOV主要組成部分有：電阻片、套管、環(huán)氧管、硅橡膠傘裙、法蘭（A、B、C、D）、均壓環(huán)等，其材料屬性見表1所示。為具體研究避雷器內(nèi)外部溫升分布特性，后續(xù)主要取電阻片軸向路徑m-n 和避雷器外表面路徑fs 兩條路徑進(jìn)行分析。氧化鋅避雷器模型、主要組成部分以及路徑如圖2所示。

圖2 氧化鋅避雷器模型、組成部分、路徑示意圖Fig.2 Zinc oxide arrester model,components and path diagram

時諧場計算時，采用軸對稱模型進(jìn)行分析，避雷器各組成部分相對介電常數(shù)及電阻率的設(shè)置如表1所示，對法蘭A 及均壓環(huán)加載正弦交流電壓，幅值為500/ 3 × 2 kV，頻率為50 Hz，法蘭D 加載0 V；通過時諧場計算獲得電阻片熱功率后，以電阻片產(chǎn)生的熱功率作為發(fā)熱源，計算避雷器的溫度場，環(huán)境溫度設(shè)置為20 ℃，MOV 外表面的對流換熱系數(shù)取4 W/（m2·℃）。

表1 避雷器電-溫度場仿真材料屬性Table 1 Material properties of arrester's electrical-temperature field simulation

3 避雷器溫升計算

3.1 正常條件下避雷器溫升特性

正常條件下，避雷器的溫度分布如圖3所示，最高溫度為20.011 7 ℃，溫升僅為0.011 7 ℃，可見在正常運行情況下，避雷器的溫升較低；相關(guān)研究表明：330～500 kV 的MOV 在最高運行電壓下可能出現(xiàn)的最高溫升一般不超過4.0～5.3 ℃。

圖3 正常避雷器的溫度分布Fig.3 Normal temperature distribution of arrester

圖4為避雷器電阻片路徑m-n和外表面路徑fs上的溫度分布，由圖4可知：避雷器上節(jié)電阻片整體溫度高于下兩節(jié)，最大溫度約為20.01153 ℃，這是因為避雷器對地存在雜散電容，使得靠近高壓端的上節(jié)電阻片承受的電壓較高，有功損耗更大，導(dǎo)致上節(jié)電阻片的整體溫度更高；3節(jié)電阻片中，溫度最大值均出現(xiàn)在中間位置且向兩端減小，這是由于電阻片兩端的法蘭散熱效果較好，故靠近法蘭的電阻片溫度較低。避雷器外表面法蘭溫度明顯高于傘裙，最大溫度為20.007 ℃，且上節(jié)避雷器兩端法蘭A 和B 的溫度更高，避雷器內(nèi)部的溫升約是外表面溫升的1.6倍。

圖4 路徑m-n和fs上的溫度分布Fig.4 Temperature distribution on paths M-N and FS

3.2 故障設(shè)置方法

當(dāng)MOV因各種原因造成內(nèi)部受潮時，會導(dǎo)致電阻片側(cè)面或瓷套內(nèi)壁沿面放電，引起局部輕度發(fā)熱，嚴(yán)重時會產(chǎn)生沿面閃絡(luò)。在避雷器受潮早期，水分進(jìn)入避雷器內(nèi)部，使得流過避雷器的泄漏電流增大，導(dǎo)致避雷器溫度升高；當(dāng)避雷器嚴(yán)重受潮時，電阻片的電導(dǎo)率增大，使流過MOV 的阻性電流分量接近或超過容性電流，從而導(dǎo)致溫度升高。為此，將避雷器的受潮程度分為：輕度受潮和嚴(yán)重受潮兩種情況。當(dāng)避雷器輕度受潮時，大量水珠以水帶的形式凝結(jié)在電阻片表面，輕度受潮的避雷器經(jīng)過適當(dāng)處理還可以繼續(xù)使用；當(dāng)避雷器嚴(yán)重受潮時，電阻片的電阻將會減小，避雷器嚴(yán)重受潮節(jié)的電阻約減小99.3%，嚴(yán)重受潮的避雷器應(yīng)立即采取措施消缺或退出運行。

為了模擬MOV輕度受潮時的溫升特性，將厚度為3 mm 的圓環(huán)形水帶附著在電阻片表面，其模型如圖5示。根據(jù)規(guī)程：正常運行時，35 kV及以上避雷器絕緣電阻應(yīng)不低于2 500 MΩ，為了模擬MOV嚴(yán)重受潮時的溫升特性，取電阻片電阻約為0.23 MΩ。

圖5 避雷器輕度受潮時的水膜模型Fig.5 Water film model of arrester under mild damp

3.3 輕度受潮時避雷器溫升結(jié)果

當(dāng)MOV輕度受潮時，得到避雷器的溫度分布如圖6 所示，可明顯看出，受潮節(jié)電阻片的溫度較正常節(jié)高；避雷器上、中、下3 節(jié)分別受潮時的最高溫度分別為23.864 2 ℃、21.221 ℃、20.982 7 ℃，溫升分別為3.864 2 ℃、1.221 ℃、0.982 7 ℃，上節(jié)受潮時的溫升最大。整體來看，輕度受潮時避雷器的溫升較小，其最大溫升在允許的最高溫升之內(nèi)，可認(rèn)為輕度受潮對避雷器的溫升影響較小。

圖6 避雷器輕度受潮時的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of arrester under mild damp

避雷器電阻片路徑m-n和外表面路徑fs上的溫度分布如圖7所示，當(dāng)避雷器上、中、下3節(jié)分別受潮時，避雷器內(nèi)部最大溫升分別為3.83 ℃、1.21 ℃、0.97 ℃，避雷器外表面上最大溫升分別為2.186 ℃、0.441 ℃、0.574 ℃，避雷器內(nèi)部最高溫升是外表面溫升的1.69～2.74 倍；當(dāng)避雷器上節(jié)受潮時，法蘭A、B 上的溫度升高，法蘭A 上溫升最大，約為2.186 ℃；中節(jié)受潮時，法蘭B、C 上溫升增加，兩者的溫升差14.3%；下節(jié)受潮時，法蘭C、D 上溫升增大，法蘭D 上溫升最大，溫升值約為0.574 ℃。

圖7 路徑m-n和fs上的溫度分布Fig.7 Temperature distribution on paths M-N and FS

3.4 重度受潮時避雷器溫升結(jié)果

當(dāng)避雷器嚴(yán)重受潮時，得到避雷器溫度分布如圖8所示，避雷器上、中、下3節(jié)分別受潮時的最大溫度分別為62.481 ℃、39.6393 ℃、31.3607 ℃，溫升分別為42.481 ℃、19.639 3 ℃、11.360 7 ℃，上節(jié)受潮時溫升最明顯。避雷器嚴(yán)重受潮時溫度明顯增大，可見嚴(yán)重受潮對避雷器的溫升影響較大。

圖9為避雷器電阻片路徑m-n和外表面路徑fs上的溫度分布，當(dāng)避雷器上、中、下3節(jié)分別嚴(yán)重受潮時，避雷器內(nèi)部最大溫升分別為42.32 ℃、19.5 ℃、11.26 ℃，外表面最大溫升分別為24.227 ℃、7.095 ℃、6.595 ℃，避雷器內(nèi)部溫升是外表面溫升的1.71～2.75倍；當(dāng)避雷器上節(jié)受潮時，法蘭A、B上的溫度升高，法蘭A 上溫升最大，且其溫升值較大，為24.227 ℃；中節(jié)受潮時，法蘭B、C 上溫升增加，兩者的溫升差15.7%；下節(jié)受潮時，法蘭C、D 上溫升增大，法蘭D 上溫升最大，其溫升值為6.595 ℃。

圖8 避雷器重度受潮時的溫度分布Fig.8 Temperature distribution of arrester under severe damp

圖9 路徑m-n和fs上溫度分布Fig.9 Temperature distribution on paths M-N and FS

3.5 小結(jié)

如圖10 所示，避雷器輕度受潮時，電阻片上的最高溫升為3.83 ℃，與正常電阻片上的溫升0.01153 ℃相比，溫升較?。恢囟仁艹睍r，電阻片上最高溫度為42.32 ℃，與正常電阻片上的溫升相比，溫升非常明顯。當(dāng)避雷器輕度受潮時，上節(jié)受潮時內(nèi)部溫升比其他兩節(jié)受潮時高2.6 ℃～2.8 ℃；當(dāng)避雷器嚴(yán)重受潮時，上節(jié)受潮時內(nèi)部溫升比其他兩節(jié)受潮時高22.8～31.1 ℃，表明上節(jié)受潮時引起的溫升更為明顯。

圖11為正常與受潮時避雷器外表面的溫升變化。當(dāng)避雷器上節(jié)、中節(jié)、下節(jié)輕度受潮時，外表面最大溫升分別約為2.186 ℃、0.441 ℃、0.574 ℃，雖然與正常避雷器外表面溫升0.007 ℃相比，溫升并不是很明顯，但該溫升仍在紅外熱像儀的檢測精度范圍之內(nèi)，若能采用相關(guān)措施提高紅外檢測技術(shù)的精度，可對輕度受潮故障進(jìn)行檢測。

圖10 路徑m-n上溫度對比Fig.10 Temperature comparison on path M-N

圖11 路徑fs上溫度對比Fig.11 Temperature comparison on path FS

而當(dāng)避雷器上、中、下3 節(jié)分別嚴(yán)重受潮時，外表面的最大溫升分別為24.227 ℃、7.095 ℃、6.595 ℃，與正常避雷器外表面溫升相比，溫升增大極為明顯，采用紅外檢測可有效判斷避雷器的重度受潮缺陷。

4 結(jié)語

本文從理論上分析了避雷器溫度分布特性，結(jié)合500 kV典型避雷器參數(shù)搭建仿真模型，設(shè)置故障模型等效受潮避雷器，并進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，正常避雷器及受潮避雷器在溫升分布上存在明顯差異。通過避雷器外表面溫升的變化及整體溫升分布，可檢測避雷器各節(jié)的受潮情況，但針對輕度受潮溫升分部差別不大，需采用相關(guān)措施提高紅外的檢測精度。相關(guān)結(jié)論可為后續(xù)避雷器組紅外檢測缺陷診斷提供理論依據(jù)。

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