基于電場優(yōu)化的主變中性點避雷器試驗輔助屏蔽裝置

陳高汝，李長元，鄒幾歡，陳 暉，紀哲強，許明龍，魯 坤，蘭 生

（1.國網(wǎng)福建省電力有限公司 福州供電公司，福州 350000；2.福州大學(xué)，福州 350108）

0 引言

我國110 kV 及以上交流電力系統(tǒng)通常采用大電流接地方式，即中性點有效接地［1］。在變電站實際運行中，為了限制單相接地電流［2］，通常采用主變接地、部分變壓器不接地的方式［3-9］。當中性點不接地的變壓器發(fā)生三相不對稱故障或雷電波入侵時，中性點平衡被破壞，出現(xiàn)嚴重的過電壓，威脅電力系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行［10］。在110 kV 及以上交流電力系統(tǒng)中，對于不接地的變壓器，常見的保護方式是并聯(lián)避雷器和放電間隙［11］。當系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，避雷器與放電間隙不工作；當發(fā)生接地故障時，產(chǎn)生高壓擊穿放電間隙，此時相當于中性點接地；當發(fā)生雷電波入侵時，避雷器工作［12］。因此，避雷器與放電間隙是110 kV 及以上交流電力系統(tǒng)不可缺少的部分。

避雷器在長期運行中，時常會因為老化、受潮等原因發(fā)生短路，導(dǎo)致絕緣損壞［13-14］。因此，變壓器中性點避雷器要定期開展直流泄漏試驗，以檢查避雷器是否存在絕緣缺陷。當開展直流泄漏試驗時，需對避雷器進行加壓，測量避雷器泄漏電流值。圖1 為某變電站中一主變中性點連接的避雷器，且并聯(lián)有放電間隙。在變壓器正常工作時，放電間隙可起到隔離變壓器帶電部分與大地的作用；當遇到過電壓時，放電間隙被擊穿，過電流通過間隙流入大地。220 kV 變壓器上的避雷器進行直流泄漏試驗時，大約需要施加211 kV 的電壓，而110 kV 的避雷器進行直流泄漏試驗時，大約需要施加的電壓為103 kV［15］。根據(jù)標準，變壓器中性點間隙距離與變壓器等級有關(guān)系，220 kV 變壓器的中性點放電間隙一般為28 cm，110 kV 變壓器的中性點放電間隙為13 cm［16］。當進行直流泄漏試驗時，由于棒—棒空氣間隙的擊穿場強遠小于施加的試驗電壓，放電間隙被擊穿，泄漏電流通過間隙流入大地，嚴重影響避雷器泄漏電流測量的準確性。

圖1 某變電站變壓器中性點避雷器圖Fig.1 Diagram of transformer neutral point arrester in a substation

為了避免與變壓器中性點避雷器并聯(lián)的放電間隙被擊穿，目前試驗現(xiàn)場采用的方法主要有兩種：一是使用高空作業(yè)車、絕緣梯等拆除放電間隙和避雷器引線，進行單獨試驗；二是使用高空作業(yè)車、絕緣梯等放置絕緣手套、絕緣靴、絕緣墊甚至是安全帽，對中間間隙設(shè)置屏蔽，防止間隙放電或擊穿［17］。這兩種方法均需要操作人員登高作業(yè)，由于避雷器通常離地有一定的高度，且避雷器基礎(chǔ)位置狹小，操作人員無論是站立還是懸掛安全帶都存在著一定的難度與危險系數(shù)。并且在一次試驗過程中，操作人員需要登高兩次，分別進行拆除與恢復(fù)裝置作業(yè)，試驗效率較低。由此可見，目前避免間隙被擊穿的方法存在著操作步驟煩瑣、操作危險等問題，急需一種能夠兼顧優(yōu)化間隙電場分布以及避免操作人員登高作業(yè)，提高試驗效率的多功能輔助屏蔽裝置。

因此，本文設(shè)計了一種由屏蔽裝置與絕緣桿相結(jié)合的主變中性點避雷器高壓試驗輔助屏蔽裝置，并對放電間隙是否加裝屏蔽裝置進行仿真分析，以驗證該裝置優(yōu)化放電間隙電場的有效性，并在此基礎(chǔ)上對屏蔽裝置進行改進。由于所提設(shè)計方案無須登高操作，其對保障操作人員與設(shè)備的安全、提高試驗的效率有著可觀的應(yīng)用前景。

1 屏蔽裝置設(shè)計思路

為解決當前直流泄漏試驗存在的問題，本文提出了一種主變中性點避雷器高壓試驗屏蔽裝置的設(shè)計方案。該裝置由屏蔽裝置與絕緣桿組成，屏蔽裝置選用由鋁板與聚乙烯板復(fù)合而成的復(fù)合屏蔽板，鋁板連接放電間隙電極，聚乙烯板用來承受高電場，改善試驗時放電間隙間的電場分布，防止試驗時放電間隙出現(xiàn)放電甚至擊穿現(xiàn)象，無須操作人員登高拆除放電間隙和避雷器引線。絕緣連桿選用絕緣性能良好的電木板作為桿身，桿中留有讓高壓試驗線通過的通孔。試驗時將試驗線穿過絕緣連桿與復(fù)合板左側(cè)鋁板相連然后進行加壓，防止在加壓時高壓試驗線對變壓器外殼以及周圍金屬架構(gòu)放電的同時亦能對屏蔽裝置進行有效固定，防止屏蔽裝置從電極上脫落。

本文對有無屏蔽裝置的放電間隙進行仿真，示意圖如圖2，對比兩種情況下間隙間電場分布，然后通過仿真對屏蔽裝置進行參數(shù)優(yōu)化確定裝置最優(yōu)參數(shù)，最后將屏蔽裝置與絕緣桿結(jié)合得到既能優(yōu)化放電間隙電場分布，又能避免操作人員登高試驗的多功能屏蔽裝置。

圖2 有無屏蔽裝置放電間隙示意圖Fig.2 Schematic diagram of discharge gap placement with or without shielding device

2 放電間隙電場仿真

變壓器中性點避雷器直流泄漏試驗系統(tǒng)原理如圖3所示，主變中性點直接連接避雷器與放電間隙。由于直流泄漏試驗所加的電壓大于間隙擊穿電壓，所以試驗時放電間隙被擊穿，泄漏電流會從放電間隙直接流入大地。本文所提的變壓器中性點避雷器直流泄漏試驗屏蔽裝置，擬用于改善放電間隙電場，避免放電間隙被擊穿。

圖3 中性點避雷器直流泄漏試驗系統(tǒng)圖Fig.3 DC leakage test system diagram of neutral lightning arrester

為了能對放電間隙的放電端起到電場分布優(yōu)化作用，并且便于對避雷器施加試驗電壓，本裝置的屏蔽結(jié)構(gòu)部分選用復(fù)合板，仿真模型如圖4 所示。使用本裝置進行試驗時，采用鋁板連接避雷器側(cè)來改善間隙電場分布以及加壓，而聚乙烯板的作用是承受高電場。

采用Ansys Workbench 軟件仿真計算，探究有、無安裝屏蔽裝置的放電間隙的電場分布區(qū)別。其中放電間隙電極均采用銅材料，屏蔽裝置安裝于放電間隙中，與電極接觸的板為鋁板，與鋁板復(fù)合的板為聚乙烯板（如圖4 所示）。棒—棒電極距離為110 mm，仿真時分別對避雷器側(cè)的電極施加+110 kV 與-110 kV 電壓。

圖4 棒-棒電極及屏蔽裝置模型Fig.4 Rod - rod electrode and shielding device model

2.1 無屏蔽裝置時的電場分布

對無屏蔽裝置的放電間隙進行電場仿真研究，仿真結(jié)果如圖5 和圖6 所示。在分別施加+110 kV、-110 kV 電壓下，放電間隙正中間的最小場強高達1.410 kV/mm，間隙局部電場最大場強甚至達到4.220 kV/mm，高于空氣擊穿場強（3 kV/mm）?？梢姛o屏蔽裝置時，在避雷器試驗電壓下的避雷器并聯(lián)放電間隙易產(chǎn)生放電。

圖5 +110 kV 無屏蔽裝置電場分布Fig.5 +110 kV electric field distribution without shielding device

圖6 -110 kV 無屏蔽裝置電場分布Fig.6 -110 kV electric field distribution without shielding device

2.2 有屏蔽裝置時的電場分布

為了優(yōu)化復(fù)合板的尺寸，分別對聚乙烯板不同直徑和厚度進行仿真分析，比較聚乙烯板附近的電場強度。在鋁板與聚乙烯板厚度均為3 mm 的條件下，改變復(fù)合板直徑，仿真結(jié)果如圖7 與圖8 所示。

從圖7 中可以看出，當復(fù)合板的直徑小于250 mm 時，隨著直徑的增大，復(fù)合板表面的場強略有增大，此時復(fù)合板附近的間隙不會被擊穿。復(fù)合板表面的場強隨著其直徑增加而增加，并且在直徑達到200 mm 左右時達到最大值；但是當直徑在200 mm～250 mm 之間時，復(fù)合板表面的場強發(fā)生驟降，并在直徑達到250 mm 時達到最小值；隨后復(fù)合板表面的場強又隨著直徑的增加而有所增大。圖8 中，放電電極處的最大場強則隨著直徑的增大而不斷變大。

圖7 不同直徑復(fù)合板表面電場強度Fig.7 Surface electric field intensity of composite plate with different diameters

圖8 不同直徑復(fù)合板間隙最大電場強度Fig.8 Maximum electric field intensity in clearance of composite plates with different diameters

圖9、圖10 與圖11、圖12 分別是板直徑為250 mm 與300 mm 時，不同極性電場下的場強分布仿真圖。從圖中可以看出，不同直徑下最大場強差別不大，但是整體來看，相較復(fù)合板直徑250 mm，直徑300 mm 時的電場分布情況更好。但考慮到變壓器中性點放電間隙的空間大小和現(xiàn)場使用的便捷性，本文將復(fù)合板的直徑確定為250 mm。

圖9 +110 kV 聚乙烯板直徑250 mm 時的電場分布Fig.9 Electric field distribution of +110 kV polyethylene plate with diameter of 250 mm

圖10 -110 kV 聚乙烯板直徑250 mm 時的電場分布Fig.10 Electric field distribution of -110 kV polyethylene plate with diameter of 250 mm

圖11 +110 kV 聚乙烯板直徑300 mm 時的電場分布Fig.11 Electric field distribution of+110 kV polyethylene plate with diameter of 300 mm

圖12 -110 kV 聚乙烯板直徑300 mm 時的電場分布Fig.12 Electric field distribution of -110 kV polyethylene plate with diameter of 300 mm

進一步研究在該直徑且鋁板厚度為3 mm 的情況下，不同聚乙烯板厚度對放電間隙場強分布的影響，仿真結(jié)果如圖13 與圖14 所示。由圖可知，聚乙烯板厚度為3 mm 時，復(fù)合板表面的場強達最小值0.362 kV/mm，但間隙最大場強高達3.400 kV/mm；聚乙烯板厚度為4 mm 時，復(fù)合板表面的場強雖比聚乙烯板厚度為3 mm 時有所增加，但此時的間隙最大場強達到最小值3.276 kV/mm。綜合考慮，本文選擇聚乙烯板的厚度為4 mm。

圖13 不同厚度板表面電場強度Fig.13 Electric field intensity on plate surface of different thickness

圖14 不同厚度板間隙最大電場強度Fig.14 Maximum electric field intensity of plate clearance of different thickness

2.3 屏蔽裝置使用效果

對比有屏蔽裝置（直徑250 mm、厚度7 mm 的鋁與聚乙烯的復(fù)合板）和無屏蔽裝置的放電間隙電場分布。由110 kV 電壓下的仿真分析可知，無屏蔽裝置時，間隙正中間的最小場強達到1.410 kV/mm，間隙局部的最大場強達到4.220 kV/mm；而放置屏蔽裝置時，間隙最大場強為3.276 kV/mm。顯然，在放電間隙間放置輔助屏蔽裝置能夠有效地改善放電間隙的電場分布，提高避雷器泄漏電流的檢測精度。

3 屏蔽裝置優(yōu)化

從圖10 與圖12 可以看出，由于鋁板過于?。? mm），將鋁板周圍倒圓也不能很好地抑制鋁板周圍的放電現(xiàn)象，并且板周長期放電導(dǎo)致絕緣材料加速劣化，聚乙烯板就可能被擊穿，所以需要在板周圍加上一圈50 mm 均壓環(huán)，通過增大板周圍曲率半徑，將高壓均勻分布在板周圍，可有效降低板周圍電場強度以及抑制板周圍的放電現(xiàn)象，屏蔽裝置加上均壓環(huán)后電場分布如圖15 所示。

從圖15 可以看出，在加上均壓環(huán)后，屏蔽板板周電場強度降低至1.6 kV/mm 左右，均壓效果顯著，但由于接地端電極尖端處場強高達2.749 kV/mm，在進行試驗時放電間隙仍存在放電甚至擊穿的風(fēng)險，所以需在接地端電極尖端加上同樣大小的聚乙烯板防止間隙在試驗時被擊穿。接地端電極加上聚乙烯板后電場分布如圖16。

圖15 加上外徑50 mm 均壓環(huán)時的電場分布Fig.15 The electric field distribution when adding an equalizing ring with an outer diameter of 50 mm

圖16 接地端電極加上聚乙烯板后電場分布Fig.16 Electric field distribution after grounding electrode plus polyethylene plate

從圖16 可以看出在接地端電極尖端加上與屏蔽裝置同等厚度的聚乙烯板后，放電間隙間的電場分布得到明顯優(yōu)化，接地端電極尖端的電場強度被有效抑制到1.6 kV/mm 左右。在經(jīng)過直流耐壓試驗檢驗后，放電間隙并沒有被擊穿，符合要求。

4 輔助屏蔽裝置整體設(shè)計以及使用示意圖

實際使用時，變壓器中性點放電間隙離地有一定的距離，為方便作業(yè)，降低作業(yè)人員人身風(fēng)險，本文提出了一種帶有絕緣桿的屏蔽裝置，如圖17 所示。該裝置由聚乙烯板、鋁板、鋁制接頭、導(dǎo)線、絕緣桿和支撐架組成。

圖17 輔助屏蔽裝置整體示意圖Fig.17 Schematic diagram ofwhole auxiliary device

鋁板與鋁制接頭通過焊接固定；鋁板、聚乙烯板之間緊密復(fù)合；鋁制接頭設(shè)有與絕緣桿匹配配裝的豎向通孔，以及讓放電電極與鋁板接觸的橫向通孔，連接絕緣桿與鋁板；絕緣桿設(shè)有讓導(dǎo)線穿過的通孔；每一節(jié)絕緣桿都有螺紋，可以根據(jù)實際作業(yè)環(huán)境選擇將不同數(shù)目絕緣桿結(jié)合在一起。為了讓屏蔽裝置與放電間隙可靠接觸，同時保證人員安全，絕緣桿上設(shè)有支撐架。當屏蔽裝置與放電電極可靠接觸時，可將支撐架支撐在變壓器的支架上。

輔助屏蔽裝置實際使用如圖18 所示，避雷器與放電間隙并聯(lián)。通過可以多節(jié)連接的絕緣桿將屏蔽裝置與放電間隙的放電端連接，并通過支撐架支撐在避雷器基礎(chǔ)上，使其可靠固定。將導(dǎo)線與升壓裝置連接，從桿身中穿過并與鋁板連接，然后運用絕緣桿在接地端電極側(cè)裝上聚乙烯板（厚度4 mm），即可在操作人員不登高作業(yè)的前提下實現(xiàn)對避雷器的加壓，進行避雷器直流泄漏試驗。由于聚乙烯板與空氣相比，有更高的擊穿場強，且其承受著間隙中高電場，此時放電間隙不會被擊穿，提高了避雷器泄漏電流的檢測精度。

圖18 輔助屏蔽裝置使用示意圖Fig.18 Schematic diagram of auxiliary device

5 結(jié)論

本文從電力生產(chǎn)實際中遇到的問題出發(fā)，提出了基于電場分布優(yōu)化的新型主變中性點避雷器高壓試驗輔助屏蔽裝置，并進行電場仿真模擬，得到以下結(jié)論：

（1）將鋁板和聚乙烯板復(fù)合在一起形成輔助裝置，可以有效地優(yōu)化放電間隙的電場分布；

（2）當復(fù)合板的直徑在250 mm 左右時，其附近的電場強度最??；

（3）屏蔽裝置采用鋁板的厚度為3 mm 時，聚乙烯板的厚度為4 mm，兩板直徑均為250 mm，板周帶50 mm 外徑均壓環(huán)時，裝置的輔助效果最佳；

（4）與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，該裝置極大地優(yōu)化了試驗過程，提高了工作效率，同時保證了裝置與試驗人員的安全，具有十分廣大的應(yīng)用前景。