氧化鋅避雷器殘壓檢測(cè)及信號(hào)特征分析

任亞龍

（國(guó)網(wǎng)德州供電公司，山東 德州 253000）

現(xiàn)階段，我國(guó)高壓線(xiàn)路的工作要求和技術(shù)含量都呈現(xiàn)出不斷提升的趨勢(shì)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全在負(fù)荷量不斷增大的情況下也提出了新的要求。避雷裝置在高壓電運(yùn)行系統(tǒng)中的應(yīng)用具有非常重要的實(shí)際意義。通過(guò)合理應(yīng)用避雷裝置取得更好的避雷效果、不斷提升避雷系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，是氧化鋅避雷器殘壓檢測(cè)以及信號(hào)特征分析工作的重點(diǎn)要求，同時(shí)，也是避雷裝置取得更好的應(yīng)用效果的重要保障。

1 避雷器故障對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行影響的仿真分析

1．1 輸電線(xiàn)路運(yùn)行狀態(tài)仿真模型構(gòu)建

高壓輸電線(xiàn)路在雷電過(guò)電壓現(xiàn)象發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的情況是復(fù)雜而豐富的，而仿真分析是最能夠結(jié)合實(shí)際情況找到問(wèn)題引發(fā)原因的一種分析方法。本文采用專(zhuān)業(yè)的仿真軟件進(jìn)行整體的高壓輸電線(xiàn)路雷電過(guò)電壓現(xiàn)象分析。首先應(yīng)建立仿真模型，這是仿真分析的基礎(chǔ)條件。在整體的輸電線(xiàn)路仿真模型構(gòu)建中，應(yīng)當(dāng)包括輸電線(xiàn)路本身的仿真模型、金屬氧化物、避雷器模型等[1]。

關(guān)于電路數(shù)值模型的仿真計(jì)算，需要將可能產(chǎn)生數(shù)值不穩(wěn)定的影響因素都考慮在內(nèi)。從地雷電路圖的結(jié)構(gòu)分析可知，R1與L1是低通濾波電路的主要組成結(jié)構(gòu)。若沖擊電流的波頭時(shí)間持續(xù)延長(zhǎng)，則濾波電路的特性表現(xiàn)為低抗阻，A0與A1這兩項(xiàng)非線(xiàn)性電阻會(huì)接近于直接并聯(lián)的狀態(tài)。若沖擊電流的波頭時(shí)間相對(duì)較短，則濾波電路的阻抗特性會(huì)更為顯著，這時(shí)沖擊電流會(huì)進(jìn)入非線(xiàn)性電阻A0的支路中[2]。關(guān)于模型中相關(guān)參數(shù)的確定方法，主要計(jì)算公式如下：

式中，字母d為非線(xiàn)性電阻片高度的指標(biāo)，n為金屬氧化物避雷器非線(xiàn)性電阻片的并聯(lián)數(shù)量。

在本文研究中，電壓指標(biāo)規(guī)定為220kV，避雷器的額定電壓規(guī)定為192kV，持續(xù)運(yùn)行電壓規(guī)定為150kV。按照上述5個(gè)公式可計(jì)算出IEEE避雷器模型的電氣仿真參數(shù)指標(biāo)，具體的仿真參數(shù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表如表1所示。

表1 仿真參數(shù)計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

1．2 避雷器發(fā)生故障狀態(tài)下的過(guò)電壓指標(biāo)分析

為了針對(duì)性地分析高壓輸電線(xiàn)路避雷器故障的實(shí)際狀態(tài)，本文應(yīng)用仿真系統(tǒng)對(duì)不同電流估值情況下的雷電過(guò)電壓指標(biāo)進(jìn)行仿真分析[3]。需要強(qiáng)調(diào)的是，仿真分析需結(jié)合交流電氣裝置電壓保護(hù)和絕緣的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行，具體雷電流幅值的計(jì)算公式如下：

式中，P指標(biāo)為雷電流幅值超過(guò)I的實(shí)際頻率，I則是雷電流的幅值指標(biāo)，單位為kA。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析可知，在具體的雷電流幅值變化趨勢(shì)方面，當(dāng)雷電流的幅值逐步增大時(shí)，其發(fā)生概率按照先大后小的變化趨勢(shì)發(fā)生變化。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的觀察可知，當(dāng)雷電流的總體數(shù)值小于40kA時(shí)，其發(fā)生概率達(dá)到65%，而在20kA附近時(shí)，其發(fā)生概率相對(duì)最高。因此，在仿真研究時(shí)應(yīng)優(yōu)先選擇20kV這一基準(zhǔn)數(shù)據(jù)指標(biāo)對(duì)雷電的過(guò)電壓進(jìn)行仿真分析。

通過(guò)本文仿真分析可見(jiàn)，若雷電故障發(fā)生，則線(xiàn)路雷電的過(guò)電壓峰值會(huì)隨著雷電流的幅值增加而呈現(xiàn)出線(xiàn)性同步增加的趨勢(shì)。另外，線(xiàn)路的避雷器能夠在一定程度上對(duì)過(guò)電壓幅值起到限制作用，而若未能在整體的運(yùn)行線(xiàn)路中安裝避雷器，則電流增加時(shí)過(guò)電壓幅值會(huì)直線(xiàn)上升。由此可見(jiàn)，應(yīng)用避雷器進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)控能夠?qū)ζ溥\(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行一定程度的預(yù)測(cè)，對(duì)雷電過(guò)電壓導(dǎo)致的設(shè)備絕緣損壞現(xiàn)象也有一定的輔助改善作用。

2 殘壓檢測(cè)結(jié)構(gòu)的有限元分析

2．1 避雷器殘壓檢測(cè)裝置在不同狀態(tài)下的電壓情況分析

在不同的裝置運(yùn)行狀態(tài)下，殘壓檢測(cè)裝置的電壓指標(biāo)也存在非常顯著的差異，表達(dá)形式有所不同，具體的表達(dá)式如下：

式中，U1主要表示避雷器殘壓檢測(cè)裝置的輸出電壓指標(biāo)，U0主要表示線(xiàn)路對(duì)地的電壓數(shù)據(jù)，K主要表示陶瓷電容傳感器的分壓比指標(biāo)。在實(shí)際應(yīng)用中，避雷器殘壓檢測(cè)裝置能夠起到對(duì)避雷器的電壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)確認(rèn)的作用，同時(shí)，還能在等效電容的作用下，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到提升。這能夠整體性提升電路避雷器的運(yùn)行壽命。

2．2 殘壓檢測(cè)結(jié)構(gòu)的有限元仿真分析

2．2．1 數(shù)據(jù)仿真分析的原理研究

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過(guò)程中，通常會(huì)借助拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)達(dá)到相應(yīng)的目標(biāo)模型的分析，而具體的分析工作以電場(chǎng)強(qiáng)度電位分布分析為主要內(nèi)容。從現(xiàn)階段的實(shí)際情況來(lái)看，幾何結(jié)構(gòu)背景下的電場(chǎng)強(qiáng)度和電位分布仿真研究是比較常見(jiàn)的殘壓檢測(cè)結(jié)構(gòu)有限元仿真分析方法。在本文探討的氧化鋅避雷器相關(guān)殘壓檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)分析中，主要應(yīng)用有限元方式建立模型進(jìn)行數(shù)據(jù)仿真分析，在仿真分析中需要解決和簡(jiǎn)化的主要問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：

（1）在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特征上，表現(xiàn)為軸對(duì)稱(chēng)特征。

（2）避雷器和殘壓檢測(cè)裝置與其余的電力設(shè)備的客觀距離大于自身的原本尺寸，因此，問(wèn)題的研究可放在無(wú)界域的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行。

（3）應(yīng)用漸進(jìn)邊界技術(shù)，將無(wú)界域的問(wèn)題進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)化。

（4）在排除了位移電流和漏電電流的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)模型電位電場(chǎng)分布的分析。可將模型的交流電場(chǎng)問(wèn)題直接視作靜電場(chǎng)問(wèn)題進(jìn)行研究，并基于上述原則進(jìn)行有限元仿真分析，其二維平面整體計(jì)算公式如下：

基于二維平面對(duì)稱(chēng)軸區(qū)域的公式為：

2．2．2 仿真模型的構(gòu)建分析

構(gòu)建仿真模型亦在研究高壓輸電線(xiàn)路，金屬氧化物避雷器兩端并聯(lián)的陶瓷電容傳感器可能會(huì)對(duì)避雷器裝置產(chǎn)生不良影響。在仿真分析背景下，借助仿真計(jì)算方法對(duì)避雷器的殘壓檢測(cè)拓?fù)溥M(jìn)行仿真研究。研究過(guò)程中需結(jié)合氧化鋅避雷器和避雷器殘壓檢測(cè)的有限元分析模型，仿真模型的材料數(shù)據(jù)參數(shù)如下：

（1）陶瓷材料的相對(duì)介電常數(shù)為6，電導(dǎo)率為1．2x10－5。

（2）空氣的相對(duì)介電常數(shù)指標(biāo)為1，電導(dǎo)率為0。

（3）硅橡膠的相對(duì)介電常數(shù)為3．6，電導(dǎo)率為1x10－18[5]。

（4）玻璃纖維的相對(duì)介電常數(shù)為4．2，電導(dǎo)率為1x10－18。

（5）金屬氧化物的相對(duì)介電常數(shù)為2250，電導(dǎo)率為變量。

借助專(zhuān)業(yè)的仿真軟件進(jìn)行分析，可得到特性方程式如下：

式中：U代表避雷器的兩端電壓指標(biāo)，單位為V；I代表流過(guò)避雷器的電流指標(biāo)，單位為A；k表示避雷器的常數(shù)數(shù)值，k＝225000；α表示避雷器的非線(xiàn)性參數(shù)指標(biāo)，α＝0．7852。避雷器的結(jié)構(gòu)尺寸及其材料選擇對(duì)有限元仿真模型的建立非常重要，應(yīng)對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。避雷器及殘壓檢測(cè)裝置模型圖如圖1所示。

圖1 避雷器及殘壓檢測(cè)裝置模型圖

在具體的仿真分析中，需要在氧化鋅避雷器的終端用220kV、50Hz的系統(tǒng)電壓作為仿真分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)背景。為了得到不同實(shí)際情況下的仿真計(jì)算真實(shí)結(jié)果，需要對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行合理的設(shè)置，以便針對(duì)性地完成數(shù)值的計(jì)算。關(guān)于邊界條件主要包括電壓的施加、電流的施加、零電位狀態(tài)、電器絕緣狀態(tài)、連續(xù)狀態(tài)、電流密度、標(biāo)準(zhǔn)化狀態(tài)、電場(chǎng)強(qiáng)度等。

3 氧化鋅避雷器的殘壓檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)踐分析

3．1 殘壓檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述

當(dāng)避雷器出現(xiàn)故障時(shí)，殘壓特性與常規(guī)避雷器會(huì)產(chǎn)生非常顯著的變化，電力設(shè)備和運(yùn)行系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)也會(huì)呈現(xiàn)出異常。因此，本文設(shè)計(jì)了下位機(jī)數(shù)據(jù)采集傳輸、上位機(jī)數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)模式的殘壓檢測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)針對(duì)性的設(shè)計(jì)，促使整個(gè)系統(tǒng)在完整性和實(shí)際工作狀態(tài)方面達(dá)到穩(wěn)定水平。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)后，下位機(jī)的系統(tǒng)會(huì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的初始化過(guò)程，隨后對(duì)電路外部的電信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和判斷。初步判斷和采集工作完成后，可觸發(fā)相應(yīng)的殘壓檢測(cè)裝置，使殘壓信號(hào)數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)啟動(dòng)。數(shù)據(jù)采集完畢后，由通信信號(hào)平臺(tái)將所采集的真實(shí)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)。檢測(cè)人員可通過(guò)登錄賬號(hào)的方式對(duì)下位機(jī)傳送的具體數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并且用串口端完成數(shù)據(jù)的接收。另外，整個(gè)系統(tǒng)中還包括了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析及圖片信息保存等功能。

3．2 電壓信號(hào)的變換設(shè)計(jì)分析

添加信號(hào)的變換功能主要是在陶瓷電容傳感器檢測(cè)到電壓信號(hào)時(shí)結(jié)合具體的電壓信號(hào)完成轉(zhuǎn)換，提供標(biāo)準(zhǔn)化、穩(wěn)定的電壓信號(hào)。在避雷器的殘壓檢測(cè)系統(tǒng)中所采集的初始電壓信號(hào)一般有頻率高、幅值高等特征，需要通過(guò)電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化方式使整體的電壓信號(hào)指標(biāo)處在規(guī)范的范圍內(nèi)，這是保證殘壓裝置系統(tǒng)在檢測(cè)作用發(fā)揮時(shí)保持穩(wěn)定有效的重要前提條件。在相關(guān)數(shù)據(jù)的計(jì)算中，以二階濾波電路截止頻率為核心指標(biāo)，其計(jì)算表達(dá)式如下：

通過(guò)上述公式，可獲得以下數(shù)據(jù)信息的計(jì)算結(jié)果：

截止頻率fp≈2MHz。

4 殘壓測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建

目前，在金屬氧化鋅避雷器的實(shí)驗(yàn)背景下，殘壓試驗(yàn)平臺(tái)的搭建常采用的方式為泄漏電流法，通過(guò)利用不同狀態(tài)下的差異化電流特征對(duì)避雷器的狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別要點(diǎn)集中在電壓信號(hào)特征方面，但從實(shí)際出發(fā)分析可知，金屬氧化鋅避雷器在正常工作狀態(tài)下所泄漏的電流級(jí)別只能達(dá)到μA級(jí)別，且在檢測(cè)過(guò)程中，高壓場(chǎng)強(qiáng)會(huì)對(duì)殘壓檢測(cè)的結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。因此，需選擇信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的避雷器對(duì)殘壓信號(hào)產(chǎn)生的故障和問(wèn)題進(jìn)行診斷。測(cè)試時(shí)，應(yīng)通過(guò)控制開(kāi)關(guān)連接好參與實(shí)驗(yàn)的平臺(tái)，以有效發(fā)揮實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的積極作用。

5 結(jié)論

通過(guò)本文分析可知，氧化鋅避雷器的信號(hào)特征需通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算仿真模型建立的方式進(jìn)行確認(rèn)。地雷器在應(yīng)用中具有信號(hào)穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。在經(jīng)過(guò)仿真分析后，所得到的殘壓檢測(cè)數(shù)據(jù)在準(zhǔn)確性和可靠性方面都有一定的提升。因此，在高壓電力系統(tǒng)運(yùn)行中應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇氧化鋅避雷器，以提升整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。