氧化鋅避雷器泄漏電流特性分析

李鵬飛，張 皓，馬國(guó)慶，段玉兵，劉均鵬

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司萊蕪供電公司，山東 濟(jì)南 271100）

0 引言

避雷器是一種過電壓防護(hù)設(shè)備，用來限制電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的雷擊過電壓以及操作過電壓，維持系統(tǒng)的穩(wěn)定工作，其安全運(yùn)行直接影響電網(wǎng)運(yùn)行安全［1-2］。氧化鋅避雷器具有良好的非線性電阻特性，同時(shí)由于其防護(hù)性能高、通流容量大、工作原理簡(jiǎn)單，被廣泛應(yīng)用于高壓電氣設(shè)備的過電壓防護(hù)［3-4］。

自氧化鋅避雷器出現(xiàn)以來，其生產(chǎn)制造工藝不斷提升，已在電力系統(tǒng)中進(jìn)行了大規(guī)模應(yīng)用。目前，山東省內(nèi)僅220 kV 變電站進(jìn)、出線電纜終端避雷器就已接近2 000 組，最大運(yùn)行年限已超過30 年。避雷器長(zhǎng)期工作在工頻電壓下，并承擔(dān)間歇性過電壓，再加上避雷器內(nèi)部受潮等因素影響，避雷器閥片的絕緣性能逐漸下降，造成避雷器的泄漏電流增大。持續(xù)作用的泄漏電流會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，造成避雷器性能進(jìn)一步劣化，最終導(dǎo)致避雷器故障，甚至造成電網(wǎng)事故［5-8］。有數(shù)據(jù)表明，避雷器受潮事故數(shù)量占氧化鋅避雷器總事故數(shù)量的六成以上［9］。近年來，隨著最早投運(yùn)的一批避雷器運(yùn)行年限接近、甚至已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)壽命，各地避雷器故障數(shù)量呈現(xiàn)逐年增多的狀態(tài)。2020 年2 月份，山東省某變電站發(fā)生一起出線電纜終端避雷器絕緣擊穿故障，造成一臺(tái)220 kV變壓器跳閘。

氧化鋅避雷器泄漏電流可直接反映避雷器絕緣狀態(tài)［10］，因此，研究氧化鋅避雷器的泄漏電流特性，對(duì)掌握高壓電纜終端避雷器健康狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器的絕緣劣化趨勢(shì)，保障電網(wǎng)安全具有重要意義［11-15］。

對(duì)于體積龐大的高壓電力設(shè)備，通過試驗(yàn)手段對(duì)其性能進(jìn)行分析，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，某些破壞性試驗(yàn)所需成本較高，且人身安全難以保障。選擇高效、準(zhǔn)確、可靠性高的仿真計(jì)算方法是進(jìn)行問題分析的主流、廣泛手段［16］。目前，避雷器電磁特性研究采用的數(shù)值計(jì)算方法主要包括有限元法、模擬電荷法以及邊界元法等［17］。模擬電荷法計(jì)算量小且精度較高，但對(duì)建模人員經(jīng)驗(yàn)要求較高；邊界元法在處理存在多種介質(zhì)的場(chǎng)域問題時(shí)，求解規(guī)模限制較大。而有限元方法由于方便可靠、精度較高的特點(diǎn)，成為電氣設(shè)備電磁特性分析的主流選擇。

目前的避雷器有限元仿真建模大都采用計(jì)算避雷器電位分布的手段計(jì)算避雷器泄漏電流特性［18-20］，不能獲取避雷器泄漏電流的時(shí)域分布特性，計(jì)算精度較低。為獲得不同健康狀態(tài)避雷器的泄漏電流時(shí)域分布特性，首先通過試驗(yàn)獲得不同受潮狀態(tài)避雷器非線性電導(dǎo)率曲線，并搭建避雷器的有限元時(shí)域仿真計(jì)算模型。為驗(yàn)證模型有效性，計(jì)算了220 kV 避雷器分別在交、直流電壓作用下泄漏電流的時(shí)域分布特性，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。仿真分析某型220 kV 避雷器在不同受潮狀態(tài)下的泄漏電流特性，為避雷器健康狀態(tài)評(píng)估與預(yù)警提供參考。

1 氧化鋅避雷器等效電路

氧化鋅避雷器由多個(gè)氧化鋅閥片（由ZnO 晶粒構(gòu)成）組成，圖1 所示為氧化鋅避雷器的等值電路。在該等值電路中，L為氧化鋅避雷器的自身電感，R0為避雷器的線性電阻，C0為氧化鋅避雷器的電荷電容與位移極化電容之和，C1與R1、C2與R2分別為兩個(gè)有損極化過程的吸收支路，R為氧化鋅避雷器的泄漏電阻。

圖1 氧化鋅避雷器等值電路

氧化鋅避雷器處于小電流工作區(qū)域時(shí)，電感L，電容C1、C2與電阻R1、R2的作用可以忽略不計(jì)。因此在交流小電流工作區(qū)域范圍內(nèi)，避雷器的簡(jiǎn)化等值電路可以看作是線性電容C與非線性電阻R相并聯(lián)，如圖2所示。

圖2 氧化鋅避雷器簡(jiǎn)化等值電路

由圖2 可以看出，氧化鋅避雷器的泄漏電流分為阻性分量和容性分量?jī)蓚€(gè)部分。對(duì)應(yīng)的阻性泄漏電流IR和容性泄漏電流IC可分別表示為：

在電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓下，當(dāng)氧化鋅避雷器受潮或劣化以后，避雷器閥片絕緣電阻會(huì)逐漸減小，而閥片電容不會(huì)明顯變化。為了更詳細(xì)地掌握避雷器劣化狀態(tài)對(duì)其泄漏電流特性的影響，搭建了氧化鋅避雷器的有限元時(shí)域仿真計(jì)算模型。

2 避雷器有限元時(shí)域仿真模型

2.1 有限元模型搭建

避雷器的泄漏電流可以通過求解電磁場(chǎng)的邊值問題獲得。首先需要確定邊值問題的求解域，包含避雷器域與空氣域兩部分。某型220 kV高壓電纜座式無間隙氧化鋅避雷器由上下2 節(jié)避雷器構(gòu)成，每節(jié)避雷器高1 134 mm，內(nèi)裝有21 片氧化鋅閥片。由于避雷器具有軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了降低有限元仿真的計(jì)算量，按照避雷器實(shí)際尺寸構(gòu)建了二維軸對(duì)稱幾何模型如表1 所示，并限定了求解域的邊界，如圖3、圖4所示。

圖3 二維邊值問題求解域

圖4 單節(jié)避雷器的結(jié)構(gòu)

表1 模型結(jié)構(gòu)尺寸及材料屬性

對(duì)求解域列寫Maxwell方程組為

當(dāng)空氣域尺寸足夠大（不小于避雷器尺寸的5倍）時(shí)，可近似認(rèn)為空氣域邊界附近的電場(chǎng)方向與邊界平行，邊值問題的邊界條件如式（5）所示，n→為求解域邊界的法向矢量。

2.2 受潮模型

避雷器發(fā)生受潮或劣化后，閥片電導(dǎo)率會(huì)增大，泄漏電流阻性分量會(huì)上升，但容性分量不會(huì)出現(xiàn)明顯變化。因此，在構(gòu)建的避雷器模型中，認(rèn)為氧化鋅閥片的介電常數(shù)ε為定值。

A、B 兩節(jié)避雷器是同批次生產(chǎn)的兩節(jié)避雷器。對(duì)兩節(jié)避雷器分別施加直流電壓，并記錄在不同電壓水平下的泄漏電流。避雷器A 流過1 mA 直流電流時(shí)，參考電壓為151.7 kV，在0.75 倍1 mA 直流參考電壓下的泄漏電流為21 μA，滿足規(guī)程值要求（＜50 μA）；避雷器B直流1 mA參考電壓為152.4 kV，0.75 倍直流1 mA 參考電壓下的泄漏電流為49 μA，內(nèi)部閥片疑似受潮。利用兩節(jié)避雷器的非線性電導(dǎo)率γA、γB，對(duì)受潮程度不同的避雷器電導(dǎo)率進(jìn)行模擬，搭建了避雷器受潮模型為

式中：a為表征避雷器受潮程度的參數(shù)，當(dāng)a=0 時(shí)，避雷器未受潮，a越大，避雷器受潮程度越高。

圖5 所示為不同受潮程度下的避雷器的電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。可以看到，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于9.5×104V/m 時(shí)，不同受潮程度的避雷器非線性電導(dǎo)率差別不大，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過9.5×104V/m時(shí)，隨著避雷器受潮程度加深，電導(dǎo)率迅速攀升。

圖5 避雷器電導(dǎo)率與電場(chǎng)強(qiáng)度關(guān)系曲線

2.3 模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真模型的有效性，對(duì)A、B 兩節(jié)避雷器施加直流電壓與交流電壓，將測(cè)得的泄漏電流與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。

1）直流激勵(lì)。

通過直流加壓試驗(yàn)獲得A、B 兩節(jié)避雷器在不同直流電壓下的泄漏電流值。利用搭建的模型計(jì)算了兩節(jié)避雷器的直流泄漏電流，與試驗(yàn)值基本一致，如圖6 所示；計(jì)算了避雷器的直流1 mA 參考電壓U1mA，以及0.75 倍1 mA 直流參考電壓下的泄漏電流，如表2所示。

圖6 避雷器的V-I特性曲線

表2 避雷器直流試驗(yàn)與仿真計(jì)算結(jié)果

2）交流激勵(lì)。

對(duì)避雷器B 施加幅值Um=180 kV（220 kV 系統(tǒng)電壓相電壓幅值）與Um=238 kV（220 kV 避雷器持續(xù)運(yùn)行電壓幅值）的工頻50 Hz 交流電壓，利用阻性泄漏電流測(cè)試儀測(cè)量了避雷器泄漏電流的峰值與有效值，并與仿真模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，如表3 所示?？梢钥吹?，仿真值與實(shí)測(cè)值基本一致，最大誤差在+10%以內(nèi)。圖7 所示為利用模型計(jì)算得到的不同電壓水平下，避雷器B 的泄漏電流全電流、容性分量與阻性分量。

表3 避雷器交流泄漏電流對(duì)比

圖7 避雷器B交流泄漏電流

3 泄漏電流特性分析

避雷器的健康狀態(tài)可以通過泄漏電流的大小直接反映出來。為了掌握健康狀態(tài)不同的避雷器的泄漏電流特性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)避雷器設(shè)備的絕緣劣化趨勢(shì)，對(duì)避雷器的交、直流泄漏電流進(jìn)行了仿真分析。利用式（6）模擬受潮程度不同的避雷器電導(dǎo)率。

3.1 直流泄漏電流特性

對(duì)不同受潮狀態(tài)下的避雷器施加0.75 倍的直流1mA 參考電壓，仿真得到了受潮程度不同避雷器的直流泄漏電流，如圖8 所示?？梢钥吹奖芾灼魇艹痹絿?yán)重，直流泄漏電流越大。規(guī)程要求，氧化鋅避雷器在0.75 倍直流1 mA 參考電壓下的泄漏電流不得大于50 μA。仿真結(jié)果顯示，當(dāng)a=1.28 時(shí)，0.75U1mA=224.85 kV，泄漏電流為50 μA。

圖8 避雷器直流泄漏電流

3.2 交流泄漏電流特性

運(yùn)行中的避雷器要承受系統(tǒng)額定電壓，220 kV避雷器承受相電壓幅值為180 kV。為了計(jì)算避雷器在額定系統(tǒng)電壓下的泄漏電流特性，對(duì)不同受潮狀態(tài)的單相避雷器模型施加幅值為180 kV 的工頻50 Hz交流電壓激勵(lì)，計(jì)算了受潮程度不同避雷器的泄漏電流特性。

在交流電壓作用下，避雷器的交流泄漏電流包含容性分量與阻性分量?jī)刹糠帧ｋS著避雷器受潮程度加深，避雷器泄漏電流容性分量基本不變，而阻性泄漏電流會(huì)顯著增大。由于容性分量遠(yuǎn)大于阻性分量，因此全電流整體變化不大，如圖9所示。

圖9 避雷器的泄漏電流特性

對(duì)仿真計(jì)算獲得的避雷器全電流進(jìn)行傅里葉分解，可以求解得到不同受潮狀態(tài)下避雷器的泄漏電流的阻性分量。避雷器受潮越嚴(yán)重，阻性分量也會(huì)越大，正弦波形畸變?cè)斤@著，如圖10所示。

圖10 阻性泄漏電流

圖11是受潮程度不同的避雷器阻性泄漏電流與未受潮（α=0）電流值的比值?？梢钥闯?，隨著受潮程度加深，阻性泄漏電流峰值變化更加明顯。因此，阻性泄漏電流峰值能更靈敏地反映避雷器的絕緣健康狀態(tài)。當(dāng)α=0（未受潮）時(shí)，泄漏電流阻性分量幅值為13.7 μA；當(dāng)a=1.28時(shí)（0.75倍直流1 mA參考電壓下泄漏電流為50 μA），泄漏電流阻性分量幅值為24.9 μA，是未受潮避雷器的1.8倍；當(dāng)α=3.0時(shí)，阻性分量幅值達(dá)到了39.50 μA，是未受潮避雷器的2.9倍。現(xiàn)行避雷器規(guī)程要求，避雷器在0.75倍直流1 mA參考電壓下不得超過50 μA，此時(shí)避雷器的交流泄漏電流阻性分量幅值為24.9 μA，為避雷器健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)提供參考。

圖11 交直流泄漏電流

4 結(jié)語

搭建避雷器的有限元仿真計(jì)算模型，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。利用該模型計(jì)算、對(duì)比了受潮程度不同的避雷器泄漏電流特性。

避雷器在受潮劣化初期，泄漏電流全電流及容性分量有效值、幅值變化很小，只有嚴(yán)重受潮或老化情況才能表現(xiàn)出明顯變化，不利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)氧化鋅避雷器劣化趨勢(shì)。

泄漏電流阻性分量會(huì)隨著避雷器受潮程度加重而明顯變大，正弦波形畸變也會(huì)越明顯，可以反映避雷器的絕緣劣化趨勢(shì)。

相比有效值，阻性泄漏電流的峰值能更靈敏地反映避雷器絕緣健康狀態(tài)變化，為避雷器健康狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)提供了參考。

避雷器局部絕緣劣化往往不能僅通過監(jiān)測(cè)泄漏電流來發(fā)現(xiàn)。該模型還可以對(duì)通過設(shè)置特定避雷器閥片的電導(dǎo)率特性，模擬避雷器局部絕緣劣化的問題。下一步將針對(duì)避雷器局部受潮及其造成的局部發(fā)熱問題進(jìn)行探索研究。