基于场路模型的500 kV变电站母线避雷器 杂散电容干扰电流的计算

， ， ， ， ， ，

(1.华中电网有限公司，武汉 430000； 2.武汉大学电气工程学院，武汉 430072)

0 引言

随着输电网络的不断扩展，由于雷击线路而引起的事故也日益增多。据电网故障分类统计表明，在我国跳闸率比较高的地区，由雷击引起的次数占总跳闸率的40%～70%，尤其在多雷、土壤电阻率高，地形复杂的地区，雷击输电线路引起的事故率更高，这给电力公司带来了巨大的经济损失。

氧化锌避雷器是目前应用最广泛的高压电网防雷设备，已应用到了电力系统的各个关键的部位，如输电线路或变电站内。随着氧化锌避雷器服役年限或者动作次数的增加，阀体机械、电气性能会出现一定程度的老化[1]，通常需要对氧化锌避雷器进行在线监测。判断避雷器状态是否正常的重要方法是准确测定泄漏电流中的阻性电流分量，即确定阻性电流的增量[2，4]。由于高压避雷器周围带电设备以及避雷器自身存在的部分电容电流干扰，目前已有的全电流法、谐波法、补偿法和投影法等监测技术无法准确测得泄漏电流中的阻性分量[5-10]。

笔者建立一种针对500 kV变电站母线避雷器杂散电容干扰电流计算的场路模型。利用Solidworks软件首先建立母线避雷器及其相邻带电设备的几何模型。导入到有限元软件中进行静电场仿真，得到与避雷器相关的杂散电容参数。将电容参数输入至Matlab Simulink建立的阻容网络模型中，通过路模型的仿真得到各相避雷器的全电流和相角。在预设避雷器状态相同的情况下，仿真结果与现场监测数据有相似结论。是一种计算复杂工况下避雷器电容干扰电流有效的方法，为避雷器泄漏电流阻性分量的准确测算提供参考思路。

1 有限元仿真

1.1 几何模型

对某500 kV变电站避雷器及其相邻带电设备建模，建立了如下图1所示避雷器工作环境几何模型。

图1 变电站避雷器工作环境几何模型Fig.1 geometrical model of lightning arrester working condition in Substation

模型中避雷器采用三节，相邻的电压互感器采用四节。其它设备主要尺寸均参考变电站现场尺寸。

1.2 静电场仿真模型

由避雷器阻容网络模型[5-7，11，12]可知单节避雷器电容包含阀片的自电容、其它导体的自电容和各导体间的互电容。避雷器的自电容是氧化锌阀片本体电容，同型号的避雷器采用相同阀片，各节避雷器的自电容的差别不超过2%[13-15]，基本一致，仿真计算单节避雷器本体电容即可。

单节避雷器的电场分布可近似认为是轴对称场，符合工程近似，同时大大提高了计算的效率，计算模型如图2所示。避雷器置于地面，由中心轴向外依次为阀片与金属垫块构成的阀体、密封气室(N2)、瓷套、空气。上下为连接法兰。

图2 单节避雷器计算模型Fig.2 A single section surge arrester calculation model

避雷器放置于地面，内部阀片组含有5个金属垫块，上下金属垫块分别与避雷器上下法兰等电位，中间三个金属垫块为悬浮电位。此时避雷器的电位分布满足如下边界条件。

在求解域内：

(1)

φL0=f0(P)

(2)

(3)

(4)

在电位悬浮导体表面Sfm上(φmc是电位悬浮导体、m的表面Sfm上的数求电位值)：

(5)

1.3 静电场仿真计算

静电场仿真设置中，空气层的相对介电常数常数设置为1，瓷套的相对介电常数设置为6，阀片的相对介电常数设置为750，导体设置等电位。避雷器电位分布如图3所示，中心轴线的电位分布如图4所示。

图4中，避雷器下端法兰和最下金属垫片与地等电位，为0 V；上端法兰和最上金属垫片电位最大，为100 V；中部各金属垫片等电位，金属垫片间阀片电位近似均压分布。避雷器外部(空气中)的电位随距离的增大而减小。仿真结果符合实际的单节避雷器电场特征，说明了仿真的正确性。

图3 单节避雷器电位分布Fig.3 Potential distribution of single section arrester

图4 轴线上的电位分布Fig.4 Potential distribution on the axis

通过仿真计算，最终得到单节避雷器阀片组的本体(自)电容为：50.1 pF。

1.4 避雷器导体系统互电容

将整体几何模型导入有限元软件中，建立如图5所示的有限元仿真模型。

图5 避雷器有限元仿真模型Fig.5 Finite element simulation model of lightning arrester

对避雷器及相邻设备的带电导体编号，左回线路A相母线及与其相连的避雷器顶端导体、均压环、相邻电压互感器顶端导体为等电位导体1，避雷器节间连接法兰为导体2、3，相邻电压互感器节间连接导体为19、20、21，其它各导体编号如图6所示。

图6 导体编号Fig.6 Conductors numbering

通过有限元静电场仿真得到多导体系统部分电容参数，将左回线路A如图7所示。母线及其相连导体对地电容较大，大于150 pF，图中未画出。右回线路的母线避雷器各导体的部分电容参数与左回线路完全对称。

图7 左回线路避雷器各导体的部分电容Fig.7 Part capacitance of conductors in left return line

由图7所示，两导体间的互部分电容与导体结构、形状和位置有关。相邻母线及其相连导体间的互电容最大，为30～32 pF。其它导体间互电容随着导体相对表面的减小而减小，随着距离的增大而减小。阻容网络路模型中，忽略0.1 pF及以下的互电容，经对比计算，仿真结果差别小于0.1%，证明了简化的合理性。

2 Matlab Simulink路模型仿真

2.1 路模型的建立及分析

根据场仿真计算所得的电容参数，建立考虑双母线、前后相邻电压互感器时的避雷器阻容网络模型。对相似的路结构采用子模块方式建模，共有三类模块。

第一类模块为单相避雷器模块，如图8所示。电压表测量端电压，电流表测量避雷器下端全电流。避雷器阻容网络中的电容参数由静电场仿真计算可得。避雷器每节的电阻，是包含避雷器阀片本体电阻和表面电阻的等效电阻。

图8 单节避雷器阻容网络模型Fig.8 Arrester resistor-capacitor network model

第二类模块为电压互感器模块，其展开图如图9所示。考虑到电容式电压互感器每节的本体电容远大于导体系统的部分电容(400倍以上)，因此本文在分析避雷器杂散电容影响时，认为电压互感器各节是近似均压的，且在路模型中不考虑PT自身导体间部分电容支路。

第三类模块为互电容模块，展开图如图10所示。图示为A相和B相导体间的互部分电容。

将上述的子模块连接组合，得到图11所示的考虑双母线避雷器和前后相邻电压互感器的避雷器路模型。

图9 电压互感器模型Fig.9 Voltage transformer model

图10 部分电容模块Fig.10 Partial capacitor module

图11 避雷器全路模型Fig.11 Total lightning arrester circuit model

2.2 全电流仿真结果分析

当不考虑双母线避雷器和前后相邻避雷器(避雷器孤立三相系统)时，仿真计算得到的全电流和相角数据如表1所示。

考虑双回母线与相邻带电设备(PT)后，路模型仿真得到的避雷器的全电流有效值和相角，结果如表2所示。

表1和表2的避雷器参数完全一致，考虑的部分电容干扰情况不同，仿真结果与变电站避雷器监测数据体现的趋势相同，全电流的大小为IB

表1 避雷器全电流和相角Table 1 Total leakage current and phase angle of lightning arrester

表2 考虑杂散电容时避雷器全电流和相角Table 2 Total leakage current and phase angle of lightning arrester with stray capacitance

由表1和表2的数据对比发现，杂散电容的情况越复杂，相应的避雷器三相的全电流和相角的规律也更复杂。以表1的数据为基准，考虑双母线和电压互感器杂散电容时的避雷器全电流和相角的变化情况如图12所示。

图12 考虑杂散电容时避雷器全电流和相角变化Fig.12 Total leakage current and phase angle change of lightning arrester with stray capacitance

在考虑了双回母线和前后相邻电压互感器后，左回母线A相避雷器的电流增大，相角减小；左回母线B相避雷器的电流增大，相角几乎不变；左回母线C相避雷器的电流增大，相角减小；右回母线A相避雷器的电流减小，相角增大，右回母线B相避雷器的电流增大，相角减小，右回母线C相避雷器的电流增大，相角增大。

3 结论

1)变电站避雷器的工况复杂，现场全电流监测设备不能全面考虑环境中杂散电容电流的干扰，由测得的全电流和相角数据分析计算的阻性电流有偏差。用阻容网络模型仿真计算可全面考虑站内各杂散电容影响，准确仿真计算干扰电流的影响，是一种有参考价值的分离干扰电容电流方法。

2)提出了针对某500 kV智能变电站避雷器耦合电容电流的场路仿真模型。此模型并不局限于500 kV高压避雷器工况，同样适用于其它类型和电压等级的变电站避雷器工况，有一定的推广价值。