ZnO避雷器电阻片上电压承担率优化方法

曹 雯,王欢庆,薛 豪,刘 倩,田 毅,2,周思佳

(1.西安工程大学 电子信息学院,陕西 西安 710048;2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安 710049)

0 引 言

避雷器是变电站保护设备免遭雷电冲击波或操作过电压袭击的一种设备[1]．随着电力技术的发展,系统电压不断升高,在高压、超高压系统中出现的操作过电压可达到几百千伏甚至更高,又因其持续时间长、破坏能量大,所以成为电气设备绝缘的主要威胁．为了电力系统的运行安全和可靠,金属氧化锌避雷器在电力系统中获得了广泛的应用[2-3]．

金属氧化锌避雷器(简称MOA)主要是由氧化锌电阻片组装而成[4]．它的非线性系数很小,故具有较好的非线性伏安特性．氧化锌避雷器在正常的工作电压下具有高电阻特性．在雷电过电压的作用下,则呈现低电阻状态,泄放雷电流,使与避雷器并联的电气设备的残压被限制在设备的安全值以下；待有害的过电压消失后,避雷器便迅速地恢复高电阻,而呈现出绝缘状态[5-7],从而有效地保护了设备的绝缘免受过电压的损害．

然而,对无间隙金属氧化锌避雷器而言,由于元件数多、结构高度尺寸大,从而使得电压分布的问题相当严重．电压分布的不均匀将导致局部电阻片的运行荷电率升高, 进而导致这部分电阻片的加快老化和发生热崩溃．因此, 必须采取合理的均压措施来改善其电压分布, 控制电阻片的运行荷电率[8-10]．为此,准确地进行金属氧化锌避雷器电压分布的计算和测量在MOA的设计制造中具有极其重要的意义．

金属氧化物避雷器的均压优化措施一般包括控制结构和均压环尺寸，配置适当的并联均压电容，以及改变电阻片主电容大小等方式．本文采用COMSOL软件对氧化锌避雷器内部电场分布进行仿真分析,验证了一些避雷器部件对氧化锌电阻片上电压承担率的影响.从改变氧化锌电阻片相对介电常数大小的角度,通过仿真计算了氧化锌电阻片的电压分布系数,分析了其对MOA电位分布均匀程度的影响,提出了一种优化电阻片局部电容的方法,来改善氧化锌避雷器电位分布均匀程度的优化方案．

1 330 kV氧化锌避雷器电位分布计算

以330 kV氧化锌避雷器实物为例,利用COMSOL软件建立氧化锌避雷器模型,严格按照氧化锌避雷器的实物尺寸进行计算模型的建构．对氧化锌避雷器的实物进行合理取舍,忽略均压环的连接支管和瓷外套伞群以及避雷器周围环境的影响并将法兰等避雷器金属部件等效为轴对称结构,对氧化锌避雷器模型进行仿真研究．

表 1 各部件尺寸参数Table 1 Parameters of each component size

1.1 330 kV氧化锌避雷器结构尺寸

330 kV立柱式氧化锌避雷器结构采用2节装,单节高度:1 970 mm,加上底座支架的总高度为6 940 mm．主要由氧化锌电阻片、铝垫片、绝缘杆、绝缘筒、瓷外套、法兰、底座支架以及均压环构成[11]．各个部件具体尺寸参数如表1所示.均压环整体结构如图1所示.

图1中,均压环A:Φ1=2r1=990 mm,D2=90 mm,h1=354 mm;均压环B:Φ2=2r2=1 440 mm,D2=90 mm,h1=704 mm;连接管D3=60 mm．

1.2 COMSOL软件建模

使用COMSOL Multiphysics有限元数值仿真软件[12-13]进行仿真建模.在正常工作状态下,氧化锌避雷器的电场为准静态三维开域电场,可对实际模型进行简化,将法兰等构件看成轴对称物体,忽略高压线、均压环的连接管,近似地将模型看成轴对称场进行研究．图2为用COMSOL软件画出来的氧化锌计算模型．图3为氧化锌避雷器模型内部部件放大图．

图 1 均压环结构图 图 2 氧化锌避雷器模型 图 3 氧化锌避雷器模型内部部件放大图 Fig.1 The grading ring structure Fig.2 Zinc oxide arrester model Fig.3 Enlargement of internal components of Zinc oxidearrester model

1.3 330 kV氧化锌避雷器电势和电场分布

1.3.1 内部电场强度分布 在氧化锌避雷器模型上,绘制其内部y-z平面,从仿真模型平面可观测其场强分布结果,如图4，5所示．

由图4,5的氧化锌避雷器上、下节电阻片附近场强分布图可以很清晰地辨别氧化锌电阻片与铝垫片．铝垫片上下边缘场强很大,这是由于为了建模方便铝垫片边缘存在尖角,在实际情况中,可以考虑将边缘倒角,减少尖端电场．铝垫片内部的场强接近于零．

1.3.2 电位分布线图 在氧化锌避雷器模型上取一条三维截线,取截线第一个点坐标为(30,0,0);第二个点坐标为(30,0,3600)．通过一维绘图组得出这条截线上的电位分布如图6所示,图7为避雷器下节氧化锌电阻片电位的放大图,其中横轴表示氧化锌避雷器模型高度，纵轴表示电压值．

通过图6可以看出,330 kV氧化锌避雷器在下节第一个电阻片处电位为零,随后随着位置的升高,电位逐渐增大．而在中法兰处电势恒定不变．到避雷器上节第一个电阻片处电位又开始逐渐增大,直到上法兰处电位最大为330 kV．图6显示上节处电位变化斜率高于下节处电位变化斜率,斜率越大,即电位变化越大,场强也就越大．由图7可以看出,在每个铝垫片处,电位恒定不变,铝垫片的电位等于它下面氧化锌电阻片上平面的电位,亦等于它上面的氧化锌电阻片下平面的电位．

图 6 氧化锌电阻片电位分布图 图 7 电阻片电位分布图局部放大图Fig.6 The potential distribution of Zinc oxide resistor Fig.7 The potential distribution of resistor disc

1.3.3 电压承担率 根据氧化锌避雷器模型的电位分布得出每个氧化锌电阻片的上、下面电位[14-16],即可求得每个电阻片的实际承受电压．通常采用电压承担率来衡量避雷器各个电阻片承担电压的高低程度,它是每个电阻片承受的实际电压与理论平均电压之比．其定义式为

(1)

其中:U0为避雷器承担的额定电压;n为避雷器电阻片的总个数;Ui及Pi分别为第i层电阻片实际承受的电压及电压承担率．可以看出Pi越接近1,电阻片就越能更大限度地发挥其绝缘强度．

已知U0=330 kV,n=96,由式(1)可以计算出每个电阻片的电压承担率．根据计算所得的各电阻片的电压承担率,绘制出图8电压承担率曲线．由图8可以看出:

(1) 避雷器的电压承担率最大值为1.17,最小值为0.82；

(2)避雷器高压端区域电阻片的电压承担率均高于1.10,低压端区域电阻片的电压承担率均低于0.95,即高压端电阻片承担的电压均高于低压端电阻片承担的电压．

2 电阻片相对介电常数对电压承担率的影响

由于氧化锌避雷器高压端(上节)的48片电阻片电压承担率大于1,将其相对介电常数由原来的650分别变为750，800和1 000,低压端(下节)48片电阻片的维持不变,应用同样的建模方式,根据1.3.3节的方法分别计算出每片氧化锌电阻片上的电压承担率,选择最优的电压承担率分布．绘制出改变后的电阻片上电压承担率与改变前的对比图,如图9所示．

图 8 330 kV氧化锌避雷器电阻片电压对比图 图 9 不同介电常数时电压承担率承担率曲线图 Fig.8 The voltage resistance curve graph of resistor with 330 kV Zinc oxide arrester Fig.9 Comparison of the rate of voltage resistance under different dielectric constant

将图9和图8对比可以看出,增大氧化锌电阻片的介电常数可以提高避雷器下节电阻片的电压承担率, 降低上节电阻片的电压承担率, 使它们的电压承担率数值更加接近于1,电阻片能更大限度地发挥其绝缘强度． 从图9中可知,高压端(上节)的48片电阻片的相对介电常数为800时的电压承担率曲线比750更加平滑，电压分布不均匀系数更加合理;但高压端电阻片的相对介电常数并不是越高越好,当相对介电常数增加为1 000时, 反而使得下端电阻片的电压承担率异常增高．因此在实际应用中,可以通过逐步增加氧化锌电阻片的相对介电常数, 反复验证, 使电阻片的电压分布不均匀系数和电压承担率更加地合理化．

根据仿真结果,氧化锌避雷器电阻片上节采用大电容(相对介电常数为800)的电阻片,下节采用小电容(相对介电常数为650)的电阻片时,上、下端电阻片的电压承担率分别为1.07和0.91,这样的优化改造对避雷器内氧化锌电阻片的电压分布不均匀系数和电压承担率曲线有显著的改善,使它们的电压承担率数值更加接近于1．

图 10 氧化锌避雷器优化流程图Fig.10 Flow chart of optimizing ZnO arrester

3 氧化锌避雷器结构优化的流程设计

本文拟提出一种氧化锌避雷器结构优化的方法,解决现有技术中通过增大电阻片主电容的方法进行避雷器优化[17]时,均压作用不够显著的问题．氧化锌避雷器结构优化方法的流程图如图10所示．

文中电压承担率用Pi,见式(1)．据此计算,电压承担率的波动系数σ:

(2)

同时,定义电压分布不均匀系数K:

(3)

根据图10可以将氧化锌避雷器结构优化的方法具体按照以下步骤实施:

步骤1:根据氧化锌避雷器的尺寸参数,建立避雷器内部的几何仿真模型,

步骤2:根据电场电压分布进行仿真计算得到步骤1中建立的避雷器模型的电场分布情况,即利用软件对步骤1中建立的避雷器模型中的氧化锌电阻片的电压分布仿真计算.通过分析得到每个电阻片上所承担的电压数据Ui(i=1,2,3,…,n)．

步骤3:根据步骤2得出每个电阻片上承担的电压数据进行计算,并得到第i片氧化锌电阻片上的电压承担率Pi和电压分布不均匀系数K,这2个参量将作为优化的目标参量．

步骤5:根据步骤4的优化结果,改造电阻片电容值,即考虑在同一避雷器上应用不同相对介电常数的电阻片的方式和结构来改善避雷器电阻片上电压不均匀系数较大和电压承担率不够均匀的问题．

4 结 论

(1) 当氧化锌避雷器电阻片上节采用大电容(相对介电常数比较大)的电阻片,下节采用小电容(相对介电常数比较小)的电阻片时,这样的优化改造对避雷器内氧化锌电阻片的电压分布不均匀系数和电压承担率曲线有显著的改善,使它们的电压承担率数值更加接近于1,达到电力系统实际运行安全的需要．

(2) 设计了一套氧化锌避雷器结构优化的流程,用以改善氧化锌避雷器的均压问题．首先要对其进行结构的优化,即改变避雷器上电阻片的相对介电常数，进而使电压承担率和电压分布不均匀系数符合设计标准的要求,以达到提高避雷器使用寿命的目的．