氧化锌避雷器泄漏电流特性分析

李鹏飞，张 皓，马国庆，段玉兵，刘均鹏

（1.国网山东省电力公司电力科学研究院，山东 济南 250003；2.国网山东省电力公司莱芜供电公司，山东 济南 271100）

0 引言

避雷器是一种过电压防护设备，用来限制电力系统中出现的雷击过电压以及操作过电压，维持系统的稳定工作，其安全运行直接影响电网运行安全［1-2］。氧化锌避雷器具有良好的非线性电阻特性，同时由于其防护性能高、通流容量大、工作原理简单，被广泛应用于高压电气设备的过电压防护［3-4］。

自氧化锌避雷器出现以来，其生产制造工艺不断提升，已在电力系统中进行了大规模应用。目前，山东省内仅220 kV 变电站进、出线电缆终端避雷器就已接近2 000 组，最大运行年限已超过30 年。避雷器长期工作在工频电压下，并承担间歇性过电压，再加上避雷器内部受潮等因素影响，避雷器阀片的绝缘性能逐渐下降，造成避雷器的泄漏电流增大。持续作用的泄漏电流会产生热效应，造成避雷器性能进一步劣化，最终导致避雷器故障，甚至造成电网事故［5-8］。有数据表明，避雷器受潮事故数量占氧化锌避雷器总事故数量的六成以上［9］。近年来，随着最早投运的一批避雷器运行年限接近、甚至已经达到设计寿命，各地避雷器故障数量呈现逐年增多的状态。2020 年2 月份，山东省某变电站发生一起出线电缆终端避雷器绝缘击穿故障，造成一台220 kV变压器跳闸。

氧化锌避雷器泄漏电流可直接反映避雷器绝缘状态［10］，因此，研究氧化锌避雷器的泄漏电流特性，对掌握高压电缆终端避雷器健康状态，及时发现避雷器的绝缘劣化趋势，保障电网安全具有重要意义［11-15］。

对于体积庞大的高压电力设备，通过试验手段对其性能进行分析，耗费时间长，某些破坏性试验所需成本较高，且人身安全难以保障。选择高效、准确、可靠性高的仿真计算方法是进行问题分析的主流、广泛手段［16］。目前，避雷器电磁特性研究采用的数值计算方法主要包括有限元法、模拟电荷法以及边界元法等［17］。模拟电荷法计算量小且精度较高，但对建模人员经验要求较高；边界元法在处理存在多种介质的场域问题时，求解规模限制较大。而有限元方法由于方便可靠、精度较高的特点，成为电气设备电磁特性分析的主流选择。

目前的避雷器有限元仿真建模大都采用计算避雷器电位分布的手段计算避雷器泄漏电流特性［18-20］，不能获取避雷器泄漏电流的时域分布特性，计算精度较低。为获得不同健康状态避雷器的泄漏电流时域分布特性，首先通过试验获得不同受潮状态避雷器非线性电导率曲线，并搭建避雷器的有限元时域仿真计算模型。为验证模型有效性，计算了220 kV 避雷器分别在交、直流电压作用下泄漏电流的时域分布特性，并进行了试验验证。仿真分析某型220 kV 避雷器在不同受潮状态下的泄漏电流特性，为避雷器健康状态评估与预警提供参考。

1 氧化锌避雷器等效电路

氧化锌避雷器由多个氧化锌阀片（由ZnO 晶粒构成）组成，图1 所示为氧化锌避雷器的等值电路。在该等值电路中，L为氧化锌避雷器的自身电感，R0为避雷器的线性电阻，C0为氧化锌避雷器的电荷电容与位移极化电容之和，C1与R1、C2与R2分别为两个有损极化过程的吸收支路，R为氧化锌避雷器的泄漏电阻。

图1 氧化锌避雷器等值电路

氧化锌避雷器处于小电流工作区域时，电感L，电容C1、C2与电阻R1、R2的作用可以忽略不计。因此在交流小电流工作区域范围内，避雷器的简化等值电路可以看作是线性电容C与非线性电阻R相并联，如图2所示。

图2 氧化锌避雷器简化等值电路

由图2 可以看出，氧化锌避雷器的泄漏电流分为阻性分量和容性分量两个部分。对应的阻性泄漏电流IR和容性泄漏电流IC可分别表示为：

在电力系统运行电压下，当氧化锌避雷器受潮或劣化以后，避雷器阀片绝缘电阻会逐渐减小，而阀片电容不会明显变化。为了更详细地掌握避雷器劣化状态对其泄漏电流特性的影响，搭建了氧化锌避雷器的有限元时域仿真计算模型。

2 避雷器有限元时域仿真模型

2.1 有限元模型搭建

避雷器的泄漏电流可以通过求解电磁场的边值问题获得。首先需要确定边值问题的求解域，包含避雷器域与空气域两部分。某型220 kV高压电缆座式无间隙氧化锌避雷器由上下2 节避雷器构成，每节避雷器高1 134 mm，内装有21 片氧化锌阀片。由于避雷器具有轴对称结构，为了降低有限元仿真的计算量，按照避雷器实际尺寸构建了二维轴对称几何模型如表1 所示，并限定了求解域的边界，如图3、图4所示。

图3 二维边值问题求解域

图4 单节避雷器的结构

表1 模型结构尺寸及材料属性

对求解域列写Maxwell方程组为

当空气域尺寸足够大（不小于避雷器尺寸的5倍）时，可近似认为空气域边界附近的电场方向与边界平行，边值问题的边界条件如式（5）所示，n→为求解域边界的法向矢量。

2.2 受潮模型

避雷器发生受潮或劣化后，阀片电导率会增大，泄漏电流阻性分量会上升，但容性分量不会出现明显变化。因此，在构建的避雷器模型中，认为氧化锌阀片的介电常数ε为定值。

A、B 两节避雷器是同批次生产的两节避雷器。对两节避雷器分别施加直流电压，并记录在不同电压水平下的泄漏电流。避雷器A 流过1 mA 直流电流时，参考电压为151.7 kV，在0.75 倍1 mA 直流参考电压下的泄漏电流为21 μA，满足规程值要求（＜50 μA）；避雷器B直流1 mA参考电压为152.4 kV，0.75 倍直流1 mA 参考电压下的泄漏电流为49 μA，内部阀片疑似受潮。利用两节避雷器的非线性电导率γA、γB，对受潮程度不同的避雷器电导率进行模拟，搭建了避雷器受潮模型为

式中：a为表征避雷器受潮程度的参数，当a=0 时，避雷器未受潮，a越大，避雷器受潮程度越高。

图5 所示为不同受潮程度下的避雷器的电导率与电场强度对应关系曲线。可以看到，当电场强度小于9.5×104V/m 时，不同受潮程度的避雷器非线性电导率差别不大，当电场强度超过9.5×104V/m时，随着避雷器受潮程度加深，电导率迅速攀升。

图5 避雷器电导率与电场强度关系曲线

2.3 模型验证

为了验证仿真模型的有效性，对A、B 两节避雷器施加直流电压与交流电压，将测得的泄漏电流与仿真结果进行了对比。

1）直流激励。

通过直流加压试验获得A、B 两节避雷器在不同直流电压下的泄漏电流值。利用搭建的模型计算了两节避雷器的直流泄漏电流，与试验值基本一致，如图6 所示；计算了避雷器的直流1 mA 参考电压U1mA，以及0.75 倍1 mA 直流参考电压下的泄漏电流，如表2所示。

图6 避雷器的V-I特性曲线

表2 避雷器直流试验与仿真计算结果

2）交流激励。

对避雷器B 施加幅值Um=180 kV（220 kV 系统电压相电压幅值）与Um=238 kV（220 kV 避雷器持续运行电压幅值）的工频50 Hz 交流电压，利用阻性泄漏电流测试仪测量了避雷器泄漏电流的峰值与有效值，并与仿真模型计算结果进行了对比，如表3 所示。可以看到，仿真值与实测值基本一致，最大误差在+10%以内。图7 所示为利用模型计算得到的不同电压水平下，避雷器B 的泄漏电流全电流、容性分量与阻性分量。

表3 避雷器交流泄漏电流对比

图7 避雷器B交流泄漏电流

3 泄漏电流特性分析

避雷器的健康状态可以通过泄漏电流的大小直接反映出来。为了掌握健康状态不同的避雷器的泄漏电流特性，及时发现避雷器设备的绝缘劣化趋势，对避雷器的交、直流泄漏电流进行了仿真分析。利用式（6）模拟受潮程度不同的避雷器电导率。

3.1 直流泄漏电流特性

对不同受潮状态下的避雷器施加0.75 倍的直流1mA 参考电压，仿真得到了受潮程度不同避雷器的直流泄漏电流，如图8 所示。可以看到避雷器受潮越严重，直流泄漏电流越大。规程要求，氧化锌避雷器在0.75 倍直流1 mA 参考电压下的泄漏电流不得大于50 μA。仿真结果显示，当a=1.28 时，0.75U1mA=224.85 kV，泄漏电流为50 μA。

图8 避雷器直流泄漏电流

3.2 交流泄漏电流特性

运行中的避雷器要承受系统额定电压，220 kV避雷器承受相电压幅值为180 kV。为了计算避雷器在额定系统电压下的泄漏电流特性，对不同受潮状态的单相避雷器模型施加幅值为180 kV 的工频50 Hz交流电压激励，计算了受潮程度不同避雷器的泄漏电流特性。

在交流电压作用下，避雷器的交流泄漏电流包含容性分量与阻性分量两部分。随着避雷器受潮程度加深，避雷器泄漏电流容性分量基本不变，而阻性泄漏电流会显著增大。由于容性分量远大于阻性分量，因此全电流整体变化不大，如图9所示。

图9 避雷器的泄漏电流特性

对仿真计算获得的避雷器全电流进行傅里叶分解，可以求解得到不同受潮状态下避雷器的泄漏电流的阻性分量。避雷器受潮越严重，阻性分量也会越大，正弦波形畸变越显著，如图10所示。

图10 阻性泄漏电流

图11是受潮程度不同的避雷器阻性泄漏电流与未受潮（α=0）电流值的比值。可以看出，随着受潮程度加深，阻性泄漏电流峰值变化更加明显。因此，阻性泄漏电流峰值能更灵敏地反映避雷器的绝缘健康状态。当α=0（未受潮）时，泄漏电流阻性分量幅值为13.7 μA；当a=1.28时（0.75倍直流1 mA参考电压下泄漏电流为50 μA），泄漏电流阻性分量幅值为24.9 μA，是未受潮避雷器的1.8倍；当α=3.0时，阻性分量幅值达到了39.50 μA，是未受潮避雷器的2.9倍。现行避雷器规程要求，避雷器在0.75倍直流1 mA参考电压下不得超过50 μA，此时避雷器的交流泄漏电流阻性分量幅值为24.9 μA，为避雷器健康状态在线监测提供参考。

图11 交直流泄漏电流

4 结语

搭建避雷器的有限元仿真计算模型，并通过试验验证了模型的准确性。利用该模型计算、对比了受潮程度不同的避雷器泄漏电流特性。

避雷器在受潮劣化初期，泄漏电流全电流及容性分量有效值、幅值变化很小，只有严重受潮或老化情况才能表现出明显变化，不利于及时发现氧化锌避雷器劣化趋势。

泄漏电流阻性分量会随着避雷器受潮程度加重而明显变大，正弦波形畸变也会越明显，可以反映避雷器的绝缘劣化趋势。

相比有效值，阻性泄漏电流的峰值能更灵敏地反映避雷器绝缘健康状态变化，为避雷器健康状态在线监测提供了参考。

避雷器局部绝缘劣化往往不能仅通过监测泄漏电流来发现。该模型还可以对通过设置特定避雷器阀片的电导率特性，模拟避雷器局部绝缘劣化的问题。下一步将针对避雷器局部受潮及其造成的局部发热问题进行探索研究。