220 kV复合外套金属氧化物避雷器在电缆终端台区运行的应用研究

钟 伟,汤春俊,朱 凯,齐以涛,秦威南,陈涧龙

(1.国网浙江义乌市供电有限公司,浙江 金华 322000;2.国网浙江省电力有限公司金华供电公司,浙江 金华 321000)

0 引言

随着城市经济的发展,城市电网建设以电缆输电网络为主,而电缆作为重要的高压输电设备,由于其结构中心为金属导体,绝缘保护层多采用自恢复性弱的固体绝缘材料,特别需要在电缆的终端配置金属氧化物避雷器(简称避雷器)防护过电压侵害[1-2]。例如在电缆与架空线路连接台区,配置相应规格的避雷器与电缆终端并联。

110～220 kV电缆终端塔台区通常设计一个至少2.5 m高的钢支架平台,平台安装在电缆终端塔下方,电缆终端头和避雷器平行排列在支架平台上并联布置[3],电缆终端高压端引线与架空输电线路相连接。

避雷器内部氧化锌电阻片柱由多片电阻片串联组成,每片电阻片分担一部份运行电压。氧化锌电阻片是属于非线性半导体陶瓷,其运行寿命与每片电阻片承担的电压(或荷电率)有关[4],因此制造商在避雷器设计时总是尽量使避雷器轴向电压分布均匀一致,但是随着高压避雷器轴向尺寸和运行电压的提高,对地杂散电容影响显著,加剧了避雷器内部电阻片电压分布的不均匀性,所以如220 kV避雷器都设计有外屏蔽均压环装置[5-7]。

电缆终端和避雷器是两个不同类型的高压电气设备,电缆终端内部有导体外部为绝缘层,中间导体上是高电压,对周围产生的强电场会耦合到避雷器内部的氧化锌电阻片上,从而改变单片电阻片承担的电压,影响避雷器的运行寿命特性,因此避雷器与电缆终端的安装距离就关系到避雷器运行时的电压分布。

避雷器与电缆终端的间隔距离一般参考GB 50149-2010《电气装置安装工程母线装置施工及验收规范》中规定的室外配电装置的安全净距值,其中220 kV B1尺寸为1.9 m[8]。

研究了220 kV避雷器在电缆终端台区,与电缆终端不同安装距离时的电压分布以及对避雷器荷电率的影响。

1 几何建模

本研究模型中,选用YH10WZ5-204/532型220 kV复合外套金属氧化物避雷器(简称220 kV避雷器)为研究对象,本体为内部充胶无气隙结构,分成上下两节元件,高度为2.5 m,底部为单伞绝缘底座,内部氧化锌电阻片规格为D7,上下元件分别叠装各30片,金属件由法兰、均压环、铝合金垫片、铁电极等组成,绝缘件主要有环氧管和硅橡胶外套、绝缘底座。

电缆终端选用沃尔核材的WYJZWC4-127/220型220 kV电缆终端,为瓷套管电缆终端,内部充油型。中间导体为铜材,其他金属件有法兰、屏蔽罩等,绝缘件有高压瓷套、绝缘油、应力锥及锥套等。电缆终端高度为3.21 m。

避雷器与电缆终端并联安装在角钢支架上,建模时只截取其中一相避雷器与电缆终端组合,见图1。

图1 避雷器与电缆终端头配置Fig.1 Surge arrester and cable terminal configuration

采用Ansys workbench-Design Modeler软件几何建模,然后导入Maxwell模块,建模时对模型进行了简化[9-10],将电阻片多片合成一块电阻,连接在一起的金属件合成一个零件,底部支架保留槽钢支架梁,移除下部其它金属辅材;考虑高压引线的电场影响很小,忽略电缆终端高压端和避雷器的高压引流线。

2 材料、边界和参数的确定

根据避雷器和电缆终端的组部件组成,重点考察这些组部件的电场强度,因此将组部件材料分成9类,重点确定这些材料的相对介电常数,见表1。

表1 各介质材料的相对介电常数Table 1 Relative permittivity of various dielectric materials

其中氧化锌电阻片的相对介电常数ε=Cx/C0,Cx为电阻片电容量,C0为等尺寸的空气介质电容值,根据王振林李盛涛著《氧化锌压敏陶瓷制造及应用》中提到氧化锌压敏电阻有很高的相对介电常数约为1 200～1 400[11-12]。

电缆终端中应力锥及锥套材料按绝缘材料确定参数[13-14],目前市场上也有半导体材料的零部件[15],此处未考虑。电缆护套为交联聚乙烯材料。

软件根据模型的细节程度和计算误差进行自动多次自适应网格划分,当计算结果满足要求1%的时候则停止重画网格,开始计算场强,获取结果。网格数量和单元见图2,模型小特征位置自动加密网格,结果满足最终的1%误差需求。

图2 网络划分情况Fig.2 Network division situation

忽略连接导线,在避雷器和电缆终端的高压端同时施加工频电压152 kV(避雷器持续运行电压),避雷器下方绝缘底座上法兰和电缆终端固定法兰以及钢支架梁接地为0 V,按静电场进行求解。

调整避雷器与电缆终端的安装距离,计算不同距离下的电场强度和避雷器轴向氧化锌电阻片的电压分布不均匀系数,计算出避雷器电压分布不均匀系数为1.15时的最小安装距离。初步计算的距离为1 500 mm、1 900 mm、2 500 mm。其中1 900 mm为GB 50149-2010的B1值,2 500 mm为避雷器高度为半径的间距值。

3 电场计算结果

避雷器在运行时,由于杂散电容的存在使避雷器各电阻片承担的电压各不相同,沿轴线的电压分布也是不均匀的,少部分电阻片由于荷电率过高,承担较大的热应力,加速劣化,当这部分电阻片失去功能后,会导致其他电阻片承担更高的电压,恶性循环,最终降低避雷器的运行可靠性和预期使用寿命[16-18]。因此本研究着重点在于研究避雷器用于保护电缆终端时,同相的电缆终端对其电压分布不均匀情况的影响,主要考察指标为沿避雷器轴线的电压分布不均匀系数及避雷器周围的电场强度。因此在建模时对避雷器内部电阻片及金属件做简化处理,不考虑避雷器内部电阻片之间的电气特性差异。

平均电场强度E平均=U/d=152 kV/1 350 mm=0.112 59 kV/mm;其中U为施加电压,d是电阻片柱净高,通过仿真计算避雷器电阻片柱的轴线上最大的场强Emax,避雷器的电场不均匀系数k=Emax/E平均;由于均匀电场空气击穿强度为30 kV/cm[19],计算避雷器周围的空气击穿强度,其值为2.6 kV/mm[20-21]。

1)避雷器与电缆终端间距1.9 m时电压分布见图3,结果显示均压环电压均匀,电缆中间导体为高压等势体,支架为低压接地,结果分布与加载一致。

图3 间距1.9 m时的3D模型中间截面电压分布Fig.3 Voltage distribution in the middle section of the 3D model when the distance is 1.9 m

2)避雷器与电缆头间距1.9 m时场强分布见图4,电场分布结果显示场强在避雷器和电缆终端的外表面其场强都较小,场强较大位置在电缆锥和法兰部分,而且仅考察避雷器轴线方向时发现场强是均压环附件与220 kV避雷器下节靠接地侧电阻片段稍大。

图4 间距1.9 m时的3D模型中间截面电场分布Fig.4 The electric field distribution in the middle section of the 3D model when the distance is 1.9 m

3)避雷器与电缆终端在不同安装距离时的计算结果:通过调整避雷器与电缆终端的安装距离,仿真计算了避雷器表面最大场强和氧化锌电阻片的轴向最大场强、电阻片的轴向电压不均匀系数,见表2。

表2 不同安装距离时避雷器的电压分布情况Table 2 Electric field distribution of lightning arresters at different installation distances

表3 导线(接地引线)的电阻和电感等计算参数Table 3 Calculation parameters such as resistance and inductance of conductor (grounding lead)

表中数据所见最大场强远小于空气击穿场强2.6 kV/mm,也小于棒棒间隙工频电压击穿场强3.8 kV/cm[22]。

不同安装距离时避雷器沿轴线的电场分布见图5。从图中可看到,在避雷器垂直轴线方向较大的场强发生在避雷器尾部电阻片段,与上下节避雷器元件中间法兰连接的电阻片微微增大,未超过避雷器尾部处最大场强值。

图5 不同安装距离时避雷器沿轴线的电场分布图Fig.5 The electric field distribution diagram of the Surge arresteralong axis at different installation distances

4) 将电缆终端移除,仅对避雷器施加电压的计算结果见图6。为了进一步比较电缆终端对避雷器的电压分布影响,将电缆终端移除后,保持其他条件不变,独立给避雷器施加152 kV工频电压,计算避雷器表面的最大场强和电阻片的电压不均匀系数。

图6 移除电缆终端后避雷器的电场分布情况Fig.6 Electric field distribution of the surge arrester after removing the cable terminal

从电场分布图中显示场强在避雷器和电缆终端的外表面其场强都较小,远小于空气的击穿场强2.6 kV/mm,场强较大位置在屏蔽均压环附近。电压分布基本均匀,高压侧、中间法兰连接处、避雷器尾部接地侧的场强曲线比图5中展示的曲线明显平坦,计算得单独避雷器电阻片沿轴线最大场强Emax=0.119 3 kV/mm,不均匀系数为1.059,避雷器外表面最大约0.275 kV/mm。

4 导线电感电压对避雷器残压的影响

避雷器是一种过电压限制器[23],针对不同过电压,其保护特性分为快波前过电压保护特性和缓波前过电压保护特性,快波前过电压保护特性由避雷器的陡波冲击电流残压和雷电冲击电流残压确定,缓波前过电压保护特性由避雷器的操作冲击电流残压确定[24]。

由于避雷器高压端连接导线存在寄生电感,在避雷器流过冲击电流时,导线上的固有电阻和电感阻抗会增大电缆终端上的有效残压幅值,该问题对保护快波前过电压很敏感,因此增大电缆台区的避雷器与电缆终端的安装距离时需要研究避雷器与电缆终端的安装距离对过电压保护水平和绝缘配合的影响。

快波前过电压通常波前时间0.1 μs

绝缘配合是在采取过电压保护措施后(比如采用避雷器),根据被保护设备上的作用电压以及绝缘特性,从安全运行和技术经济合理性两方面确定设备的绝缘强度[25]。因此在电缆终端冲击绝缘强度满足相关标准规定值下,校核所选择安装的避雷器的快波前过电压保护水平尤显重要。

以本研究的220 kV避雷器为例,据GB3 11.1-2012表4规定220 kV高压电力电缆的雷电冲击耐受电压最小值850 kV。据GB/T 11032-2020表D.1规定Ur=204 kV避雷器的陡波冲击电流残压最大值为594 kV,雷电冲击电流残压最大值为532 kV。

表4 220 kV电缆台区用避雷器连接导线冲击放电电流下的电感电压Table 4 The induced voltage under the impulse discharge current of the Surge arrester connection wire in the 220 kV cable platform area

计算用的避雷器与电缆终端连接回路见图7,计算电感压降时冲击电流流过避雷器的有效通道长度包括:连接导线长度、避雷器高度、接地引线长度。其中避雷器与电缆终端的连接导线长度以连接净长计算,不考虑实际施工时的弧形延长,避雷器高度为2.5 m,接地引线长度取电缆终端钢支架平台高度2.5 m属于比较严苛,使用导则中要求避雷器直接安装在电缆两端,连接线要尽可能的短。避雷器接地端必须用最短的方式直接连接到电缆护套上[27]。

图7 电缆终端台区避雷器连接回路Fig.7 Connecting circuit of surge arrester in cable terminal station area

冲击电流流过导线产生的电压有两部分组成:导线电阻和电感作用产生的压降。计算公式[28]如下:

U=I×R+L×(di/dt)

(1)

式中:I为流过导线的电流值kA,取标称电流幅值In=10 kA;di/dt为电的流上升陡度kV/μs,雷电冲击为di/dt=I/T0=1.25 kV/μs,T0=8 μs,陡波冲击di/dt=I/T0=10 kV/μs,T0=1 μs;

L为包含连接导线、接地引线和避雷器的等效电感。其中为计算方便高压侧连接导线与接地引线取相同导体,计算公式如下[29]。

(2)

式中:S为导线面积mm2,导线取LJ-120铝绞线,面积为120 mm2;l为高压侧连接导线和接地引线长度m,r为导线半径,为7.125×10-3m[30];μ0为真空磁导率4π×10-7(H/m)。

避雷器的等效电感[26]为L=L′×h

(3)

式中:L′为单位长度的电感值,对于瓷外套和复合外套避雷器,L′取1 μH;h为避雷器端子间高度减去电阻片高度,根据厂家提供的图样,220 kV避雷器内装配直径62 mm,高度22.5 mm氧化锌电阻片约60片,电阻片总高度为1 350 mm,则h=1 150 mm。

根据不同安装距离的情况计算见表4。

从表3、4中计算所得:1)导线电阻引起的电压升高幅值很小,基本可以忽略;2)8/20 μs雷电冲击电流引起的导线电感电压很小,不到204 kV避雷器雷电残压的2%;3)1/5 μs陡波冲击电流引起的导线电感电压显著,占避雷器陡波残压约9%～14%,可以计算得单位长度的LJ-120导线的陡波冲击感应电压占陡波残压的百分比是每米约2.6%。

当安装距离最大至2 500 mm时,陡波冲击电流残压增加77.97 kV,作用在电缆终端的有效残压为671.97 kV,与220 kV电缆终端的冲击耐受电压相比,配合系数1.265,满足紧靠保护设备避雷器的配合系数要求Ks>1.25[31]。需要说明的是本文计算例中采用的电缆终端的耐受电压为雷电冲击耐受电压,一般认为变压器、电缆、旋转电机等设备的陡波冲击电流残压的绝缘耐受强度要比标称放电电流残压的耐受强度高,因此本文计算的配合系数偏严。

5 结论

1)比较与电缆终端不同安装距离的避雷器的电压分布和电阻片的电压不均匀系数数值,随着距离增大,避雷器受电缆终端的电场影响趋于改善,当距离小于0.9 m时避雷器内部电阻片的电压分布不均匀系数超过1.15。

2)通常按GB 50149-2010标准中规定的安全净距B1值220 kV取1.9m时,220 kV避雷器的电压不均匀系数为1.121 7,220 kV避雷器实际运行电压的荷电率为77.94%,在避雷器内电阻片承担的最大荷电率ηmax=1.121 7×77.94%=87.43%,而一般220 kV避雷器的氧化锌电阻片能通过荷电率为90%,温度为115 ℃,时间1 000 h的加速老化试验,因此避雷器可以满足电缆终端保护的工况条件。

3)与移除电缆终端时避雷器的电压分布比较,氧化锌电阻片的电压不均匀系数均匀增加,见表5。虽然仿真计算得电阻片的电压分布不均匀情况都没超过1.15,但是可以看到电缆终端对避雷器的电场影响使其不均匀承担增加大于5%。这个值需要相关技术部门重视,因为本次仿真计算是比较理想的状态,忽略了各电阻片的个体差异,比如介电常数、电容量、电压梯度等,这些都和氧化锌压敏电阻的配方、生产工艺有密切关系。设计者应在避雷器实测电压分布试验数据的基础上,考虑电缆终端的电场不均匀增幅影响。

表5 避雷器受电缆终端影响引起电阻片电压不均匀系数的增幅情况Table 5 The increase of the non-uniformity coefficient of the electric field of the varistors caused by the influence of the cable terminal of lightning arrester

4)由于增加避雷器与电缆终端的安装距离会延长避雷器高压端导线,因此计算了避雷器流过冲击电流时导线(接地引线)电感上的电压降,其中8/20 μs的雷电波影响甚小,但是1 μs的陡波冲击时,连接导线的电感压降会使避雷器实际残压增加较大,120 mm2的铝线影响是每米2.6%左右,在实际施工时采用导线截面积减小或者长度加长时,这种影响更加显著,需要工程设计人员慎重考虑并校核陡波冲击残压是否超限。