采用均压电容对500 kV氧化物避雷器电压分布的影响

李文霞，高振国，钟雅风

(1.沈阳工程学院 电力学院,辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁电力有限公司 电力科学研究院,辽宁 沈阳 110006)



采用均压电容对500 kV氧化物避雷器电压分布的影响

李文霞1，高振国1，钟雅风2

(1.沈阳工程学院 电力学院,辽宁 沈阳 110136；2.国网辽宁电力有限公司 电力科学研究院,辽宁 沈阳 110006)

由于500 kV氧化锌避雷器是由3节构成，在持续运行电压下，因其杂散电容的存在将引起电阻片电压分布极不均匀的现象，使部分电阻片因电压过高而加速老化和热崩溃，最终导致避雷器的损坏，大大缩短了它的运行寿命。通过改善避雷器的电位分布，进而有效地提高其运行可靠性，一般采用在避雷器上端装设均压环、避雷器元件并联均压电容棒的方式进行均压。针对500 kV氧化锌避雷器，在给定的均压环配置下，采用光纤—电流法来研究并联不同的均压电容棒对避雷器电位分布的影响。

金属氧化物避雷器；电压分布；均压电容；光纤电流法

由氧化锌(ZnO)为主要材料制造的非线性电阻片，在释放过电压能量后随即将电源经由避雷器通路的电流阻断到零，进一步将ZnO压敏电阻开发成为新型的避雷器元件，由此出现了无间隙金属氧化锌避雷器，它具有残压低、通流容量大等优点，用来满足吸收高能量、大功率的要求。氧化锌避雷器大大提高了系统运行的可靠性，同时，由于其优良的保护性能，使被保护设备的绝缘结构得以优化。目前，由于过电压保护装置MOA具有异常良好的非线性特性和发展速度快等优点，从而使得MOA在电力系统领域中获得了快速的发展[1]。

对于500 kV及以上电压等级所使用的避雷器而言，由于受高压端对地杂散电容的影响，使上端电阻片承受过高的电压，导致MOA上电位分布极不均匀的问题愈加明显。在长期持续运行电压下，避雷器高压端的电阻片由于要承担过高的电压，MOA电阻片逐渐劣化、热崩溃，最终造成避雷器的损坏[2-4]。为了解决这个问题，需要从两个方面考虑：一是提高电阻片的荷电率；二是降低杂散电容对避雷器的影响。若要避雷器安全可靠的正常运行，必须采取合理的均压方法来达到改善电压分布的目的，设计中常使用的均压措施主要是加装均压环、并联均压电容。这种均压措施在一般运行环境中取得较好的均压效果，而且还提高了避雷器的防污秽能力，有效地克服外界污染层带来的不利影响。一般情况下，先通过在高压端加均压环来降低电压分布不均匀系数，这种措施简单方便、成本低，同时降低了因结构复杂而可能引起故障的概率，但均压环的尺寸大小易受均压环与避雷器本体间的外绝缘强度和周围场地的布置等因素的影响，均压效果是有限的[5-6]。对于直立式超高压无间隙金属氧化物避雷器来说，其元件数多、电压等级高、结构更复杂等因素，使得避雷器电压分布不均匀的情况更加严重[7]。无间隙金属氧化物避雷器电位的分布是否合理，将会直接影响到避雷器的安全运行，设计中通常采取综合的均压措施，即装设均压环和并联均压电容棒两者共同配合下的方法。然而，对并联均压电容的合理配置需要进一步地探讨研究[8]。

对于避雷器均压特性的研究，国内外主要着重在均压环对避雷器均压的影响效果上，很少细致地考虑均压电容对避雷器均压效果的影响[9-12]。以无间隙金属氧化锌避雷器Y20W1-444/1063为研究对象，采用抗干扰能力强的光纤—电流法，定量研究了在给定均压环结构参数的情况下，均压电容棒的并联配置对避雷器电阻片轴向电位分布的影响。

1 试品及其布置

1.1 试验电源

试验电源容量应满足短路电流小于1 A(有效值)，在测量期间内电源电压的变化小于0.5%。试验频率应在48～62 Hz之间，且测量期间内频率变化小于0.5%，测量期间应监测频率和电压。

1.2 试品型号及数量

试品选用的是国产的4支无间隙金属氧化物避雷器Y20W1-444/1063(分别为1#、2#、 3#、4#MOA)，每支由3节构成。

氧化锌避雷器的额定电压为444 kV，其持续运行电压Uc为324 kV。

试验中，MOA的上、中、下三节均由40片环状电阻片(外径φ为115 mm，内径φ为32 mm)串联构成，且每片的平均厚度为20.8 mm。

1.3 试品布置

该试验中避雷器的总高度为5 600 mm；单个元件的高度为1 740 mm；绝缘底座的高度为380 mm；构架高度为2 300 mm；由单柱电阻片串联构成了避雷器的芯组，每节元件均由上法兰、下法兰、瓷套、绝缘筒、电阻片柱、金属垫片等部件构成。为了减小周围环境对试验结果的影响，试品一般选为户外布置，且整个试验装置离建筑物的距离应大于10 m。

避雷器均压环的配置为：双层均压环的上层等效内径为1 000 mm，下层等效外径为1 800 mm，嵌入的深度为900 mm，且4支MOA高压端都安装均压环，如图1所示为双层均压环示意图。

图1 双层均压环

1.4 均压电容棒状况

4支避雷器均由上、中、下三节构成，上、中节的均压电容棒是与电阻片柱并联组成的。按照避雷器的实际结构尺寸和优化后的均压环结构，分别配置不同参数的均压电容棒给MOA。为了获取最合理的均压方式，试验在初步设计的时候，由于均压电容对下节电阻的电压分布影响极小，因此决定在下节均不安装均压电容棒，最终拟定了4种并联不同均压电容棒的组合方案，表1为MOA内部的均压电容状况。

表1 4支MOA内部的均压电容棒配置

注：构成均压棒的每个电容为600 pF，允许的长期运行电压为3.5 kV。

2 测量系统

2.1 工作原理

通常测量避雷器电压分布不均匀系数的方法主要有实测法、计算法这两种，其目的都是通过得到最佳的均压措施，来达到比较理想化的电压分布。该设计采用的是实测法——光纤-电流法，该方法利用电流传感器测量仪测量避雷器电位分布。测量仪由探头、光纤和光接收机组成，如图2所示。探头和电阻片串联安装，避雷器加压后，泄电流从探头内部的电阻上流过，产生一定的压降，探头将该电信号转换成光信号后，经光缆上传到接收器后，接收器将光信号重新转换为电信号，记录流过电阻片的电流值，测量避雷器各测点的电压分布，明确避雷器电压分布不均匀程度[13]。针对典型的Y20W1-444/1063型500 kV避雷器，利用MOA电位分布的光电测量系统来进行电压分布试验，最终计算出避雷器的电压分布不均匀系数。

2.2 系统构成

测量系统主要是由30路探头电路和4路接收电路构成。但要求测量时分别在被测电阻片的下端放置尺寸足够小的探头，探头的尺寸与电阻片尺寸一样，并保证探头的数量对电阻片的电压分布没有影响。由于探头的体积较小，且光纤具有良好的抗电磁干扰能力，因而对避雷器自身的电压分布不会产生影响。如图3所示为避雷器中探头的安放位置。

图2 光纤-电流测量仪

图3 避雷器中探头的安放位置

2.3 探头位置的布置

试验中在避雷器的上、中、下3节各取10个或9个测点。测量系统中的探头数量总共为30个测点，计算时将避雷器的3节元件自高压端到接地端依次编号为1～3号，电阻片自高压端到接地端依次编号为1～30号。在避雷器放置探头的位置处的电阻片底下应放置金属垫块，而且还需确保探头的引入对避雷器的电压分布并不会造成影响。

3 不同均压电容棒配置下的测量结果与分析

3.1 避雷器的电压分布

在同一双层均压环配置的情况下，通过上述试验测量得到4支氧化锌避雷器各测点的电流值，如表2、表3、表4、表5所示：

表2 1#避雷器的电位分布测量数据

表3 2#避雷器的电位分布测量数据

表4 3#避雷器的电位分布测量数据

表5 4#避雷器的电位分布测量数据

将上述4种方案下的避雷器电位分布测量数据，利用仿真软件来画出4支氧化锌避雷器的电流分布图，进而观察避雷器的电压分布趋势，如图4所示。

由图4曲线可以明显看出，1#避雷器采取的方案，使得下节与上中节的电流值跨距太大，导致MOA电压分布极不均匀；而2#避雷器的方案，与上、下节相比，中节的电流值却又相对太小，MOA电压分布也不均衡。每节电阻片自上而下为1、2、3、……、40；测点“1”在第1片上，测点“2”在第5、6片之间，……，测点“9”在第40片下。

图4 4支避雷器的电流分布曲线

3.2 电压分布不均匀系数的计算

避雷器的电压分布不均匀程度通常用避雷器电压分布不均匀系数Kv表示[14]，国家标准GB11032—2010要求避雷器的电压分布系数一般不大于0.15[15]。电压分布不均匀是指，电阻片在持续运行电压下所承担的偏离平均运行电压水平的现象，而Kv指的是最大偏离持续运行电压的程度[16]。

避雷器电压分布不均匀系数为

(1)

因为

Ii=Ui×Ci×2πf

(2)

将公式(2)代入公式(1)得

(3)

试品所有电阻片电容量的平均值为

Ci=2.57nF

经折算后的平均电容值为

其中，f=50 Hz，Uc=324 kV，n=120片。

因此，将上述实验数据代入式(3)可知，在并联不同参数的均压电容棒后，4支避雷器对地杂散电容引起的电压分布不均匀系数分别为

第一种均压电容棒Inax1(下)=2.57 mA：

Kv1#=[(2.57×120)/(2π×50×2.57×324)]-1=0.18。

第二种均压电容棒Inax2(上)=2.37 mA：

Kv2#=[(2.37×120)/(2π×50×2.57×324)]-1=0.087。

第三种均压电容棒Inax3(中)=2.43 mA：

Kv3#=[(2.43×120)/(2π×50×2.57×324)]-1=0.11。

第四种均压电容棒Inax4(中)=2.37 mA：

Kv4#=[(2.37×120)/(2π×50×2.57×324)]-1=0.087。

通过计算分析，第二种和第四种试验方案均符合500 kV金属氧化物避雷器不均匀系数不大于15%。但是第四种方案电流分布曲线和不均匀系数要好于第二种方案，因此其电压分布更加均衡。

4 结 论

在并联不同的均压电容棒配置下，针对500 kV无间隙金属氧化锌避雷器进行的电位分布试验结果的分析，得出以下结论：

1)避雷器在上节设置均压环的情况下，在上、中、下三节中均压电容的配置结构以及配置参数对避雷器的电压分布存在明显的影响。当避雷器挂网运行时，应对避雷器并联的每节均压电容进行优化设计。

3)测量避雷器电压分布不均匀系数的一种有效方法是光纤-电流法。

综上所述，若要改善500 kV避雷器电阻片轴向电位分布的情况下，在增设并联均压电容棒的基础上，不仅要考虑均压电容器的合理配置方式，同时也要考虑经济效益，通过合理的调整方案，来有效地提高避雷器的电位分布均匀性，使其降低到理想化的程度。

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(责任编辑魏静敏校对张凯)

TheInfluenceonPotentialDistributionof500kVMOAbyEmployingtheGradingShuntCapacitors

LI Wen-xia1,GAO Zhen-guo1,ZHONG Ya-feng2

(1.School of Electrical Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136;2.State Grid Liaoning Electric Power Research Institute,Shenyang 110006,Liaoning Province)

The 500kV MOA in service is made up of three sections. Its service life is probably cut down seriously and even damage ultimately because of the aging acceleration and thermal run away of part of resistor discs led by the overvoltage that is caused by the non-uniform potential distribution in the axial direction of arrester with the stray capacitance when the arrester services in the continuous operation voltage. To improve MOA potential distribution and enhance its operational reliability,the grading rings are usually installed in the high-voltage side and the grading capacitors are paralleled on the arrester elements. Based on the given grading rings configuration of 500kV MOA,the fiber-current method was utilized to research the influence on the arrester’s potential distribution with different grading capacitor configuration.

Metal oxide arrester; Potential distribution; Grading capacitor; Fiber-optic current method

2017-04-10

李文霞(1994-)，女，甘肃天水人,硕士研究生。

高振国(1965-)，男，辽宁沈阳人，副教授。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.011

TM835；TM862

： A

： 1673-1603(2017)03-0253-06