本体参数及间隙结构对EGLA放电电压影响的研究

李可伦，王 森，王 荆，郭 洁，吕 伟，杨飞军，乔兵兵

（1.西安交通大学电气工程学院，西安 710049；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安 710100；3.西安西电避雷器有限责任公司，西安 710200）

本体参数及间隙结构对EGLA放电电压影响的研究

李可伦1，王 森2，王 荆2，郭 洁1，吕 伟3，杨飞军3，乔兵兵1

（1.西安交通大学电气工程学院，西安 710049；2.国网陕西省电力公司电力科学研究院，西安 710100；3.西安西电避雷器有限责任公司，西安 710200）

为了保证外串空气间隙线路避雷器(EGLA)性能更好地满足线路绝缘配合要求，掌握间隙的放电电压参数是重中之重，研究间隙放电电压与各影响因素的关系就成为了一个关键的课题。在间隙未放电时间隙与本体的电压分配主要受电容影响，因此EGLA的放电电压与本体电容及间隙电容有着密切的关系。使用ANSYS仿真计算了35kV、110kVEGLA试品不同本体参数、不同间隙结构的电容量和电压分配，并实验研究了相应配置下EGLA的工频和冲击放电电压，对比仿真计算与实验结果，获得了EGLA的放电电压主要受本体参数及间隙等值电容影响，本体参数中等值电容影响更大的结论。

外串空气间隙线路避雷器；放电电压；电容量；间隙结构；本体参数

0 引言

外串空气间隙线路避雷器（Externally Gapped Line Arrester,EGLA）是应用于电力线路以降低线路雷击时绝缘闪络概率的一种电气设备。在运行时，线路避雷器与线路绝缘子并联装设，当线路遭受雷击时，由于其优秀的放电和保护特性，能有效地防止雷电过电压所引起的输电线路绝缘故障，从而提高电力系统的可靠性[1-5]。

根据DL/T 815-2012的要求，EGLA在进行线路保护时，应能在雷电过电压下先于线路绝缘可靠放电，而在系统预期工频过电压和操作过电压下不发生放电动作[6]。因此，在考虑放电分散性和绝缘配合裕度的情况下，EGLA的空气间隙在与暂态工频过电压和操作过电压配合时应当足够大；在与有威胁的雷电冲击过电压配合时应当尽可能小。因此，为了保证EGLA的防雷性能满足运行要求，EGLA的放电电压是重中之重的参数，而EGLA的放电电压由其间隙放电电压决定，因此研究EGLA间隙放电电压与各影响因素的关系就成为了一个关键的课题。

由于EGLA本体由电阻片单元组成，与空气间隙串联连接，未放电前间隙与本体的电压分配主要受等值电容影响，因此EGLA的放电电压与本体电容及间隙电容有着密切的关系[7-13]。而本体电容与氧化锌电阻片的参数及装配片数有关，间隙等值电容主要由间隙长度及电极形状决定，周围的电磁环境影响较小。故笔者重点对EGLA间隙放电电压与电阻片参数、片数、间隙长度、电极形状的关系展开研究。

本次研究选取35 kV和110 kVEGLA作为研究对象，采用实验与ANSYS仿真相结合的方法，研究本体参数及间隙结构对EGLA放电电压的影响。

1 间隙电容的仿真计算

通常，EGLA间隙电极均为不规则形状，形成的空气间隙等值电容无法使用解析法准确计算，需使用电磁场计算软件建立三维空间模型仿真计算各种间隙结构的等值电容量。本次研究使用ANSYS电磁场软件包进行计算，分析了表1中各种不同本体参数及间隙结构配置方式下的间隙等值电容，EGLA本体电容值35kV为41.71pF，110kV为14.91pF。

表1 不同EGLA本体参数及间隙结构配置Taleb 1 Configuration of SVU and Gap of EGLA

计算模型的35 kV、110 kV EGLA均为单节结构，由上、下法兰、电极、复合外套、电阻片、铝垫片等结构组成。35 kV及110 kV的建模过程基本相同。几何建模采用自上而下方法，由于计算环境整体为平面对称形状，故仅建立二分之一模型以减小计算量。EGLA、支撑部件及导线模型如图1所示。避雷器以外区域可以看作是由空气组成的开域空间，根据剖分细密程度要求的不同由近至远分成多个部分。含有空气域的模型如图2所示。

图1 计算模型Fig.1 Calculation Model

图2 含空气域的计算模型Fig.2 Calculation Model with Air Domain

表2中为不同配置情况下的等值电容仿真计算结果及对应计算得到的间隙放电电压承担率理论值。考虑在EGLA间隙未放电时，EGLA本体的非线性电阻分流效应对间隙电压承担率影响很小，主要为电容效应，按照不同频率下本体等值电容量CSVU和间隙等值电容仿真计算结果CGAP，可定义间隙放电电压承担率的理论计算值kc为

计算得到的不同电压下间隙放电电压承担率的理论计算值如表2所示。

表2中所示的各配置下的间隙等值电容值及间隙放电电压承担率将与由放电实验结果中得出的间隙放电电压承担率比对，以验证EGLA放电电压与本体等值电容之间的负相关关系及与间隙等值电容之间的正相关关系。

表2 间隙等值电容及电压承担率计算结果Table 2 Calculation Results of Capacitance and Voltage Distribution Rate of Air Gap

2 工频放电电压研究

工频放电电压试验在35 kV EGLA上依据国标GB/T 16927.1试验方法进行，空气间隙为200 mm。实验时将电阻片按电容值由小至大排序依次装入EGLA内部，表1所示的配置1、2中，实验时EGLA本体电容量CSVU的实测值为41.70 pF；配置3、4中，实验时EGLA本体电容量CSVU实测值为57.03pF；配置5、6中，实验时EGLA本体的电容量CSVU实测值为100.93 pF。35 kV EGLA的实验现场如图3所示。

图3 工频实验现场Fig.3 Environment of experiment under power frequency

实验分别测取了EGLA和纯间隙工频放电电压，工频电源的升压速度为3 kV/s～5 kV/s，本体短路实验测得纯间隙的放电电压平均值为145.74 kV（长电极）和159.65 kV（环电极），用Ub1表示。将本体与空气间隙串联，测量6种不同本体参数及间隙结构配置下EGLA的工频放电电压，将放电电压平均值记为Ub，定义间隙放电电压承担率k为

将k与kc进行比较，通过试验和计算获得了工频电压作用下EGLA放电电压时间隙放电电压承担率的理论值和实测值如表3所示。

表3 工频放电电压实验结果Table 3 Result of Discharging Experiment under Power Frequency

实验结果表明：

1）在工频电压作用下，若保持间隙结构不变即间隙电容不变，则EGLA放电电压与其本体电容成反比；若保持本体不变，则EGLA放电电压与其间隙电容成正比。在35kVEGLA的工频放电实验中，随着EG⁃LA本体电阻片数量的减少，间隙电压承担率提高。

2）仿真和实验均表明：间隙距离均为200 mm的前提下，环电极的空气间隙等值电容值均小于长电极的空气间隙等值电容值，从而环电极组成的EG⁃LA空气间隙在实验中承担了更高的电压，使EGLA放电电压降低。并且，在工频电压下，35 kV EGLA间隙电压承担率实测值与理论计算值最大相差6.21%，最小相差1.04%，理论计算值与实验实测值基本吻合。

3 冲击放电电压研究

冲击放电实验在35 kV及110 kV EGLA上进行，依据国标GB/T 16927.1试验方法，标准雷电冲击电压波及标准操作冲击电压波实验波形参数分别为1.2/50 μs及250/2500 μs，采用升降法确定纯空气间隙及EGLA整体的50%冲击放电电压。35 kV EG⁃LA实验中，空气间隙为200 mm。本体配置分为6种配置与工频实验相同。110 kV EGLA实验中，空气间隙为500 mm及800 mm，采用表1中配置7-配置10进行实验。冲击放电实验现场如图4所示。

实验时，首先将本体短路，使用升降法确定纯空气间隙的50%冲击放电电压U50%，实验结果如表4所示。

将本体与空气间隙串联，按照10种不同本体及间隙配置进行EGLA冲击放电实验。与纯空气间隙实验相同，采用升降法，得到每种配置下的U50%，定义冲击电压下间隙放电电压承担k为

表4 空气间隙50%冲击放电电压实验结果Table 4 50%Impulse Discharge Voltage of Air Gap

图4 冲击实验现场Fig.4 Environment of Experiment under Impulse Voltage

雷电冲击放电实验结果如表5所示，操作冲击放电实验结果如表6所示。

表5 雷电冲击放电电压实验结果Table 5 Result of Discharging Experiment under Lightning Impulse Voltage

实验结果表明：

1）在操作冲击电压下，35 kV EGLA间隙电压承担率理论值与实测值的偏差分别为：长电极时10.73%；环电极时0.83%。EGLA间隙放电电压承担率理论计算值与实验实测值基本吻合。其他配置下的间隙电压承担率理论值与实际值间均有类似现象。因此，在冲击电压作用下，EGLA的间隙电压承担率基本符合间隙电容与本体电容的串联反比分压关系，非线性阻性分量影响很小。因此EGLA放电电压直接与其间隙电容及本体电容相关。

表6 操作冲击放电电压实验结果Table 6 Result of Discharging Experiment under Switching Impulse Voltage

2）在操作冲击和雷电冲击电压作用下，保持EGLA本体不变,随着空气间隙距离的增大，间隙电压承担率提高。

3）在冲击电压(标准雷电波、标准操作波)作用下，EGLA放电时，其间隙承担电压百分比k小于工频电压波作用时的对应实验数据，但间隙承担电压百分比k随本体、间隙电容关系变化而相应变化的规律依然存在。

4 实验结果分析与讨论

1）对比表3、表5及表6中的间隙放电电压承担率理论计算值kc与实测值k，可以看出在多数情况下，kc与k之间均存在一定偏差。实测值与理论计算值存在的偏差主要由杂散电容和本体非线性阻抗分量引起，其中杂散电容影响更大。随着本体电阻片的减少，杂散电容影响减小，实测值与理论计算值偏差减小。

2）长电极间隙放电电压承担率的理论值与实测值的差距总是大于环电极。这主要是由电场的不均匀程度和杂散电容影响不同所导致的。实验中使用的长电极间隙结构在不同电压作用下形成的电场不均匀程度远大于环电极，另外两种电极形成的周围电磁环境也不同，杂散电容也不同。故长电极实验测得的放电电压分散性较大，间隙电压承担率相对更不稳定。在110 kV EGLA的冲击放电实验中，当间隙距离取800 mm（配置9、10）时，间隙电压承担率理论值与实际值的偏差优于间隙距离500 mm的结果。这也印证了电场均匀程度的影响显著。

3）同样的本体及间隙配置组合在工频、操作、雷电三种波形下的间隙电压承担率不同，依次递减，如配置6在3种波形下的间隙电压承担率分别为95.76%、93.46%和91.84%。这是由于EGLA所装配的氧化锌电阻片的相对介电常数随外加电压频率的增大而减小。实验中，工频电压的等效频率为50Hz，标准操作冲击电压的等效频率为1 kHz，而标准雷电冲击电压的等效频率为156.25 kHz，因此EGLA本体ZnO电阻片的相对介电常数降低，本体电容减小，因此间隙放电电压承担率减小。此外，在冲击电压作用下，EGLA的放电电压高于工频电压作用下的放电电压，因此放电时EGLA本体承担的电压更高，其非线性阻性电流增大，导致本体阻抗减小，空气间隙电压承担率增大。

5 结论

通过使用ANSYS软件对工频、操作、雷电三种波形下EGLA间隙电容的仿真计算及对35 kV、110 kV EGLA进行的工频、冲击电压放电实验，经过对实验数据的分析及对实验数据和仿真结果的对比，本研究可得出以下结论：

1）对比空气间隙电压承担理论计算值与实测值，笔者认为在典型工频过电压、操作过电压及雷电过电压作用下，EGLA放电时本体与空气间隙的分压关系均符合串联电路电容分压规律，即按照各自等值电容按反比关系分压，空气间隙电压承担率关系成立。

2）在典型工频过电压、操作过电压及雷电过电压作用下，若保持EGLA空气间隙结构不变即间隙电容不变，则EGLA放电电压随其本体电容增大而减小；若保持EGLA本体参数不变，则EGLA放电电压与其间隙等值电容增大而增大。

3）间隙结构还可通过电极形状对间隙电场分布的影响而改变EGLA放电电压。实验证明，电场不均匀系数较小的间隙结构的电压承担率实测值更贴近理论计算值，表明较均匀的电场结构间隙受周围杂散电容等因素的影响更小，并且其放电分散性更小，EGLA保护特性更好。

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Study on the Influence of SVU Parameter and Gap Structure on Discharge Voltage of EGLA

LI Kelun1,WANG Sen2,WANG Jing2,GUO Jie1,LV Wei3,YANG Feijun3,QIAO Bingbing1
（1.School of Electrical Engineering,Xi’an Jiaotong University,Xi’an 710049，China；2.Electric Science Institute of SGCC Shaanxi Electric Power Company,Xi’an 710054，China；3.Xi’an XD Arrester Co.,Ltd.,Xi’an 710200，China）

In order to make the performance of externally gapped line arrester meet the requirements of national standards,the discharge voltage of its gap becomes the most important parameter.Therefore,the study on the relation between discharge voltage of the gap and other influential factors is considered as a critical project.Generally,it is recognized that the distribution of voltage between SVU and gap fol⁃lows the pattern of serial capacitance distribution of voltage.As a result,there is a close relevance be⁃tween discharge voltage of the gap and capacitance of SVU and the gap.In this study,capacitances of gaps in different structures are calculated with ANSYS software;discharge experiments under power fre⁃quency as well as impulse voltage are conducted on EGLA under different configurations;results of calcu⁃lation and experiments are compared;preliminary conclusions are deducted.It is showed that by their ca⁃pacitance,SVU parameters and gap structures affect the discharge voltage of EGLA,and the influence of SVU is larger.

externally gapped line arrester；discharge voltage；capacitance；gap structure；SVU pa⁃rameter

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.015

2016-06-12

李可伦（1991—），男，硕士，主要研究方向：电力系统过电压及其防护。