均压环的尺寸对避雷器电位分布的优化

苗发金，蔡汉生，贾 磊，祝嘉喜，甘宏军

（1.西安西电避雷器有限责任公司，西安710200，2.南方电网科学研究院，广州510080，3.国网攀枝花供电公司，四川攀枝花717000）

均压环的尺寸对避雷器电位分布的优化

苗发金1，蔡汉生2，贾 磊2，祝嘉喜1，甘宏军3

（1.西安西电避雷器有限责任公司，西安710200，2.南方电网科学研究院，广州510080，3.国网攀枝花供电公司，四川攀枝花717000）

通过ANSYS软件对避雷器进行仿真计算，探讨与研究均压环的尺寸对避雷器电位分布的影响。利用优化结果，通过试验的方法，验证了仿真优化结果，确定了避雷器的电位分布不均匀系数。

均压环；仿真；电位分布；电位不均匀系数

0 引言

理论上，理想条件下无间隙金属氧化物避雷器每一个电阻片承担的电压均应等于施加在避雷器上的总电压除以避雷器的总电阻片个数。但是避雷器在实际运行过程中，由于对地杂散电容的存在使得避雷器各电阻片承担的电压并不相同，避雷器上部电阻片承担的电压一般要高于避雷器下部电阻片承担的电压，因此对避雷器的电位分布进行控制，尽可能使得每个电阻片上所承担的电压相近，避免局部电阻片承受过高的电压[1]。

对于电位分布的控制，目前国内外对高电压等级的MOA采取的均压措施一般为加装均压环及并联均压电容[2]。但由于另加并联电容器会增加一些不可靠因素，在实际应用当中，也由于并联电容器出现过避雷器故障，因此笔者仅用加装均压环的方式来调节电阻片上的电压分布。通过ANSYS软件对避雷器进行仿真计算，探讨与研究均压环的尺寸对避雷器电位分布的影响，利用优化结果，通过试验的方法，确定避雷器的电位不均匀系数。

1 避雷器电位分布仿真计算

1.1 避雷器的结构尺寸

该研究采用爬距为31 mm/kV的500 kV金属氧化物避雷器，该避雷器采用三节装结构，单节高度：1900 mm，总高度：6 322 mm。主要由电阻片、铝垫片、绝缘筒、瓷外套、法兰、均压环等构成，外形结构图1所示，内部结构如图2所示，a为单节避雷器单元中上端金属高度，b为单节避雷器单元中下端金属高度[3]。

图1 避雷器结构图Fig.1 Arrester configuration diagram

图2 避雷器内部结构图Fig.2 Arrester internal configuration diagram

1.2 计算结果

在建立氧化锌避雷器轴对称计算模型的基础上[4]，计算了此种情况下避雷器的电位分布，计算得到的电位分布云图如图3、图4所示，此种情况下的电压承担比值曲线如图5所示，承担最大电压承担比值的电阻片位于高压端附近。

1.3 均压环各参数对电压承担比值的影响

1）管径对电压承担比值的影响：单独考虑管径对电压承担比值的影响，其它参数均不变，得到电阻片上的电压承担比的最大值随管径的变化规律如表1，图6所示。

图3 电位分布云图Fig.3 The potential distribution nephogram

图4 避雷器主体电位分布云图Fig.4 The arrester potential distribution nephogram

图5 优化前电压承担率曲线Fig.5 Voltage distribution ratio curve before optimization

表1 管径对电压承担率的影响Table 1 Effect of tube size of grading ring on voltage distribution ratio

图6 电压承担率最大值随管径的变化规律Fig6. The regular pattern of voltage distribution ratio variation with tube size of grading ring

2）环径对电压承担比值的影响：单独考虑上环圈和下环圈的环径对电压承担比值的影响，其它参数均不变，得到电阻片上的电压承担比的最大值随环径的变化规律如表2、表3及图7所示。

表2 上环圈环径对电压承担率的影响Table 2 Effect of upper ring size of grading ring on voltage distribution ratio

表3 下环圈环径对电压承担率的影响Table 3 Effect of lower ring size of grading ring on voltage distribution ratio

图7 电压承担率最大值随环径的变化规律Fig7.The regular pattern of voltage distribution variation with ring size of grading ring

3）罩入深度对电压承担比值的影响：单独考虑上环圈、下环圈的罩入深度对电压承担率的影响，其它参数均不变，得到电阻片上的电压承担比的最大值随罩入深度的变化规律如表4、表5及图8所示。

表4 上环圈罩入深度对电压承担率的影响Table 4 Effect of upper ring cover in depth of grading ring on voltage distribution ratio

表5 下环圈罩入深度对电压承担率的影响Table 5 Effect of lower ring cover in depth of grading ring on voltage distribution ratio

1.4 均压环各参数优化计算

利用ANSYS软件自身提供的分析——评估——修正的循环[5]，以电阻片上承担电压承担比值的最大值为目标函数[6]，定义各参数的变化范围，如表6所示，经过随机搜索法和子问题法的优化后得到在该变化范围内的最优安装尺寸如表7所示，优化均压环后得到的电压承担率曲线如图9所示。

图8 电压承担比最大值随罩入深度的变化规律Fig.8 The regular pattern of voltage distribution variation with ring cover in depth of grading ring

表6 各参数的变化范围Table 6 Variation range of each parameter

表7 优化后结果Table 7 Optimization results

图9 优化后电压承担率曲线Fig.9 Voltage distribution curve after optimization

优化后的均压环能大幅度的降低电压承担比值的最大值，但没有满足要求，由图9可知，环径和下环圈的罩入深度对电压承担比值的影响较大，因此可考虑增大环径或增加下环圈的罩入深度。按表8和表9所示方式对均压环参数进行修改，优化后的电压承担比值曲线分别如图10所示。

通过修改环径和罩深，电压承担比值均符合要求，修改罩深进行优化后的电位分布云图如图11（a）所示，修改环径进行优化后的电位分布云图如图11（b）所示。

表8 修改罩深后的参数变化范围Table 8 Range parameters after modify the deep cover

表9 修改环径后的参数变化范围Table 9 Range parameters after modify the ring size

表10 修改罩深后的优化结果Table 10 Optimization results after modify the deep cover

表11 修改环径后的优化结果Table 11 Optimization results after modify the ring size

图10 电压承担比值曲线Fig.10 Voltage distribution curve after optimization

图11 每节避雷器单元电位分布云图Fig.11 The potential contours of each the arrester unit after final optimization

2 避雷器电位分布测量

2.1 试验设备仪器及布置方案

1）试验设备仪器：试验变压器采用1 000 kV谐振试验变压器。测试仪器：采用西安交通大学高压教研室研发，基于光纤电流法的《40路数字式电位分布测量系统》，测量系统主要由电流传感器、传输光纤、信号接收处理单元和上位机等四部分组成。最多可以对40路电流信号同时采集。电流传感器采用有源设计，系统如图12所示，取样电阻选用功率为1/4 W的直插式千分之一精度的金属氧化膜精密电阻，使用10位A/D进行采样，所测的电流信号通过采样电阻转换成电压信号，电压满量程为1.5 V，在电压信号为0.5 V时能达到1%的精度[7]

2）试验布置方案：采用国际推荐的光纤—电流法测量，本次测量试验共使用27路测量传感器，媒介避雷器单元均匀布置9个，在测量点处将原金属垫块采用与其尺寸相同但中部为绝缘介质并开有传感器安装位置的垫块代替并将传感器传入避雷器电阻片组中。安装方法如图13所示。

图12 40路数字式电位分布测量系统[7]Fig.12 40-channel digital potentiometer distribution measurement system[7]

图13 传感器和光纤安装方式Fig.13 Sensors and fiber optic installation

试验接线如图14所示，为模拟实际运行环境，将避雷器用高度为1880mm的瓷套作为支撑，然而将避雷器末节单元用金属引线接地；高压引线采用蛇皮管进行屏蔽再施加在避雷器芯体端部上，以消除高压引线电晕等对测量结果带来的影响；各节避雷器单元未安装防爆板，从而将多路传输光纤由排气导弧孔引出避雷器单元；信号接收机和上位机位置在距离避雷器20m操作控制室以保证人员安全。

图14 试验示意图Fig.14 The voltage distribution test

2.2 电位分布测量

避雷器的均压环根据仿真的第一次优化条件下下施加318 kV电压，对电位分布进行测量，测得的数据如表12。

表12 测量数据Table 12 Test data

光纤电流法测量的是流过测量点的电流值，当电阻片的电容量差异不大时，可以用电流分布，来分析分布，尤其在调整电位分布时，这种方法简便易行，实测电阻片的之间的电容量偏差小于0.6%，电位分布测量时忽略电阻片的电容差异。以下用使用电流分布的方法来分析电位分布。电流值的最大正偏差，即避雷器的最大电位分布不均匀系数[8-9]。

最大值出现在18号传感器，电阻片编号为88，最小值出现在7号传感器，电阻片编号为34。

电流平均值：

最大值：Imax=2844.6 μA

最小值：Imin=2299.1 μA

电流值的最大正偏差：

电流值的最小负偏差：

由第一次测量结果可以看出第一节的电流的平均值偏高，总体承担电压偏高，第三节的承担电压偏低。

根据仿真结果调节避雷器均压环的环径再次施加318 kV电压，对电位分布进行测量，测得的数 据见表13。

表13 测量数据Table 13 Test data

测得的最大值出现在19号传感器，电阻片编号为92，最小值出现在8号传感器，电阻片编号为39。

电流平均值：

最大值：Imax=2598.2 μA

最小值：Imin=2140.8 μA

电流值的最大正偏差：

电流值的最小负偏差：

再次调节避雷器均压环的罩入深度施加318 kV电压，对电位分布进行测量，测得的数据如表14。

测得的最大值出现在19号传感器，电阻片编号为92，最小值出现在8号传感器，电阻片编号为39。

表14 测量数据Table 14 Test data

电流平均值：

最大值：Imax=2592.4 μA

最小值：Imin=2152.5 μA

电流值的最大正偏差：

电流值的最小负偏差：

表15可以看到试验结果同仿真计算优化后的结论基本一致，试验结果比仿真计算结果要低一些，通过仿真计算结果可以有效地改善了避雷器的电位分布结果。

表15 仿真结果和试验结果对比Table 15 Comparison of simulation results and test results

3 结论

1）在所研究的范围内，电压承担率的最大值是随着管径的增大而减小，但当管径大于80 mm后，电压承担率的最大值下降的幅度趋于饱和；

2）在所研究的范围内，电压承担率的最大值随着均压环上、下环圈环径的增加而减小，但下环圈环径对爬距31 mm/kV的金属氧化物避雷器电位分布的改善作用不及上环圈环径，可能的原因是承担最大电压承担率的电阻片位于高压端附近，而上环圈对改善高压端附近的电阻片电压承担率作用比较明显；

3）下环圈的罩入深度对电压分布的改善作用比较明显，在所研究范围内，最大电压承担率随着下环圈的罩入深度的增加而减小，随上环圈的罩入深度的增加先减小后增大。

4）电阻片的数量对电位分布有影响，电阻片片数越少，铝垫片的片数越多，使得芯体的自电容越大，电位分布也就更均匀。

5）利用光纤电流法进行测量，对优化后的两种均压环参数进行电位分布测试，其电位分布不均匀系数分别为1.111和1.117，同仿真计算优化后的结论基本一致，有效地改善了避雷器的电位分布。

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Optimization of Potential Distribution of Arrester by Size of Grading Ring

MIAO Fajin1，CAI Hansheng2，JIA Lei2，ZHU Jiaxi1，GAN Hongjun3
（1.Xi′an XD Arrester Co.,Ltd.，Xi′an 710200，China；2.Southern Power Grid Science Research Institute，Guangzhou 510080，China；3.State Power Grid Corp Panzhihua Power Company，Panzhihua 717000，China）

The arrester is simulated by ANSYS software,and the influence of the size of the griding ring on the potential distribution of the arrester is discussed and studied.Using the optimization results,the simulation results are verified by the experimental method,and the inhomogeneity coefficient of the potential distribution of the arrester is determined.

grading ring；simulation；potential distribution；inhomogeneity coefficient of the poten⁃tial

10.16188/j.isa.1003-8337.2017.05.022

2016-08-30

苗发金（1964—），男，工程师，主要从事避雷器的设计、生产和管理工作。